引言:

隨著社會(huì)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，充分利用太陽(yáng)能，可為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可持續(xù)增長(zhǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略及出路。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步,太陽(yáng)能電池用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，逐步成為人類未來(lái)主要電力來(lái)源之一。相對(duì)應(yīng)的，就給我們的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了新的課題--如何適應(yīng)越來(lái)越高的負(fù)載要求以及高可靠性要求。因此，太陽(yáng)能光伏技術(shù)的深入研究極為重要.

熱斑及熱斑的形成與避免

.太陽(yáng)能電池片熱斑是指電池片在陽(yáng)光照射下,由于部分組件受到遮蔽而無(wú)法正常工作,使得被遮蔽部分的組件升溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未被遮蔽部分,致使溫度過(guò)高出現(xiàn)燒壞的現(xiàn)象.

在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中,電池片由于外界環(huán)境以及自身匹配問(wèn)題,很容易出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象(圖1 紅色部分)



圖1 熱斑實(shí)拍圖

當(dāng)光伏陣列中部分電池片被云層,樹(shù)葉或其他物體遮蔽時(shí),由于光照的變化,其溫度將明顯不同于其他未被遮蔽電池片.這將引起內(nèi)電場(chǎng)的變化,而使被遮蔽部分熱量急劇上升,形成熱斑.若熱斑的溫度超過(guò)一定極限,將會(huì)使電池片上的焊點(diǎn)融化并損壞柵線,從而導(dǎo)致整個(gè)光伏陣列甚至系統(tǒng)的損壞.

為了避免熱斑的產(chǎn)生，接線盒因應(yīng)而生。



圖2 接線盒工作原理圖



在太陽(yáng)能電池組件中，一般將N塊電池片串聯(lián)成電池組，以達(dá)到更高電壓，如上圖。一旦A/B/C任一片電池片被遮住，該電池片就不再作為電源，而是變成負(fù)載消耗其他正常電池片產(chǎn)生的電能。而此時(shí)，由于該組的電池片出現(xiàn)反偏，則二極管導(dǎo)通，電流將沿二極管繼續(xù)形成回路，不再消耗在被遮蔽的電池片上。

傳統(tǒng)接線盒的功能限制與局限性

傳統(tǒng)接線盒,由于設(shè)計(jì)以及技術(shù)的問(wèn)題,有著許多需要解決的問(wèn)題,首當(dāng)其沖的就是溫度問(wèn)題.正常日照下的環(huán)境溫度以及二極管工作而產(chǎn)生的溫度。

在戶外環(huán)境中，電池片的背板溫度，可能達(dá)到70~80度，再加上二極管工作后，結(jié)溫可能升至200度，將會(huì)嚴(yán)重影響接線盒內(nèi)部溫度的上升，從而導(dǎo)致盒體材料以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形與損壞，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致組件損壞。

因而，如何解決接線盒溫度的問(wèn)題，成了一個(gè)刻不容緩的課題。而我們，也一直致力于這方面的研究，并已取得突破性的發(fā)展。

其實(shí)在太陽(yáng)能光伏中,旁路需要的是"理想二極管",即正向沒(méi)有導(dǎo)通壓降,反向沒(méi)有漏電流.正向壓降是由二極管本身決定的,硅管一般在0.9V左右，肖特基一般在0.5V左右。反向漏電是二極管的主要反向特性，一般硅管在3~5uA,肖特基在50~500uA.正向壓降會(huì)導(dǎo)致接線盒的溫度升高，從而影響壽命。反向漏電流，會(huì)直接影響電池組件的輸出功率。

新型模塊的特性：



圖 3 新型模塊工作原理

該方案利用低壓大電流開(kāi)關(guān)電源中次級(jí)整流的原理，利用HB-Drive,輸出一寬度隨電流大小變化而變化的方波，來(lái)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置MOS的柵極，以控制模塊的導(dǎo)通/截止，以達(dá)到讓較大電流通過(guò)的目的。

MOS管是電壓控制元件,只需要從信號(hào)源取極小電流，就能控制極大ID的流通。所以，在對(duì)效率要求較高（低壓大電流開(kāi)關(guān)電源），以及能源成本較高（太陽(yáng)能光伏）的情況下，MOS管的低工作消耗尤為重要。

該模塊內(nèi)置MOS管以及驅(qū)動(dòng)IC均由我司獨(dú)立設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，內(nèi)置MOS導(dǎo)通電阻極小，小于4毫歐。正由于有這樣的特性，MOS管在工作的時(shí)候，功耗極低，特別是在大電流情況下，尤為突出。
在我們的MOS管旁路模塊設(shè)計(jì)中，DS端電壓損耗小于0.1V，即該線路的壓降低于0.1V。相比于傳統(tǒng)二極管以及肖特基管的VF而言，MOS管旁路的功耗更小。我們以10A電流舉例：

STD： 1V*10A=10W
SKY： 0.45V*10A=4.5W
MOS： 0.1V*10A=1W

在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中，旁路二極管的結(jié)溫是一個(gè)制約大電流二極管發(fā)展的因素。而MOS管旁路，由于它具有自身功耗小，Rds(on)較小的優(yōu)點(diǎn)，所以它的本體溫度較低，且由于它壓降低，所以換言之，MOS管的結(jié)溫也會(huì)比較低。并且，MOS管本身可以比軸向二極管耐受更大電流。

綜上所述,與傳統(tǒng)二極管以及肖特基二極管相比,使用內(nèi)置MOS旁路技術(shù)為核心的智能模塊，擁有更大電流承載力，更低的功率損耗（肖特基的1/5~1/6，傳統(tǒng)管的1/10），更高的信賴性及使用壽命！



圖4 智能模塊75℃/10A測(cè)試溫升曲線圖

在日常建站使用中,由于環(huán)境變化,光照條件變化,負(fù)載變化等外在因素,會(huì)造成串聯(lián)系統(tǒng)組件中,組件端電壓波動(dòng)。當(dāng)單一組件端電壓波動(dòng),達(dá)到接線盒內(nèi)所使用二極管的門檻電壓（Vf)時(shí),該接線盒就會(huì)工作，將該組件旁路掉，從而影響該電池組件正常工作，損失有效發(fā)電量。目前建站使用傳統(tǒng)接線盒作旁路技術(shù)的組件系統(tǒng)，均面臨這種非正常能量損失。這也是目前已建電站發(fā)電能力，達(dá)不到額定發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)的重要原因。



圖5 光伏電站矩陣示意圖

如上圖所示，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)（充電電流或市網(wǎng)電流波動(dòng)），組件電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。由于電池片匹配問(wèn)題，會(huì)造成組件端電壓波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)幅度達(dá)到接線盒導(dǎo)通門檻電壓時(shí)（設(shè)為A），A組件就會(huì)被短路，從而損失A組件的輸出功率。由于A組件被短路，整體輸出電壓也會(huì)降低。在負(fù)載功率不變的情況下，輸出電流會(huì)有進(jìn)一步變化。即電壓持續(xù)下降，電流持續(xù)上升，直到達(dá)到最大發(fā)電電流。在串并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)某串聯(lián)組串電壓下降后，根據(jù)并聯(lián)分流理論，該降壓組串將不會(huì)再對(duì)負(fù)載提供電流，從而使該組串能量整體損失！



據(jù)相關(guān)資料報(bào)道，以上狀況在大功率光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)中，時(shí)有發(fā)生，直接損失逾億美元。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司實(shí)驗(yàn)并給出數(shù)據(jù)，表明有10%的陰影將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)損失總電量的50%。

而我司利用自有專利技術(shù)的電壓監(jiān)控，配合內(nèi)置MOS管，能最大限度的減少非正常能量損失，從而變相提高了有效發(fā)電總量。

附件：原文引自 《太陽(yáng)能》2011年第7期 ------智能型光伏組件

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)的設(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)隨著年月而退化（一般來(lái)說(shuō)組件的性能會(huì)以每年0.5%至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)算某一段時(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)際的操作環(huán)境影響，以致其組件性能的衰退速度遠(yuǎn)比估計(jì)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、以及各種的環(huán)境因素如浮云、污垢及碎片等。為了解決系統(tǒng)效率低落的問(wèn)題以及確保產(chǎn)品能夠在瞬息萬(wàn)變的產(chǎn)品市場(chǎng)上脫穎而出，光伏組件生產(chǎn)商都寄望智能集成電路能為他們開(kāi)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)是可以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)比較，升級(jí)系統(tǒng)的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Ρ泔@得微不足道。獨(dú)立的電源管理方案有其不足，例如，要添加連接線路、接地回路、外殼和支架，不但增加了成本，線路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且安裝時(shí)間也更長(zhǎng)，而且要為新添產(chǎn)品另外提供質(zhì)保。

越來(lái)越多光伏組件的生產(chǎn)商預(yù)先將智能電路內(nèi)置于組件內(nèi)，使系統(tǒng)可以充分利用智能電路的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)提高光伏陣列的整體效率，同時(shí)降低了系統(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，讓光伏組件生產(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)總成本更低意味著，安裝和設(shè)計(jì)時(shí)間更短，所需的電纜/機(jī)架更少，變逆器成本以至光伏系統(tǒng)的分類成本也更低。其實(shí)廠商一直要面對(duì)來(lái)自市場(chǎng)的各種壓力，例如，價(jià)格方面的壓力，新增廠商的競(jìng)爭(zhēng)壓力，而且還要確保自己的產(chǎn)品能夠在市場(chǎng)上脫穎而出，因此廠商都紛紛因應(yīng)市場(chǎng)的需要將集成電路內(nèi)置于光伏組件內(nèi)。

智慧型太陽(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(kāi)始受到市場(chǎng)歡迎。這種光伏組件內(nèi)置智能接線盒，因此可以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)。以灝訊集團(tuán)（HUBER+SUHNER）為例，這是全球最大的接線盒供應(yīng)商之一，該公司已成功開(kāi)發(fā)內(nèi)置美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體SolarMagic?SM3320芯片組的RADOX?SolarBox NS3 接線盒。內(nèi)置集成電路的接線盒可以支持更多功能，相比僅內(nèi)置傍路二極管的接線盒更為優(yōu)勝。智能接線盒采用無(wú)縫銜接的設(shè)計(jì)，可以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。除了灝訊集團(tuán)之外，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，而且預(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的設(shè)計(jì)，亦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)封閉的盒內(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)的優(yōu)點(diǎn)是可以確保系統(tǒng)有極高的穩(wěn)定性，因?yàn)樗璧脑骷斑B接器極少。部分接線盒則采用雙單元的設(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(kāi)，其優(yōu)點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)升級(jí)或部件更換時(shí)比較容易。

由于市場(chǎng)上有多種智能接線盒可供選擇，因此各大光伏組件生產(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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。這個(gè)合作計(jì)劃已取得成果，推出的分布式集成電路可以提升光伏系統(tǒng)的性能，有助于解決這類系統(tǒng)一直存在的性能問(wèn)題，而且這是個(gè)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)是可以提高組件的峰值效率（99.5%），為組件提供了三種操作模式（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。
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)商一直努力降價(jià)以提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，但市場(chǎng)對(duì)光伏組件的要求越趨嚴(yán)格，例如，要求的更高的發(fā)電量及更高的效率，但若要提升性能便須增加生產(chǎn)及研發(fā)方面的開(kāi)支，令本已極微的利潤(rùn)更加微薄。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)商便不得不推出擁有獨(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(kāi)發(fā)商合作，希望可以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這個(gè)智能電路解決方案，便可安枕無(wú)憂，因?yàn)樯a(chǎn)的每塊光伏電池板必定符合質(zhì)保書(shū)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，便可發(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，以致發(fā)電量下跌，但添加的集成電路可以提升組件性能，有助于彌補(bǔ)這方面的損失。
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（US$/W）計(jì)，但當(dāng)光伏系統(tǒng)的單位發(fā)電成本接近傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)電成本時(shí)，衡量成本的主要標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)改為每度電多少美元（US$/Wh）計(jì)。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，只有這樣，他們才可在市場(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，使安裝公司及系統(tǒng)集成商可以節(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(kāi)可能會(huì)阻擋陽(yáng)光的物體，例如煙囪及障礙物，這樣便可充分利用整個(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，而且還可為用戶提供一個(gè)包括各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的全方位解決方案。此外，安裝公司也無(wú)需避開(kāi)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?，而且全部安裝工程可以一次完成，無(wú)需爬上屋頂多次進(jìn)行安裝。由于每一塊光伏組件都內(nèi)置智能電路，使串聯(lián)組成的的每列組件數(shù)可以靈活增減，加上采用的MPPT算法可以緩解組件失配問(wèn)題，因此智能型光伏系統(tǒng)的總體成本較低，使安裝光伏系統(tǒng)的服務(wù)公司不但可以獲取更大的利潤(rùn)，而且還可藉著提高系統(tǒng)的發(fā)電量，使他們的客戶也可從中受惠。

類似美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體這類公司都不斷研發(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)者會(huì)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太陽(yáng)能光伏組件一致的25年維修保證，這是眾所周知的業(yè)界共識(shí)。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，而且所經(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)力可以為大型的太陽(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)的脆弱環(huán)節(jié)。但經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，這種技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成熟，系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性都獲得保證，因?yàn)閺S商都為其產(chǎn)品提供免費(fèi)的維護(hù)，令智能電路漸受市場(chǎng)歡迎。
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，他們的工程技術(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，以便減低電費(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(kāi)始的一刻起，便可放心相信所安裝的系統(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)安裝之后其性能及效率可以在隨后的25年內(nèi)保持不變，但在很多情況下, 直到保修期已過(guò)了一半，他們才意料地發(fā)覺(jué)實(shí)際的表現(xiàn)與原先的估計(jì)有出入，。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因很多，例如光伏系統(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)失配等都是引致性能下跌的原因。

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。用戶可以放心安裝這類智能型光伏系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)能提高發(fā)電量，而且將kWh計(jì)的單位發(fā)電成本降到最低。

尚德、Canadian Solar 和GESOLAR 等公司正在開(kāi)發(fā)的智能型光伏組件可以提高整套太陽(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，這些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。