智能型光伏組件

■ 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體

目前，光伏系統(tǒng)的安裝服務(wù)公司及投資者都希望有關(guān)設(shè)備(亦即他們的投資項(xiàng)目)可以順利運(yùn)行25年，而且在整個(gè)壽命周期內(nèi)能發(fā)揮最高的效率。但由于組件性能會(huì)隨著時(shí)間而退化(一般來(lái)說(shuō)，組件的性能會(huì)以每年0.5%～1.0%的速度逐漸退化)，因此光伏系統(tǒng)的用戶一般都會(huì)按照線性比率計(jì)算某段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)損耗。事實(shí)上，幾乎所有光伏系統(tǒng)都受實(shí)際操作環(huán)境的影響，以致組件性能的衰退速度遠(yuǎn)比估計(jì)值高，令投資回報(bào)低于預(yù)期。這些影響實(shí)際操作的因素包括光伏組件之間的失配、傍路二極管的熱能耗散令組件性能加速退化以及各種環(huán)境因素(如浮云、污垢及碎片等)。為了解決系統(tǒng)效率較低的問(wèn)題以及確保產(chǎn)品能夠在瞬息萬(wàn)變的產(chǎn)品市場(chǎng)中脫穎而出，光伏組件生產(chǎn)商都寄希望于智能集成電路能開辟一條新路。

近幾年來(lái)，多家電子設(shè)備供應(yīng)商相繼在市場(chǎng)上推出獨(dú)立式的直流/直流和直流/交流變換的電源管理產(chǎn)品。這種獨(dú)立式解決方案的優(yōu)點(diǎn)是可裝入目前正在使用的太陽(yáng)能系統(tǒng)中。但事實(shí)上，有意將舊系統(tǒng)升級(jí)的用戶不多，若與銷售全新光伏系統(tǒng)的市場(chǎng)相比，升級(jí)系統(tǒng)的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿︼@得微不足道。獨(dú)立的電源管理方案也有其不足之處，例如，要添加連接線路、接地回路、外殼和支架，不但增加成本，線路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，安裝時(shí)間更長(zhǎng)，而且要為新添產(chǎn)品另外提供質(zhì)保。

越來(lái)越多的光伏組件生產(chǎn)商預(yù)先將智能電路內(nèi)置于組件內(nèi)，使系統(tǒng)可充分利用智能電路的優(yōu)點(diǎn)，提高光伏陣列的整體效率，同時(shí)降低系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的總成本。這是一個(gè)極具成本效益的解決方案，光伏組件生產(chǎn)商可為市場(chǎng)提供不同的選擇。系統(tǒng)壽命周期的總成本是指包括安裝和設(shè)計(jì)時(shí)間以及所有物料成本在內(nèi)的總成本。換言之，平衡的系統(tǒng)總成本越低，意味著安裝和設(shè)計(jì)時(shí)間越短，所需的電纜/機(jī)架越少，逆變器成本以至光伏系統(tǒng)的分類成本也越低。面對(duì)來(lái)自市場(chǎng)的各種壓力，如價(jià)格方面的壓力、新增廠商的競(jìng)爭(zhēng)壓力，要確保自己的產(chǎn)品能夠在市場(chǎng)上脫穎而出，廠商紛紛順應(yīng)市場(chǎng)的需要將集成電路內(nèi)置于光伏組件內(nèi)。

一 智能型太陽(yáng)能光伏技術(shù)漸趨成熟

新一代的光伏組件，即智能型光伏組件開始受到市場(chǎng)歡迎。這種光伏組件內(nèi)置智能接線盒，可充分利用模擬電路和電源管理技術(shù)以及直流/直流電源優(yōu)化器的優(yōu)點(diǎn)。以全球最大的接線盒供應(yīng)商之一灝訊集團(tuán)(HUBER+SUHNER)為例，該公司已成功開發(fā)內(nèi)置美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體SolarMagicTMSM3320芯片組的RADOX¨SolarBox NS3接線盒(圖1)。內(nèi)置集成電路的接線盒可支持更多功能，相比僅內(nèi)置傍路二極管的接線盒性能更優(yōu)。智能接線盒采用無(wú)縫銜接的設(shè)計(jì)，可輕易裝入光伏組件內(nèi)，以提高光伏組件的性能及發(fā)電量。除灝訊集團(tuán)外，市場(chǎng)上還有Shoals Technologies Group、Onamba和QC Solar等多家智能接線盒生產(chǎn)商，預(yù)計(jì)陸續(xù)會(huì)有更多競(jìng)爭(zhēng)者進(jìn)軍這個(gè)市場(chǎng)。

智能接線盒供應(yīng)商的產(chǎn)品都采用各自專有的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)能充分利用分布式集成電路的優(yōu)點(diǎn)。部分接線盒采用單件式(圖2a)設(shè)計(jì)，即由傍路二極管至集成電路的整個(gè)單元都置于同一個(gè)封閉盒內(nèi)，并通過(guò)一組接線連到下一個(gè)光伏組件。這種設(shè)計(jì)所需的元器件及連接器極少，可確保系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性。部分接線盒則采用雙單元(圖2b)設(shè)計(jì)，一般來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)將帶狀電纜和傍路二極管設(shè)于連接座內(nèi)，與集成電路分開，其優(yōu)點(diǎn)是方便在現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)升級(jí)或部件更換。

由于市場(chǎng)上有多種智能接線盒可供選擇，各大光伏組件生產(chǎn)商都躍躍欲試，希望能在現(xiàn)有的產(chǎn)品之外添加全新的智能型產(chǎn)品系列。尚德公司(Suntech)是全球晶體硅光伏組件領(lǐng)導(dǎo)生產(chǎn)商之一。該公司最近宣布與分布式集成電路的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體攜手合作，為太陽(yáng)能產(chǎn)品市場(chǎng)開發(fā)新產(chǎn)品。這一合作計(jì)劃已取得成果，推出的分布式集成電路可提升光伏系統(tǒng)的性能，有助于解決這類系統(tǒng)一直存在的性能問(wèn)題，而且是極具成本效益的解決方案。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體SolarMagic技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可提高組件的峰值效率(99.5%)，為組件提供了3種操作模式(即降壓、升壓及直通模式)，以及在光伏組件層面(而不是一列組件)上減少電流及電壓失配問(wèn)題所產(chǎn)生的不利影響。

二 智能光伏組件對(duì)于生產(chǎn)商的價(jià)值所在

光伏組件生產(chǎn)商一直在通過(guò)降價(jià)以提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，但隨著市場(chǎng)對(duì)光伏組件的要求漸趨嚴(yán)格(例如要求更高的發(fā)電量及更高的效率)，若要提升性能便需增加生產(chǎn)及研發(fā)方面的開支，本已極微的利潤(rùn)將更微薄。生產(chǎn)商一方面要確保其利潤(rùn)，另一方面又要降價(jià)以滿足市場(chǎng)要求。在這樣的市場(chǎng)壓力之下，太陽(yáng)能組件生產(chǎn)商不得不推出具有獨(dú)特個(gè)性的產(chǎn)品。目前許多大大小小的光伏組件生產(chǎn)商都在與直流/交流及直流/直流集成電路開發(fā)商合作，希望推出各種能源效率更高而又獨(dú)具個(gè)性的產(chǎn)品。

生產(chǎn)智能型光伏組件的廠商只要采用智能電路解決方案(圖3)，便可安枕無(wú)憂，因?yàn)槊繅K太陽(yáng)電池板必定符合質(zhì)保書上所列的性能。一般來(lái)說(shuō)，廠商保證在最初的10年內(nèi)組件性能不會(huì)低于規(guī)定的90%，而且在其后的15年不低于規(guī)定的80%。光伏組件若添加了集成電路，可發(fā)揮更高的性能。換言之，廠商面對(duì)的索賠個(gè)案將會(huì)減少，因?yàn)榧词菇M件功能退化令組件失配，導(dǎo)致發(fā)電量下跌，但添加的集成電路可提升組件性能，有助于彌補(bǔ)這方面的損失。

三 智能光伏組件對(duì)于安裝公司/系統(tǒng)集成商的價(jià)值所在

光伏系統(tǒng)安裝公司面對(duì)的主要問(wèn)題是如何確保利潤(rùn)符合指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，這些安裝公司都屬于較小型的企業(yè)，日常運(yùn)營(yíng)幾乎全依靠現(xiàn)金流支持。換言之，每分錢的利潤(rùn)都與公司的業(yè)務(wù)休戚相關(guān)。此外，雖然光伏系統(tǒng)目前的單位發(fā)電成本以每瓦多少美元($/W)計(jì)算，但當(dāng)光伏系統(tǒng)的單位發(fā)電成本接近傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)電成本時(shí)，衡量成本的主要標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)改為以每度電多少美元($/kWh)計(jì)算。這是衡量產(chǎn)品質(zhì)量及性能的標(biāo)準(zhǔn)。安裝公司必須為用戶提供發(fā)電效率最高的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，才能在市場(chǎng)上生存。

智能型光伏組件的優(yōu)點(diǎn)是以整個(gè)壽命周期計(jì)的系統(tǒng)總成本較低，安裝公司及系統(tǒng)集成商可節(jié)省更多成本，因?yàn)榘惭b這類智能型光伏系統(tǒng)時(shí)無(wú)需避開可能會(huì)阻擋陽(yáng)光的物體(如煙囪及障礙物)，可充分利用整個(gè)屋頂?shù)目臻g，有助于降低電纜、布線、機(jī)架等方面的物料成本，還可為用戶提供一個(gè)包括各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品在內(nèi)的全方位解決方案。此外，安裝公司也無(wú)需避開附近的障礙物或遷就屋頂?shù)膬A斜角度或方向，直接將智能型光伏組件安裝于屋頂?shù)娜魏挝恢?，全部安裝工程可一次完成，無(wú)需多次爬上屋頂進(jìn)行安裝。每塊光伏組件都內(nèi)置智能電路，串聯(lián)組成的的每列組件數(shù)可靈活增減，加上采用的MPPT算法可緩解組件失配問(wèn)題，因此智能型光伏系統(tǒng)的總體成本較低，安裝光伏系統(tǒng)的服務(wù)公司不但可獲取更大的利潤(rùn)，而且還可提高系統(tǒng)的發(fā)電量，使客戶也從中受益。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體等公司不斷研發(fā)新技術(shù)，致力于為系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性創(chuàng)立新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以確保更多業(yè)者采用分布式集成電路。芯片廠商必須為任何內(nèi)置于光伏組件的集成電路提供與光伏組件一致的25年維修保證。過(guò)去50年來(lái)，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體一直為軍用裝置、航天設(shè)備和汽車電子系統(tǒng)提供各種集成電路，目前的服務(wù)范圍更擴(kuò)大至光伏系統(tǒng)，加上公司的財(cái)政穩(wěn)固，所經(jīng)營(yíng)的業(yè)務(wù)具有極高的盈利能力，因此有足夠的實(shí)力可為大型的太陽(yáng)能發(fā)展項(xiàng)目提供支持。一直以來(lái)，智能電路被視為光伏系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該技術(shù)已發(fā)展成熟，系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性都獲得保證，廠商免費(fèi)為其產(chǎn)品提供維護(hù)，令智能電路漸受市場(chǎng)歡迎。

四 光伏系統(tǒng)用戶也可從智能光伏組件中受惠

光伏系統(tǒng)用戶極為關(guān)注兩個(gè)重要問(wèn)題：第一，提供產(chǎn)品的光伏系統(tǒng)安裝公司是否信譽(yù)可靠，其工程技術(shù)是否符合規(guī)定的質(zhì)量要求；第二，如何盡量提高系統(tǒng)的發(fā)電量，減少電費(fèi)支出，確保投資回報(bào)符合當(dāng)初的估計(jì)。目前選購(gòu)智能型光伏系統(tǒng)的用戶從工程項(xiàng)目開始的一刻起，所安裝的系統(tǒng)必定符合性能規(guī)定，而且每年提供的投資回報(bào)也符合要求。一直以來(lái)，許多選購(gòu)光伏系統(tǒng)的用戶都相信，系統(tǒng)一經(jīng)安裝其性能及效率可在隨后的25年內(nèi)保持不變，但在很多情況下，直到保修期過(guò)半，才發(fā)覺(jué)實(shí)際表現(xiàn)與原先估計(jì)有出入。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因很多，如光伏系統(tǒng)中各光伏組件逐年退化、導(dǎo)線/電纜的效率不斷下降、物料老化和光伏組件之間出現(xiàn)失配等。

智能型光伏系統(tǒng)會(huì)不斷調(diào)整一整列內(nèi)或多列光伏組件之間的電流和電壓，以減輕失配造成的影響。用戶可放心安裝這類智能型光伏系統(tǒng)，提高系統(tǒng)發(fā)電量，并將kWh計(jì)的單位發(fā)電成本降到最低。

尚德、Canadian Solar和GESOLAR等公司(圖4)正在開發(fā)的智能型光伏組件可提高整套太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的能源效率，以產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期計(jì)，實(shí)際效率甚至可提高25%。更高的能源效率、更少系統(tǒng)故障以及產(chǎn)品具有獨(dú)特功能，都是光伏組件廠商不斷努力完成的目標(biāo)。預(yù)計(jì)2011年第一季度上述廠商將在市場(chǎng)上正式推出經(jīng)過(guò)認(rèn)證的智能型光伏組件。