引言:

隨著社會對能源的需求量越來越大，充分利用太陽能，可為世界經濟發展提供可持續增長的長遠戰略及出路。近年來，隨著科技的進步,太陽能電池用于太陽能光伏發電的技術取得了很大的進展，逐步成為人類未來主要電力來源之一。相對應的，就給我們的太陽能光伏發電系統提出了新的課題--如何適應越來越高的負載要求以及高可靠性要求。因此，太陽能光伏技術的深入研究極為重要.

熱斑及熱斑的形成與避免

.太陽能電池片熱斑是指電池片在陽光照射下,由于部分組件受到遮蔽而無法正常工作,使得被遮蔽部分的組件升溫遠遠大于未被遮蔽部分,致使溫度過高出現燒壞的現象.

在太陽能光伏系統中,電池片由于外界環境以及自身匹配問題,很容易出現熱斑現象(圖1 紅色部分)



圖1 熱斑實拍圖

當光伏陣列中部分電池片被云層,樹葉或其他物體遮蔽時,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.這將引起內電場的變化,而使被遮蔽部分熱量急劇上升,形成熱斑.若熱斑的溫度超過一定極限,將會使電池片上的焊點融化并損壞柵線,從而導致整個光伏陣列甚至系統的損壞.

為了避免熱斑的產生，接線盒因應而生。



圖2 接線盒工作原理圖



在太陽能電池組件中，一般將N塊電池片串聯成電池組，以達到更高電壓，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，而是變成負載消耗其他正常電池片產生的電能。而此時，由于該組的電池片出現反偏，則二極管導通，電流將沿二極管繼續形成回路，不再消耗在被遮蔽的電池片上。

傳統接線盒的功能限制與局限性

傳統接線盒,由于設計以及技術的問題,有著許多需要解決的問題,首當其沖的就是溫度問題.正常日照下的環境溫度以及二極管工作而產生的溫度。

在戶外環境中，電池片的背板溫度，可能達到70~80度，再加上二極管工作后，結溫可能升至200度，將會嚴重影響接線盒內部溫度的上升，從而導致盒體材料以及內部結構的變形與損壞，嚴重的甚至導致組件損壞。

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

其實在太陽能光伏中,旁路需要的是"理想二極管",即正向沒有導通壓降,反向沒有漏電流.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.正向壓降會導致接線盒的溫度升高，從而影響壽命。反向漏電流，會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關電源中次級整流的原理，利用HB-Drive,輸出一寬度隨電流大小變化而變化的方波，來驅動模塊內置MOS的柵極，以控制模塊的導通/截止，以達到讓較大電流通過的目的。

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

該模塊內置MOS管以及驅動IC均由我司獨立設計開發，內置MOS導通電阻極小，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管旁路模塊設計中，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

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

綜上所述,與傳統二極管以及肖特基二極管相比,使用內置MOS旁路技術為核心的智能模塊，擁有更大電流承載力，更低的功率損耗（肖特基的1/5~1/6，傳統管的1/10），更高的信賴性及使用壽命！



圖4 智能模塊75℃/10A測試溫升曲線圖

在日常建站使用中,由于環境變化,光照條件變化,負載變化等外在因素,會造成串聯系統組件中,組件端電壓波動。當單一組件端電壓波動,達到接線盒內所使用二極管的門檻電壓（Vf)時,該接線盒就會工作，將該組件旁路掉，從而影響該電池組件正常工作，損失有效發電量。目前建站使用傳統接線盒作旁路技術的組件系統，均面臨這種非正常能量損失。這也是目前已建電站發電能力，達不到額定發電標準的重要原因。



圖5 光伏電站矩陣示意圖

如上圖所示，當負載電流變化時（充電電流或市網電流波動），組件電流也會發生相應變化。由于電池片匹配問題，會造成組件端電壓波動，當波動幅度達到接線盒導通門檻電壓時（設為A），A組件就會被短路，從而損失A組件的輸出功率。由于A組件被短路，整體輸出電壓也會降低。在負載功率不變的情況下，輸出電流會有進一步變化。即電壓持續下降，電流持續上升，直到達到最大發電電流。在串并聯系統中，當某串聯組串電壓下降后，根據并聯分流理論，該降壓組串將不會再對負載提供電流，從而使該組串能量整體損失！



據相關資料報道，以上狀況在大功率光伏發電應用系統中，時有發生，直接損失逾億美元。美國國家半導體公司實驗并給出數據，表明有10%的陰影將導致整個系統損失總電量的50%。

而我司利用自有專利技術的電壓監控，配合內置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電總量。

附件：原文引自 《太陽能》2011年第7期 ------智能型光伏組件

目前, 光伏系統的安裝服務公司及投資者都希望有關的設備（亦即他們的投資項目）可以順利運行25年，而且在整個壽命周期內能發揮最高的效率。但由于組件性能會隨著年月而退化（一般來說組件的性能會以每年0.5%至1.0%的速度逐漸退化），因此光伏系統的用戶一般都會按照線性比率計算某一段時間內的系統損耗。事實上，幾乎所有光伏系統都受實際的操作環境影響，以致其組件性能的衰退速度遠比估計高，令投資回報低于預期。這些影響實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、以及各種的環境因素如浮云、污垢及碎片等。為了解決系統效率低落的問題以及確保產品能夠在瞬息萬變的產品市場上脫穎而出，光伏組件生產商都寄望智能集成電路能為他們開辟一條新路。

近幾年來，多家電子設備供應商相繼在市場上推出獨立式的直流/直流和直流/交流變換的電源管理產品。這種獨立式解決方案的優點是可以裝入目前正在使用的太陽能系統中。但事實上, 有意將舊系統升級的用戶不多，若與銷售全新光伏系統的市場比較，升級系統的市場發展潛力便顯得微不足道。獨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，線路設計較復雜，而且安裝時間也更長，而且要為新添產品另外提供質保。

越來越多光伏組件的生產商預先將智能電路內置于組件內，使系統可以充分利用智能電路的優點，來提高光伏陣列的整體效率，同時降低了系統壽命周期內的總成本。這是一個極具成本效益的解決方案，讓光伏組件生產商可為市場提供不同的選擇。系統壽命周期的總成本是指包括安裝和設計時間以及所有物料成本在內的總成本。換言之，平衡的系統總成本更低意味著，安裝和設計時間更短，所需的電纜/機架更少，變逆器成本以至光伏系統的分類成本也更低。其實廠商一直要面對來自市場的各種壓力，例如，價格方面的壓力，新增廠商的競爭壓力，而且還要確保自己的產品能夠在市場上脫穎而出，因此廠商都紛紛因應市場的需要將集成電路內置于光伏組件內。

智慧型太陽能光伏技術漸趨成熟

新一代的光伏組件 -- 即智能型光伏組件 -- 開始受到市場歡迎。這種光伏組件內置智能接線盒，因此可以充分利用模擬電路和電源管理技術, 以及直流/直流電源優化器的優點。以灝訊集團（HUBER+SUHNER）為例，這是全球最大的接線盒供應商之一，該公司已成功開發內置美國國家半導體SolarMagic?SM3320芯片組的RADOX?SolarBox NS3 接線盒。內置集成電路的接線盒可以支持更多功能，相比僅內置傍路二極管的接線盒更為優勝。智能接線盒采用無縫銜接的設計，可以輕易裝入光伏組件內，以提高光伏組件的性能及發電量。除了灝訊集團之外，市場上還有Shoals Technologies Group、Onamba和QC Solar 等多家智能接線盒生產商，而且預計陸續會有更多競爭者進軍這個市場。

智能接線盒供應商的產品都采用各自專有的設計，以確保系統能充分利用分布式集成電路的優點。部分接線盒采用單件式的設計，亦即由傍路二極管至集成電路的整個單元都置于同一個封閉的盒內，并通過一組接線連到下一個光伏組件。這種設計的優點是可以確保系統有極高的穩定性，因為所需的元器件及連接器極少。部分接線盒則采用雙單元的設計，一般來說，這種設計將帶狀電纜和傍路二極管設于連接座內，與集成電路分開，其優點是在現場的系統升級或部件更換時比較容易。

由于市場上有多種智能接線盒可供選擇，因此各大光伏組件生產商都躍躍欲試，希望能在現有的產品之外添加全新的智能型產品系列。尚德公司（Suntech）是全球晶體硅光伏組件領導生產商之一。該公司最近宣布與分布式集成電路的市場領導者美國國家半導體攜手合作，為太陽能產品市場開發新產品。這個合作計劃已取得成果，推出的分布式集成電路可以提升光伏系統的性能，有助于解決這類系統一直存在的性能問題，而且這是個極具成本效益的解決方案。美國國家半導體SolarMagic技術的優點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題所產生的不利影響。
智能光伏組件對于生產商的價值所在

光伏組件生產商一直努力降價以提高產品的競爭力，但市場對光伏組件的要求越趨嚴格，例如，要求的更高的發電量及更高的效率，但若要提升性能便須增加生產及研發方面的開支，令本已極微的利潤更加微薄。生產商一方面要確保其利潤，另一方面又要降價以滿足市場要求。在這樣的市場壓力之下，太陽能組件生產商便不得不推出擁有獨特個性的產品。目前許多大大小小的光伏組件生產商都在與直流/交流及直流/直流集成電路開發商合作，希望可以推出各種能源效率更高而又獨具個性的產品。

生產智能型光伏組件的廠商只要采用這個智能電路解決方案，便可安枕無憂，因為生產的每塊光伏電池板必定符合質保書上所列的性能。一般來說，廠商保證在最初的10年內組件性能不會低于規定的90%，而且在其后的15年不低于規定的80%。光伏組件若添加了集成電路，便可發揮更高的性能。換言之，廠商面對的索賠個案將會減少，因為即使組件功能退化令組件失配，以致發電量下跌，但添加的集成電路可以提升組件性能，有助于彌補這方面的損失。
智能光伏組件對于安裝公司/系統集成商的價值所在

光伏系統安裝公司面對的主要問題是如何確保利潤符合指標。一般來說，這些安裝公司都屬于較小型的企業，日常運營幾乎全依靠現金流支持。換言之，每分錢的利潤都與公司的業務休戚相關。此外，雖然光伏系統目前的單位發電成本以每瓦多少美元（US$/W）計，但當光伏系統的單位發電成本接近傳統電網的發電成本時，衡量成本的主要標準將會改為每度電多少美元（US$/Wh）計。這是衡量產品質量及性能的標準。安裝公司必須為用戶提供發電效率最高的優質產品，只有這樣，他們才可在市場上生存。

智能型光伏組件的優點是以整個壽命周期計的系統總成本較低，使安裝公司及系統集成商可以節省更多成本，因為安裝這類智能型光伏系統時無需避開可能會阻擋陽光的物體，例如煙囪及障礙物，這樣便可充分利用整個屋頂的空間，有助于降低電纜/布線/機架等方面的物料成本，而且還可為用戶提供一個包括各種優質產品的全方位解決方案。此外，安裝公司也無需避開附近的障礙物或遷就屋頂的傾斜角度或方向，直接將智能型光伏組件安裝于屋頂的任何位置，而且全部安裝工程可以一次完成，無需爬上屋頂多次進行安裝。由于每一塊光伏組件都內置智能電路，使串聯組成的的每列組件數可以靈活增減，加上采用的MPPT算法可以緩解組件失配問題，因此智能型光伏系統的總體成本較低，使安裝光伏系統的服務公司不但可以獲取更大的利潤，而且還可藉著提高系統的發電量，使他們的客戶也可從中受惠。

類似美國國家半導體這類公司都不斷研發新技術，致力于為系統的性能及穩定性創立新的技術標準，以確保更多業者會采用分布式集成電路。芯片廠商必須為任何內置于光伏組件的集成電路提供與太陽能光伏組件一致的25年維修保證，這是眾所周知的業界共識。過去50年來，美國國家半導體一直為軍用裝置、航天設備和汽車電子系統提供各種集成電路，目前的服務范圍更擴大至光伏系統，加上公司的財政穩固，而且所經營的業務具有極高的盈利能力，因此有足夠的實力可以為大型的太陽能發展項目提供支持。一直以來，智能電路被視為光伏系統的脆弱環節。但經過多年來的發展，這種技術現已發展成熟，系統的質量與可靠性都獲得保證，因為廠商都為其產品提供免費的維護，令智能電路漸受市場歡迎。
光伏系統用戶也可從智能光伏組件中受惠

光伏系統用戶極為關注兩個重要問題。第一，提供產品的光伏系統安裝公司是否信譽可靠，他們的工程技術是否符合規定的質量要求；第二，如何盡量提高系統的發電量，以便減低電費支出，確保投資回報符合當初的估計。目前選購智能型光伏系統的用戶從工程項目開始的一刻起，便可放心相信所安裝的系統必定符合性能規定，而且每年提供的投資回報也符合要求。一直以來，許多選購光伏系統的用戶都相信，系統一經安裝之后其性能及效率可以在隨后的25年內保持不變，但在很多情況下, 直到保修期已過了一半，他們才意料地發覺實際的表現與原先的估計有出入，。造成這個現象的原因很多，例如光伏系統中各光伏組件逐年退化、導線/電纜的效率不斷下降、物料老化和光伏組件之間出現失配等都是引致性能下跌的原因。

智能型光伏系統會不斷調整一整列內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，因為系統能提高發電量，而且將kWh計的單位發電成本降到最低。

尚德、Canadian Solar 和GESOLAR 等公司正在開發的智能型光伏組件可以提高整套太陽能光伏系統的能源效率，以產品的整個壽命周期計，實際效率甚至可提高25%。更高的能源效率、更少系統故障以及產品具有獨特功能，這些都是光伏組件廠商不斷努力完成的目標。預計2011年第一季上述廠商將在市場上正式推出經過認證的智能型光伏組件。