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在新能源領(lǐng)域, 太陽能光伏(PV) 市場以30%以上的年增長率在過去10年不斷吸引了眾多投資者。事實(shí)上, 開發(fā)太陽能光伏的基本技術(shù)早在50年前便已面世，但一直未獲得很大進(jìn)展。正因如此，目前市場上的光伏模塊及逆變器技術(shù)似乎在成本效益及回報(bào)上還沒有達(dá)到用戶的要求，未被廣泛使用, 還需依靠政府補(bǔ)貼。但自從業(yè)界引進(jìn)DC/DC電源優(yōu)化器以及DC/AC微逆變器等分布式技術(shù)后，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)便開始了新一輪技術(shù)變革。
太陽能光伏技術(shù)的窘境
太陽能光伏系統(tǒng)及集成電路大約都在50年前開始發(fā)展。期間，集成電路在工藝和專利技術(shù)方面不斷有新的突破，成本也在大幅下降；而太陽能技術(shù)僅在效率及穩(wěn)定性方面有所改進(jìn)。太陽能發(fā)電廠仍然由太陽能光伏模塊陣列組成，這些光伏模塊將陽光轉(zhuǎn)化為直流電能，并由集中式逆變器將直流電轉(zhuǎn)為交流電，然后輸往電網(wǎng)。
整個業(yè)界雖然一直致力于提高發(fā)電量，但這方面的技術(shù)研發(fā)工作卻一直以提高太陽能電池的效率為主，或集中開發(fā)有助于提高發(fā)電量的先進(jìn)生產(chǎn)工藝。但若要將太陽能的發(fā)電成本降低至與傳統(tǒng)電網(wǎng)相當(dāng)?shù)乃?，上述研發(fā)方向預(yù)計(jì)不會取得理想成果，因?yàn)槠渲猩婕暗某杀就芨?，但效率較低。例如，晶體硅光伏模塊雖然在效率方面有一定幅度的提升(每年約0.5%)，但其它方面的性能基本上與20年前無異。
過去10年來，薄膜光伏模塊的單位發(fā)電成本雖然有明顯下跌，但目前尚未證明這種技術(shù)具有長期的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，由于美國政府為光伏太陽能用戶提供了可觀的補(bǔ)貼，因此，10年來太陽能系統(tǒng)的市場滲透率大幅飆升，新建系統(tǒng)的總發(fā)電量高達(dá)10GW以上。2010年新安裝的太陽能光伏系統(tǒng)的總發(fā)電量高達(dá)15至17GW。部分國家如德國，更長期為太陽能用戶提供高額的政府電力回購制度(Feed-in Tariff, FIT)，極大地拉動了太陽能光伏的市場需求。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)面對的挑戰(zhàn)是如何深入了解現(xiàn)有太陽能系統(tǒng)的實(shí)際市場環(huán)境以及相關(guān)的技術(shù)問題，以確保一旦政府停止提供補(bǔ)貼，這個市場仍然可以繼續(xù)高速發(fā)展。
陰影及失配問題
陰影及失配問題已令多家知名公司以及新興公司研發(fā)解決上述問題的新技術(shù)。太陽能光伏陣列中，一個模塊出問題，會影響所串聯(lián)的其它模塊，且任何一組串聯(lián)都會影響陣列上的其它串聯(lián)。準(zhǔn)確地說，光伏系統(tǒng)若出現(xiàn)電壓及電流方面的不平衡，便會產(chǎn)生失配問題。其中原因很多，如局部的陰影、移動的浮云、附近物體的反光、光伏模塊的不同角度及排列方式、污垢、不同程度的老化、細(xì)微的裂縫以及太陽能陣列之間的溫差。所有太陽能系統(tǒng)都或多或少存在失配的問題，但很多情況下因失配而導(dǎo)致的能源損耗會被忽略或低估。許多獨(dú)立的研究顯示，即便只有10%的光伏模塊被陰影遮蔽，整個系統(tǒng)的功耗將高達(dá)50%。
目前的太陽能系統(tǒng)都試圖利用中央逆變器的特殊算法解決這個失配問題。這種稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)的特殊算法, 可以調(diào)整光伏系統(tǒng)直流線路上的電壓，以便捕獲盡可能多的能量。這種方法的局限是，逆變器無法深入“看到”光伏陣列上的模塊和串，因此只能作緩慢而有限的調(diào)整。
電源優(yōu)化器方案
2008年，美國國家半導(dǎo)體首次將電源優(yōu)化技術(shù)，或稱“電源優(yōu)化器”引入市場。其特點(diǎn)是在光伏模塊上利用核心模擬電路技術(shù)及電源管理芯片，提高太陽能光伏系統(tǒng)的輸出效率。
過去一年多，集成電路與太陽能光伏模塊供應(yīng)商已進(jìn)一步加強(qiáng)了彼此間的合作。例如，為太陽能系統(tǒng)提供分布式集成電路及電源優(yōu)化器的美國國家半導(dǎo)體，已宣布與全球最大的晶體硅光伏模塊供應(yīng)商尚德公司(Suntech)建立了合作關(guān)系。
對于太陽能系統(tǒng)來說，引進(jìn)集成電路會有增值作用，因?yàn)殡娫磧?yōu)化器的主要目的是恢復(fù)因某一模塊受損而失掉的能量，并確保隨時(shí)提高每一光伏模塊的能效。電源優(yōu)化器的主要作用是通過MPPT技術(shù)提供DC/DC優(yōu)化，研究顯示，電源優(yōu)化器可以在太陽能系統(tǒng)長達(dá)25年的壽命周期內(nèi)將能量采集量提高25%。
目前市場上有幾種不同的DC/DC電源優(yōu)化器解決方案，我們必須深入研究其差別，因?yàn)椴煌募軜?gòu)有不同的效果。例如，當(dāng)調(diào)整某一受損串內(nèi)模塊的MPPT時(shí)，部分模塊的電壓需要下調(diào)，另一部分需要調(diào)升。這個升/降壓架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高能量收集量，并提供最有效的設(shè)計(jì)方法。部分優(yōu)化器只提供降壓功能，雖然從電源轉(zhuǎn)換效率的角度看，這個設(shè)計(jì)可以發(fā)揮較高的效率，但能量收集量未必能相應(yīng)提高。此外，部分優(yōu)化器只提供升壓功能，其優(yōu)點(diǎn)是可將模塊的電壓提高至與直流線路電壓相等的水平，但缺點(diǎn)是電流較高以及輸入電壓范圍較小，因此較難在有陰影的情況下充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能。
雖然所有的新技術(shù)都需要經(jīng)過一段時(shí)間才會獲業(yè)界接受及不斷優(yōu)化，但由于電源優(yōu)化器不但性能可靠，而且芯片商還提供媲美太陽能模塊廠商的保修服務(wù)，因此其市場需求持續(xù)增長，而且升勢強(qiáng)勁。模塊廠商都明白，若要產(chǎn)品有較好的銷路，不但要保證工藝，而且還要保證性能穩(wěn)定可靠。引進(jìn)DC/DC電源優(yōu)化技術(shù)能提高太陽能系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的能量采集量，加上本身又有25年的維護(hù)保證，那么規(guī)?；南到y(tǒng)安裝公司以及設(shè)計(jì)、采購、施工(EPC）承包商都愿意采用這種產(chǎn)品。從技術(shù)角度看，更高的峰值效率(高達(dá)99.5%)、安全性、以及可與各類逆變器兼容等特性，有助于吸引更多系統(tǒng)安裝公司及工程總承包商向家庭及商業(yè)用戶大力推薦采用電源優(yōu)化技術(shù)。
系統(tǒng)均衡成本(BOS)對于系統(tǒng)安裝公司及工程總承包商是一個重要的衡量因素。一般來說，他們會對系統(tǒng)的總成本提交一個估價(jià)，并保證系統(tǒng)在保修期內(nèi)的性能。表面上看，加裝電源優(yōu)化器會增加成本，但事實(shí)上，系統(tǒng)的其它部分可以節(jié)省更多成本，使總成本低于當(dāng)初的估價(jià)。采用基于優(yōu)化器的模塊，系統(tǒng)用戶可安裝集中式逆變器，而不用組串式逆變器。
由于模塊可安裝在整個屋頂上或某個范圍內(nèi)，無需避開阻礙物和陰影，因此工程費(fèi)用較低，而且還可節(jié)省機(jī)架、電纜用量，因?yàn)橥幻娣e可以容納更多光伏模塊，串聯(lián)的數(shù)量也不再是問題。
微逆變器方案
采用微逆變器是另一種解決方案，這個方案同樣存在上面提到的安裝和性能問題。光伏系統(tǒng)若采用微逆變器，就沒必要裝集中式逆變器，因?yàn)槲⒛孀兤骺梢詫⒚恳荒K輸出的直流電直接轉(zhuǎn)為交流電。其主要面向家用太陽能光伏市場，市場占有率一直穩(wěn)步上升，主要原因是易于安裝且更靈活。例如，串聯(lián)的數(shù)量隨需求而定，用戶需要多小的陣列都可以。采用微逆變器方案的另一優(yōu)點(diǎn)是，安裝者可以不用高壓直流電纜，以避免產(chǎn)生電弧。
從微逆變器和電源優(yōu)化器的目前售價(jià)來看，這些新解決方案何時(shí)才能成為主流方案還無法下定論。根據(jù)部分報(bào)告的預(yù)測顯示，未來3年會有10~15%新安裝的太陽能系統(tǒng)采用電源優(yōu)化器，而且未來5年內(nèi)其占有率可能會高達(dá)太陽能系統(tǒng)市場的25%。這兩種解決方案于2008年推向市場時(shí)，單位發(fā)電成本約為0.80~1.00美元/W。2010年，這兩種解決方案的成本開始出現(xiàn)明顯下跌，并具有競爭優(yōu)勢（見表1）。
表1 微逆變器和電源優(yōu)化器的比較
分布式光伏系統(tǒng)將成主流
分布式光伏系統(tǒng)似乎更受用戶歡迎，這總比等待光伏模塊生產(chǎn)商大幅提高單元或模塊的效率好，因?yàn)橄到y(tǒng)效率才是最值得關(guān)注的重要數(shù)據(jù)。由于在終端產(chǎn)品市場各有賣點(diǎn)，電源優(yōu)化器及微逆變器都會被用戶采用。添加了這些電子電路之后，每個模塊都可獨(dú)立工作，并達(dá)到最大效率。這些解決方案適用于不同的市場及不同的光伏安裝，包括家用及商用系統(tǒng)、新安裝的系統(tǒng)以及準(zhǔn)備升級的舊系統(tǒng)。
新技術(shù)若要搶占主流市場，必須符合業(yè)界規(guī)定的質(zhì)量及可靠性標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是低風(fēng)險(xiǎn)，且不會輕易發(fā)生故障。因此，市場開始轉(zhuǎn)向模塊集成技術(shù)，即“智能面板”，以提升效率。（作者：美國國家半導(dǎo)體太陽能芯片業(yè)務(wù)部，生態(tài)系統(tǒng)戰(zhàn)略高級經(jīng)理Leslie Bane；高級市場營銷經(jīng)理Kevin Kayser）
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| 圖1 采用集中式MPPT技術(shù)的并網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng) |
太陽能光伏技術(shù)的窘境
太陽能光伏系統(tǒng)及集成電路大約都在50年前開始發(fā)展。期間，集成電路在工藝和專利技術(shù)方面不斷有新的突破，成本也在大幅下降；而太陽能技術(shù)僅在效率及穩(wěn)定性方面有所改進(jìn)。太陽能發(fā)電廠仍然由太陽能光伏模塊陣列組成，這些光伏模塊將陽光轉(zhuǎn)化為直流電能，并由集中式逆變器將直流電轉(zhuǎn)為交流電，然后輸往電網(wǎng)。
整個業(yè)界雖然一直致力于提高發(fā)電量，但這方面的技術(shù)研發(fā)工作卻一直以提高太陽能電池的效率為主，或集中開發(fā)有助于提高發(fā)電量的先進(jìn)生產(chǎn)工藝。但若要將太陽能的發(fā)電成本降低至與傳統(tǒng)電網(wǎng)相當(dāng)?shù)乃?，上述研發(fā)方向預(yù)計(jì)不會取得理想成果，因?yàn)槠渲猩婕暗某杀就芨?，但效率較低。例如，晶體硅光伏模塊雖然在效率方面有一定幅度的提升(每年約0.5%)，但其它方面的性能基本上與20年前無異。
過去10年來，薄膜光伏模塊的單位發(fā)電成本雖然有明顯下跌，但目前尚未證明這種技術(shù)具有長期的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，由于美國政府為光伏太陽能用戶提供了可觀的補(bǔ)貼，因此，10年來太陽能系統(tǒng)的市場滲透率大幅飆升，新建系統(tǒng)的總發(fā)電量高達(dá)10GW以上。2010年新安裝的太陽能光伏系統(tǒng)的總發(fā)電量高達(dá)15至17GW。部分國家如德國，更長期為太陽能用戶提供高額的政府電力回購制度(Feed-in Tariff, FIT)，極大地拉動了太陽能光伏的市場需求。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)面對的挑戰(zhàn)是如何深入了解現(xiàn)有太陽能系統(tǒng)的實(shí)際市場環(huán)境以及相關(guān)的技術(shù)問題，以確保一旦政府停止提供補(bǔ)貼，這個市場仍然可以繼續(xù)高速發(fā)展。
陰影及失配問題
陰影及失配問題已令多家知名公司以及新興公司研發(fā)解決上述問題的新技術(shù)。太陽能光伏陣列中，一個模塊出問題，會影響所串聯(lián)的其它模塊，且任何一組串聯(lián)都會影響陣列上的其它串聯(lián)。準(zhǔn)確地說，光伏系統(tǒng)若出現(xiàn)電壓及電流方面的不平衡，便會產(chǎn)生失配問題。其中原因很多，如局部的陰影、移動的浮云、附近物體的反光、光伏模塊的不同角度及排列方式、污垢、不同程度的老化、細(xì)微的裂縫以及太陽能陣列之間的溫差。所有太陽能系統(tǒng)都或多或少存在失配的問題，但很多情況下因失配而導(dǎo)致的能源損耗會被忽略或低估。許多獨(dú)立的研究顯示，即便只有10%的光伏模塊被陰影遮蔽，整個系統(tǒng)的功耗將高達(dá)50%。
目前的太陽能系統(tǒng)都試圖利用中央逆變器的特殊算法解決這個失配問題。這種稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)的特殊算法, 可以調(diào)整光伏系統(tǒng)直流線路上的電壓，以便捕獲盡可能多的能量。這種方法的局限是，逆變器無法深入“看到”光伏陣列上的模塊和串，因此只能作緩慢而有限的調(diào)整。
電源優(yōu)化器方案
2008年，美國國家半導(dǎo)體首次將電源優(yōu)化技術(shù)，或稱“電源優(yōu)化器”引入市場。其特點(diǎn)是在光伏模塊上利用核心模擬電路技術(shù)及電源管理芯片，提高太陽能光伏系統(tǒng)的輸出效率。
過去一年多，集成電路與太陽能光伏模塊供應(yīng)商已進(jìn)一步加強(qiáng)了彼此間的合作。例如，為太陽能系統(tǒng)提供分布式集成電路及電源優(yōu)化器的美國國家半導(dǎo)體，已宣布與全球最大的晶體硅光伏模塊供應(yīng)商尚德公司(Suntech)建立了合作關(guān)系。
對于太陽能系統(tǒng)來說，引進(jìn)集成電路會有增值作用，因?yàn)殡娫磧?yōu)化器的主要目的是恢復(fù)因某一模塊受損而失掉的能量，并確保隨時(shí)提高每一光伏模塊的能效。電源優(yōu)化器的主要作用是通過MPPT技術(shù)提供DC/DC優(yōu)化，研究顯示，電源優(yōu)化器可以在太陽能系統(tǒng)長達(dá)25年的壽命周期內(nèi)將能量采集量提高25%。
目前市場上有幾種不同的DC/DC電源優(yōu)化器解決方案，我們必須深入研究其差別，因?yàn)椴煌募軜?gòu)有不同的效果。例如，當(dāng)調(diào)整某一受損串內(nèi)模塊的MPPT時(shí)，部分模塊的電壓需要下調(diào)，另一部分需要調(diào)升。這個升/降壓架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高能量收集量，并提供最有效的設(shè)計(jì)方法。部分優(yōu)化器只提供降壓功能，雖然從電源轉(zhuǎn)換效率的角度看，這個設(shè)計(jì)可以發(fā)揮較高的效率，但能量收集量未必能相應(yīng)提高。此外，部分優(yōu)化器只提供升壓功能，其優(yōu)點(diǎn)是可將模塊的電壓提高至與直流線路電壓相等的水平，但缺點(diǎn)是電流較高以及輸入電壓范圍較小，因此較難在有陰影的情況下充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能。
雖然所有的新技術(shù)都需要經(jīng)過一段時(shí)間才會獲業(yè)界接受及不斷優(yōu)化，但由于電源優(yōu)化器不但性能可靠，而且芯片商還提供媲美太陽能模塊廠商的保修服務(wù)，因此其市場需求持續(xù)增長，而且升勢強(qiáng)勁。模塊廠商都明白，若要產(chǎn)品有較好的銷路，不但要保證工藝，而且還要保證性能穩(wěn)定可靠。引進(jìn)DC/DC電源優(yōu)化技術(shù)能提高太陽能系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的能量采集量，加上本身又有25年的維護(hù)保證，那么規(guī)?；南到y(tǒng)安裝公司以及設(shè)計(jì)、采購、施工(EPC）承包商都愿意采用這種產(chǎn)品。從技術(shù)角度看，更高的峰值效率(高達(dá)99.5%)、安全性、以及可與各類逆變器兼容等特性，有助于吸引更多系統(tǒng)安裝公司及工程總承包商向家庭及商業(yè)用戶大力推薦采用電源優(yōu)化技術(shù)。
系統(tǒng)均衡成本(BOS)對于系統(tǒng)安裝公司及工程總承包商是一個重要的衡量因素。一般來說，他們會對系統(tǒng)的總成本提交一個估價(jià)，并保證系統(tǒng)在保修期內(nèi)的性能。表面上看，加裝電源優(yōu)化器會增加成本，但事實(shí)上，系統(tǒng)的其它部分可以節(jié)省更多成本，使總成本低于當(dāng)初的估價(jià)。采用基于優(yōu)化器的模塊，系統(tǒng)用戶可安裝集中式逆變器，而不用組串式逆變器。
由于模塊可安裝在整個屋頂上或某個范圍內(nèi)，無需避開阻礙物和陰影，因此工程費(fèi)用較低，而且還可節(jié)省機(jī)架、電纜用量，因?yàn)橥幻娣e可以容納更多光伏模塊，串聯(lián)的數(shù)量也不再是問題。
微逆變器方案
采用微逆變器是另一種解決方案，這個方案同樣存在上面提到的安裝和性能問題。光伏系統(tǒng)若采用微逆變器，就沒必要裝集中式逆變器，因?yàn)槲⒛孀兤骺梢詫⒚恳荒K輸出的直流電直接轉(zhuǎn)為交流電。其主要面向家用太陽能光伏市場，市場占有率一直穩(wěn)步上升，主要原因是易于安裝且更靈活。例如，串聯(lián)的數(shù)量隨需求而定，用戶需要多小的陣列都可以。采用微逆變器方案的另一優(yōu)點(diǎn)是，安裝者可以不用高壓直流電纜，以避免產(chǎn)生電弧。
從微逆變器和電源優(yōu)化器的目前售價(jià)來看，這些新解決方案何時(shí)才能成為主流方案還無法下定論。根據(jù)部分報(bào)告的預(yù)測顯示，未來3年會有10~15%新安裝的太陽能系統(tǒng)采用電源優(yōu)化器，而且未來5年內(nèi)其占有率可能會高達(dá)太陽能系統(tǒng)市場的25%。這兩種解決方案于2008年推向市場時(shí)，單位發(fā)電成本約為0.80~1.00美元/W。2010年，這兩種解決方案的成本開始出現(xiàn)明顯下跌，并具有競爭優(yōu)勢（見表1）。
表1 微逆變器和電源優(yōu)化器的比較
| 微逆變器 | 電源優(yōu)化器 |
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迄今銷量高達(dá)50萬，主要面向家用市場。 |
迄今銷量較小，但可能會由家用市場擴(kuò)大至商用市場。 |
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保修期限：15~25年 |
幾乎25年的保修期 |
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獨(dú)立出售的產(chǎn)品，主要受制于方案的大小和 |
獨(dú)立出售的產(chǎn)品，另有部分集成在模塊內(nèi)。 |
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能量收集增加25%，約150美元。 |
能量收集增加25%，25~75美元。 |
分布式光伏系統(tǒng)將成主流
分布式光伏系統(tǒng)似乎更受用戶歡迎，這總比等待光伏模塊生產(chǎn)商大幅提高單元或模塊的效率好，因?yàn)橄到y(tǒng)效率才是最值得關(guān)注的重要數(shù)據(jù)。由于在終端產(chǎn)品市場各有賣點(diǎn)，電源優(yōu)化器及微逆變器都會被用戶采用。添加了這些電子電路之后，每個模塊都可獨(dú)立工作，并達(dá)到最大效率。這些解決方案適用于不同的市場及不同的光伏安裝，包括家用及商用系統(tǒng)、新安裝的系統(tǒng)以及準(zhǔn)備升級的舊系統(tǒng)。
新技術(shù)若要搶占主流市場，必須符合業(yè)界規(guī)定的質(zhì)量及可靠性標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是低風(fēng)險(xiǎn)，且不會輕易發(fā)生故障。因此，市場開始轉(zhuǎn)向模塊集成技術(shù)，即“智能面板”，以提升效率。（作者：美國國家半導(dǎo)體太陽能芯片業(yè)務(wù)部，生態(tài)系統(tǒng)戰(zhàn)略高級經(jīng)理Leslie Bane；高級市場營銷經(jīng)理Kevin Kayser）
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