太阳能之杯是“半满”还是“半空”这个问题，其答案通常取决于您是乐观的还是悲观的。对太阳能的批评大都源自于太阳能安装的经济因素。一旦安装完毕，能源成本几乎为零。我们将讨论美元/瓦和美元/千瓦时之间区别，以及模块电子器件如何能够帮助优化系统的总能量。

作者：Dave Freeman，德州仪器 (TI) 科学家兼工程经理；Nagarajan Sridhar，TI 太阳能实验室科学研究员 (Technologist) 以及 Chris Thornton，TI 电源系统设计人员

最近，Bill Sweet 引用了另一个摩尔定律式预测（《IEEE 光能慧科新闻》2009 年 11 月刊《光伏并网平价》）：安装容量每翻一番，太阳能安装成本便降低 20%。由于这种情况尚未出现，因此太阳能这支杯子似乎是半空。

太阳能产业的确需要帮助来降低安装成本。但是，他们想要基于 $/kW h 的对比结果。www.solarbuzz.com 网站对价格和发展趋势进行跟踪。他们得出了住宅用太阳能和工业用太阳能之间的区别。住宅用电成本约为 0.35 美元/kW h，而工业用电成本接近 0.20 美元/kW h。这些数字仍然表明“杯子不是半满”，但却接近了。

并非要把太阳能成本与其他能源相比，问题本不应该是：“您想要住一幢只有太阳能供电的房屋吗？” 太阳能十项全能竞赛 (Solar Decathlon) 对这个问题进行了探讨。比赛中，20 支大学生参赛队比赛设计、构建并运行最漂亮、有效以及高能效的太阳能房屋。每支参赛队都要建造一幢适于居住的房屋，并根据市场吸引力、日常家庭活动和工程解决方案的方方面面来对其打分。同许多学生参赛者交谈了解到，他们都认为太阳能的杯子是半满的。他们相信，在使用高能效电器的情况下利用太阳能为房屋供电才更有意义。完全太阳能供电房屋和相应效率电器的理想情况下，太阳能实际上可被看作是半满的。让我们来看一看太阳能系统，并探索如何提高性能。

光伏模块的行为

串联或并联起来的太阳能电池构成一个光伏 (PV) 模块。在典型的住宅或并网应用中，PV 系统拥有一个或一个以上 PV 模块，它们串联在一起组成一串来增加总系统电压。所有串并联在一起形成一个 PV 阵列，增加系统电流。这种系统（阵列）的目标是向负载提供最大电能。由于太阳能电池/模块/阵列提供的电能是DC 条件下电流和电压的乘积，因此保证在 IV 乘积最大化的 IV 曲线点供电至关重要，这就是最大功率点 (MPP)。

假设一串模块的一个 MPP 可能因不匹配和模块阴影的不同辐照而错误。模块电子器件可以处理这种性能不匹配。为了理想地设计并构建模块电子器件，描述和理解不同辐照和环境条件下 PV 模块参数的表现很重要。

光伏阵列结构

了解模块参数行为以前，您必须了解 PV 阵列结构（请参见图 1）。

图 1 PV 阵列和测试结构图

8 个模块 (SP01–SP08) 串联在一起，然后连接至串逆变器 1。类似地，另外 8 个模块连接至串逆变器 2。所有这 16 个模块均由相同厂商生产单晶硅太阳能电池组成，在 1000 W/m2 和 25oC标准工作条件下其额定功率为 215W。来自逆变器的 AC 电能被送回本地电网。可单独对每一个模块的性能实施 MPP 运行监控。

模块 IV 和 PV 特性曲线

图 2 显示的是 1050 W/m2 辐照条件下一个模块 (SP08) 产生的 IV（电流电压）曲线和 PV（电源电压）曲线。MPP 位于靠近 IV 曲线膝部的地方，其中电流和电压乘积最大化。

图 2 一个 PV 模块的 IV 和 PV 曲线表明该条件下产生的最大功率

改变辐照条件可降低 ISC，其次降低 VOC（请参见图 3）。

图 3 不同辐照条件下的 IV 曲线

大多数商业 IV 元件利用快速诊断工具需要两到三秒钟来扫描。这可防止曲线中出现伪峰值和谷值，其可能是由任何动态云 (moving cloud) 条件引起的。

模块-模块不匹配

图 4 显示了某种给定辐照条件下所有模块的不匹配。不匹配范围在 –0.9% 到 +1.25% 之间变化。一块静止或动态云或任何其他现实条件都可能会增加不匹配率。模块电子器件可以处理这种情况。

在无不匹配条件下，一个阵列（8 个串联组件）的最大总功率等于单个模块功率的和。在没有模块 MPP 和不匹配条件下，该阵列产生的最大总功率始终小于单个模块最大功率的和，这是因为一些模块正工作在其最大功率点以下。1015 W/m2 辐照条件下，利用连接模块 SP01–SP08 的阵列，不匹配率为 2.4%，也即 37W 的损耗。

图 4 1015 W/m2 条件下的不匹配

模块电子器件的诸多优势

许多小公司以及一些大公司都使用模块电子器件来提高能源性能并监控/管理太阳能模块。模块电子器件分为两类：微型逆变器 (dc/ac)，或微型转换器 (dc/dc)。微型逆变器对电能进行转换，让其能够直接在 AC 线路上传输，从而连接至电网。或者，利用微型转换器对来自 PV 模块的可变电流进行转换，以匹配同其他串联模块共用的公共输出电流。更大的串联模块或中央逆变器使用组合串输出，来将 AC 线路电能传输至电网。不管是微型逆变器还是更大型的中央逆变器，运行电网都有无限的需求。无论什么样的模块电子器件类型，原则只有一个：在 IV 点上运行每个单独的太阳能模块提供给定太阳辐照条件下最大的电能。

在给定温度条件下，PV 模块产生相对恒定输出电压。但是，其输出电流随辐照而变化。当以典型串联配置连接时，每个模块的串电流恒定。如果所有模块都拥有精确一致的 IV 输出特性曲线并暴露在相同的太阳辐照下，那么这便不是一个问题。

然而，如果 PV 模块不同，或者一个或一个以上模块产生的电流因阴影而不同，则总串输出将受到影响，这是因为这些模块容纳公共串电流及其自有单个输出电流间差异的能力有限。这会使阴影模块的输出电压极大地降低，甚至是反向。在 PV 模块之间安装保护二极管，可防止出现这种情况。结果，即使只有一个模块部分位于阴影下，串产生的总电量也会极大地下降。

给 PV 模块增加一个微型转换器具有如下两个好处：

1) 通过增加或降低其模块电流，可在最大功率点 (MPP) 持续迁行每个模块，这样模块电流和电压乘积保持在最大值。
2) 它将模块产生的可变电转换成可变输出电压，从而适应串联模块中的电流。这让每个 PV 模块的 MPP 都能够通过其贡献给串的电压反映出来。

图 5 显示了一个典型的微型转换器结构图，其连接一个单太阳能 PV 模块。三个主要的元件分别为：H 桥接电源电路、微型控制器和偏置电源。H 桥接电源电路为微型转换器提供在降压（电压步降）和升压（渐升压）压开关转换模式中运行的灵活性。降压站 (buck leg) 由同步开关对 S1–S2 构成，而升压站 (boost leg) 则由 S3–S4 构成。当VPV VO时，降压站开启。当VO  VPV 时，升压站开启。无论哪个站开启，另一端都会处于闲置，并且其顶部开关永久开启。

图 5 太阳能微型转换器结构图

控制 H 桥接较为复杂。其不得不在降压-升压模式之间提供无缝转换，每种模式都拥有其自己不同的控制补偿。它必须持续监控输入和输出端的电压和电流。这决定了运行模式以及同模块 MPP 相关的 IV 条件。进行最大功率点追踪 (MPPT) 可让其成为适用于嵌入式数字控制的应用。微型控制器 (MCU) 如图 5 所示。功率转换的效率必须非常高。

有几种方法可以用于找出 PV 模块的 MPP。这些方法包括简单恒定电压运行、扰动和观察 (P&O)，以及一些利用额外模块温度和太阳辐照测量法计算 MPP 的方法。两种最普遍的方法拥有较好的精确度，其在正常运行期间仅使用 VPV 和 IPV 模块测量，即：优化 P&O 和增量电导。

扰动模块电流的同时，优化 P&O 对几个模块功率采样求平均值。它利用该信息来找出操作点，并动态地调节扰动幅度和方向。这种方法拥有最佳的性价比。

增量电导方法将瞬时电导 (IPV/VPV) 同增量电导 (dIPV/dVPV) 比较。当 IPV/VPV = –dIPV/dVPV 时，PV 模块在其 MPP 上运行。基本而言，系统递增和递减模块电流，以此来找出模块电压比例变化的点。这种方法在高辐照水平下拥有最佳的性能，并具有对快速变化条件的快速响应。但是，它在低辐照水平条件下不如优化 P&O 精确（<30%）。

可对模块电子组件在恢复电力方面的经济效益进行分析。一个不匹配或阴影模块导致的整串恢复能量可能极大。微型转换器可以恢复高达 50% 的部分阴影遮挡模块电能，否则其电压占比可能会降至零。一天中阴影条件可能会存在数小时，不匹配模块是一种永久条件。一旦您对恢复能量的量完成了估算，则可以用美元来计算节省情况。由 ESAVED（即恢复能量/天（kW h））和 RATE （即当地电价（$/kW h）），方程式 1 计算得到年节省情况 G ($)：

电节省被模块电子组件的年均成本抵消。方程式 2 利用资本回收系数 (CRF) 计算得到购买组件的分期付款贷款 A ($)（假设在其使用寿命期内付清贷款）：

其中，PE ($) = 组件的初始成本
                    i = 利率（APR% ÷100）
                   n = 贷款期限或使用寿命（年）

最终，经济合理性要求 A ($) < G ($)。

例如：假设每天的恢复能源为 0.06 kWh，方程式 3 显示了微型转换器的盈亏平衡成本，其假设 12¢/kW h 的本地电价不变，且 25 年期贷款利息为 7% APR。（见方程式 3）

这个估算值只是串联模块中一个 PV 模块安装的一个模块电子组件带来的好处。图 4 反映的是，正确安装且考虑到功率转换效率的情况下，微型转换器带来的典型好处。其相当于模块产生总能源的 3% 到 7%。对于许多不利不匹配的模块或者那些偶尔局部阴影遮挡的模块来说，串联模块的恢复能源量更高。

安全、监控和管理优势

增加模块电子器件后，便可拥有功率转换和 MPPT 以外的其他功能，例如：安全、监控和管理等功能。传统串联模块安装中，发生火灾时单个串联元件无法断开。当地消防部门会断开电网，但这只关闭了串逆变器输出。许多城市都有正确安装的检查规定，但目前还没有要求断开连接。有些时候，随着系统数目的增加，防火意识也随之提高，同时许多保险公司也参与进来。MCU 控制的系统可满足这些规定。

监控和管理是两种重要的功能。如污染模块表面或者树阴遮挡以及新增安装等模块问题都可以探测到，并要求对其维护。

结论

太阳能这个杯子是半满吗？它取决于您的态度。如果您只看到每瓦特的成本，那么它的竞争力并不强，并且这一状况可能不会很快改变。但是，如果您考虑到智能电网以及管理许多间断性能分布式电源的能力，则太阳能可能就是问题的答案。为您安装一个 4kW 的家用或商用太阳能系统，肯定会比建一个 4kW 的煤粉电厂更具有吸引力。结合高能效使用的太阳能更具有吸引力。太阳能并不是一个新生事物，而人们正给它的关注层面却是不断更新的。以前，人们将注意力集中在安装成本上，而很少有人关注模块层面的管理。在集成模块电子器件价格降至约 30 美元后，太阳能模块管理将变得能够接受。我们认为杯子是半满的，并且杯子里的水正稳步地逐渐增加。

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