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安裝太陽(yáng)能發(fā)電或者光伏(PV)系統在時(shí)間和資金方面都需要大量的前期投資，但與其它低風(fēng)險投資相比，該方案的預計投資回報相當可觀(guān)，其優(yōu)點(diǎn)包括顯著(zhù)降低電費和提升投資回報率。據稱(chēng)，一旦太陽(yáng)能系統開(kāi)始投入運行，PV系統的擁有者就能輕松享用25年。但事實(shí)真是如此嗎？ 不幸的是，許多太陽(yáng)能系統的擁有者對新裝PV系統的工作方式，以及太陽(yáng)能系統性能可能降低的情況卻一無(wú)所知。事實(shí)上，許多人并不知道"太陽(yáng)能電池板或者系統不匹配"這一問(wèn)題，對于樹(shù)木和煙囪等物體對系統輸出功率造成的潛在破壞性影響知之甚少甚至毫不知情。當電壓與電流組合不匹配時(shí)，就會(huì )出現PV系統不匹配的問(wèn)題；造成此問(wèn)題的原因有很多，例如局部遮蔽、飄動(dòng)的云、附近物品的反射、各種不同的傾斜角和方向、表面污染以及太陽(yáng)能電池陣列上的溫度變化。事實(shí)上，即使太陽(yáng)能電池陣列只被遮蔽少量面積也會(huì )導致25％到50％的功率損失。 在評估光伏(PV)系統的性能時(shí)，通常的做法是假設一些典型的輻照度、溫度及模塊參數條件，而且這些條件在PV系統陣列的所有電池和模塊上都保持一致。但是，陣列局部遮蔽、不同的模塊傾斜角度等許多情況，都會(huì )使這些因素在陣列甚至單獨的光伏電池板串中出現顯著(zhù)的變化，導致太陽(yáng)能電池板不匹配和系統性能下降，使得實(shí)際性能將與預期水平存在巨大差距。 根據美國國家半導體實(shí)驗室收集的測試和現場(chǎng)試驗結果(圖1)，同時(shí)參考其它研究結果，由于陰影或其它因素造成的電池板不匹配會(huì )導致太陽(yáng)能電池板中功率損耗不均勻，即使只有少量遮蔽也會(huì )導致電能大量損失。此外，Chaintreuil、Barruel、Le Pivert、Buttin和Merten在他們名為《陰影對連接電網(wǎng)的PV系統的影響》的論文中也指出：根據太陽(yáng)能電池陣列的連接方式，晶體硅PV系統電池板陣列上陰影面積達到2.6%時(shí)可能導致總電能損失16.7%(圖2)。據《光子國際》報告，斜屋頂天窗遮擋20%的太陽(yáng)能電池板陣列就可能使PV系統的輸出功率損失達到驚人的81%，系統因此完全喪失價(jià)值(圖3)。 
圖1：由于陰影或其它因素造成的電池板不匹配導致太陽(yáng)能電池板中功率損耗不均勻。(來(lái)源：美國國家半導體實(shí)驗室)
圖2：遮蔽條件下電池板陣列的性能差異.(來(lái)源：《陰影對連接電網(wǎng)的PV系統的影響》)
圖3：斜屋頂天窗遮擋20%的太陽(yáng)能電池板陣列就可能使PV系統的輸出功率損失達到驚人的81%。(來(lái)源：《光子國際》，2009年9月(單串配置)) 在系統安裝時(shí)未發(fā)現的不匹配問(wèn)題，將導致許多PV系統無(wú)法達到最大電能產(chǎn)能，降低了系統擁有者的投資回報率。此外，已知的不匹配問(wèn)題也可能因為電能產(chǎn)能不理想而導致整個(gè)項目的失敗。這些不匹配問(wèn)題都造成了PV系統的產(chǎn)能不足，以及太陽(yáng)能設備部署空間未能得到充分利用。如果能夠充分利用那些部分時(shí)段會(huì )受陰影遮蔽的的屋頂空間(例如在護墻附近，或者在屋頂的一些機械設備的四周)，太陽(yáng)能發(fā)電系統的安裝率可以增加10%到20%。有些居民用戶(hù)的位置已被樹(shù)木(不能砍伐)或附近的建筑完全遮蔽，因此很難估計此類(lèi)場(chǎng)所能夠獲得的太陽(yáng)能。根據Greenberg Quinlan Rosner Research公司于2009年1月開(kāi)展的一次調查，150位受訪(fǎng)的安裝人員承認這是一個(gè)取決于場(chǎng)地的問(wèn)題，54%的安裝人員均表示安裝現場(chǎng)不能有任何遮蔽陰影。選擇“通過(guò)設計解決這一問(wèn)題”的安裝人員表示平均成本會(huì )提高19%。此外，根據加利福尼亞公共事業(yè)委員會(huì )在2009年6月進(jìn)行的一項研究，參與加州太陽(yáng)能計劃的各個(gè)計量場(chǎng)所的平均年產(chǎn)能持續低于PV系統的預期產(chǎn)能(圖4)。
圖4 ：參與加州太陽(yáng)能計劃的各個(gè)計量場(chǎng)所的平均年產(chǎn)能持續低于PV系統的預期產(chǎn)能。(來(lái)源：加利福尼亞公共事業(yè)委員會(huì )“Itron智能電網(wǎng)協(xié)同架構影響評估”) 為說(shuō)明電池板不匹配的現象，以及電池參數小幅變化會(huì )影響PV系統電池板陣列系統級性能的原因，需要討論目前搭建PV系統的常用方式。 在住宅、商業(yè)或者公共事業(yè)中應用的PV系統電池板陣列，通常采用如圖5所示的配置。在這種安裝方式中，多組串聯(lián)的PV系統電池板并聯(lián)并向連接電網(wǎng)的逆變器輸入。電池板本身由串聯(lián)的電池構成。集中式逆變器的主要功能是將直流電轉變?yōu)榻涣麟�，但同時(shí)還配有一個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，它可通過(guò)一種最大功率點(diǎn)跟蹤算法隨時(shí)調節PV系統電池板陣列的輸入阻抗，獲得最大產(chǎn)能。 太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生的功率即電流(I)與電壓(V)的乘積。在任何既定條件和既定時(shí)間下存在一個(gè)最佳點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)(MPP)，使太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生最大功率輸出。換句話(huà)說(shuō)，光伏模塊的最大功率點(diǎn)是電流與電壓之間的指數關(guān)系的函數。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是一種電子形式的跟蹤技術(shù)，它利用算法和控制電路來(lái)搜索這個(gè)最大功率點(diǎn)，從而使轉換器電路可以從光伏電池模塊中獲取最大功率。 在輻射、溫度以及其它電池參數統一的情況下，除轉換效率差異之外，分布式MPPT和集中式MPPT在性能方面沒(méi)有差異。然而，在存在局部陰影的情況下，電池板不匹配將成為最大的問(wèn)題，因為參數不統一，局部陰影將導致陣列的不同電池板具有多個(gè)MPP。采用集中式MPPT 時(shí)，可能會(huì )導致更多的不均勻損失，其原因主要有兩個(gè)：首先，集中式MPPT內部混亂，在進(jìn)行功率配置時(shí)停留在局部最高點(diǎn)，并設置在電壓的次優(yōu)點(diǎn)；其次，在非正常的條件下，MPP的電壓點(diǎn)差別可能非常大，超出了集中式MPPT的工作范圍和電壓范圍。由于電池板之間的差別很大，在這些情況下，采用分布式 MPPT的電源優(yōu)化器，可獨立地增強并提高電池板的性能。
圖5 ：采用集中式MPPT技術(shù)并網(wǎng)的PV系統。(來(lái)源：美國美國國家半導體)
圖6：采用電源優(yōu)化器分布式MPPT 技術(shù)并網(wǎng)的逆變器。(來(lái)源：美國美國國家半導體) 在采用電源優(yōu)化器技術(shù)和分布式MPPT技術(shù)的PV系統電池板陣列中(如圖6所示)，每個(gè)電池板連接了一個(gè)電源優(yōu)化器裝置。電源優(yōu)化器進(jìn)行雙重跟蹤：一方面，它們跟蹤最佳的局部MPP；另一方面，它們將輸入電壓/電流轉換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統中的能源傳輸。電源優(yōu)化器以間接的方式互相連通。它們具有認知和自行組織能力，可以檢測自己的電流與電壓環(huán)境并自行調整，直到整串電池板達到最佳值，同時(shí)在電池板級別達到局部最優(yōu)點(diǎn)。目前，只有SolarMagic電源優(yōu)化器能做到這一點(diǎn)。 電源優(yōu)化器保留了久經(jīng)驗證的串聯(lián)電池板排列方式，并通過(guò)只將DC/DC和PMMT功能分布到電池板來(lái)實(shí)現改進(jìn)。與此同時(shí)，電源優(yōu)化器架構與現有的多級逆變器完美兼容，實(shí)際上將使它們能夠更高效地運行，因為總線(xiàn)電壓可保持更高水平且更恒定。電源優(yōu)化器不只限于提升直流/直流轉換器的性能，它們既能處理能源多的情況，也能處理能源減少的情況。這就意味著(zhù)因反射而增加的輻照(與遮蔽陰影相反的不匹配問(wèn)題)也可被利用來(lái)增加產(chǎn)能。同樣，這也意味著(zhù)電源優(yōu)化器有能力處理功率變化，方法是給某個(gè)串列添加電池板(使該串列產(chǎn)生更多的電量)，或者從某個(gè)串列減少一塊或兩塊電池板(從而減少電量)。因此，安裝人員能夠設計串列長(cháng)度不同的系統，使陣列應用更為靈活。電源優(yōu)化器在其他方面也有助于提高靈活性，例如在同一個(gè)串列中安裝不同類(lèi)型的模塊，或者采用不同的模塊安裝方向。電源優(yōu)化器架構使系統能夠收獲最多的電能。 美國國家半導體近日對太陽(yáng)能技術(shù)先驅Jigar Shah擁有的一套30kW太陽(yáng)能電池板陣列開(kāi)展了一項案例分析，結果令人激動(dòng)。在安裝電源優(yōu)化器之前，設備性能比只有67%，遠低于預期值。在大約 1/3的電池板系統(共204塊)上安裝電源優(yōu)化器之后，即使存在遮蔽陰影、電池板與線(xiàn)路不平衡問(wèn)題，整體輸出功率也提升了22.6％，系統的性能比達到前所未有的82％，超過(guò)了PV系統的預期輸出功率。電源優(yōu)化器還能夠針對PV系統性能隨著(zhù)時(shí)間逐漸降低的問(wèn)題(例如線(xiàn)路和模塊老化)提供保護，以確保系統用戶(hù)獲得最大投資回報。在另一個(gè)案例中，《光子國際》最近對SolarMagic電源優(yōu)化器進(jìn)行了測試，發(fā)現它能夠挽回因遮蔽陰影不匹配問(wèn)題損失的71％的能量，使帶有斜屋頂天窗的太陽(yáng)能設備創(chuàng )造巨大價(jià)值(如圖3所示)。 電源優(yōu)化器不僅能夠提高目前屋頂設備的輸出功率，而且還可幫助安裝人員設計同時(shí)充分利用屋頂空間的系統，從而幫助客戶(hù)更快地獲得投資成本。隨著(zhù)政府不斷出臺的可再生能源鼓勵政策，美國國家半導體的電源優(yōu)化器技術(shù)為太陽(yáng)能成本方面的降低邁出了重要的一步。 作者：美國國家半導體 Ralf J. Muenster, Aaron R. Thurlow |
