由太阳能十项全能竞赛谈电力电子行业在新能源建筑中的发展机遇

孙浩明

（同济大学电子与信息工程学院，上海 201804）

1 引言

电力电子技术最初主要应用于电气工程和电力系统中，对市电或强电进行控制与变换。其主要作用是根据负荷或者负载的特殊要求，对市电、强电进行各种形式的变化，从而使电力系统处于最佳的运行状态，这样可以使电气设备和电力系统更高效、更安全、更经济的运行。

然而，电力电子技术发展到今天，已经不仅仅只是涉及到“电力”的变换与应用，同时也涉及到化学能（电池）、太阳能以及风能的变换与应用。近年来许多国家与政府越来越多的关注新能源的发展，这更加促进了电力电子技术发展的势头，使其在科学研究与经济发展中起到了越来越重要的作用。

目前，当人们谈到新能源的时候最先被人们想到的就是太阳能。太阳能由于其照射覆盖面积广、持续性等特点，较之水能、潮汐能等更被人们所熟悉。每当说到太阳能，人们就会想到太阳能发电、太阳能建筑等。电力电子技术的发展是使太阳能发电、太阳能建筑变为现实的至关重要的技术。

2 太阳能建筑中的电力电子

随着电力电子技术的发展，直流转换交流的逆变装置体积越来越小，价钱越来越便宜，使得光伏系统走进了千千万万家庭。光伏系统将太阳能转换为电能，如果所产生的电能在能满足自身房屋用电的情况下还存在多余的电能，就能通过并网将多余的电能又回馈给电网，这恰好也符合可持续发展的科学理念。

在一个太阳能建筑物中，房顶上的太阳能装置到底怎么样才能够算是优秀呢？最关键的问题取决于你的光电池可以转换输出多少能量。如何提高光伏系统的效率、逆变器的效率，如何产出更多的电能，成为国内外很多科研机构、学术人员、相关产业争相研究的内容。更优秀的控制算法，更有效率的拓扑结构，损耗更小的电力电子器件等，是现如今能提高效率的最有效手段。

3 太阳能十项全能竞赛

太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon）是由美国能源部（DOE）2002年发起并主办的以全球高校为参赛单位的太阳能建筑科技竞赛。该竞赛要求每所参赛大学设计并实际建造一栋建筑面积不超过74m2的太阳能住宅，每届竞赛从入选到最后的现场竞赛阶段为期两年，竞赛的最后一个环节是将参赛的住宅运到比赛现场，用大约十天左右的时间将太阳能住宅组装建造完成，之后的十天参赛并向公众展示。期间，太阳能作为唯一能量来源提供住宅的所有运行和生活能量。

在太阳能十项全能竞赛中，要求的指标是指建筑、太阳能、舒适、社会及经济、策略五大项中的十个单项指标，即：建筑、工程与建造、太阳能系统、能量平衡、舒适条件、家用电器与设施、交流与公众意识、工业化与市场化、创新性、可持续性。

在这项比赛中，很多先进的技术被融入到设计中，所以此项比赛在国际范围内受到非常高的重视。Teragreng公司负责运营的副总裁汤姆·古德汉姆就对此比赛非常欣赏，“利用这些新产品真正建造一栋房子的好处在于，它能让人明白这东西不仅仅是一个概念设计，而是一种已经准备好投入实际应用的材料，它能够被整合到现有的设计中去。”

在太阳能十项全能竞赛中，光伏系统的效率是一个很重要的环节。从图1所示参赛队伍光伏系统所能产生的直流电能比率中我们可以看出不同的住房差异性还是很大。虽然很多技术与控制算法已经比较成熟，但是实际产生的差异相当的大。我们可以看到最好的参赛队伍能够产生近17kW电能，这个几乎超过了一栋普通房子日常需求的两倍，也就是说，一栋普通的民宅可以变成一个小发电站，而最差的队伍不仅将所生产的电能全部消耗掉而且还额外从电网中获取了大量的电能。

图1 光伏系统产生直流电能比率及净产能

4 电力电子技术在并网与不间断电源中的发展

并网技术就是把光伏方阵在阳光下发生的直流电转换为符合入网标准的交流电与电网连接，当新能源建筑自身产生的能量大于自身消耗的能量时，可以把多余的电量回馈给电网，这样既能形成零能耗又能产能，真正实现了节能型建筑。

UPS（即不间断电源）是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用。这个时候的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还可以向机内电池充电；而当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能。通过逆变转换的方法向负载继续供应 220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

一天当中能被太阳照射到的时候平均只有十多小时，白天日照强除了能将多余的电能回馈电网以外还可以给不间断电源充电，而当黑夜降临的时候不间断电源在给住房供电。电力电子技术使得这种方案变成可能。在太阳能十项全能比赛中可以看到很多高校都是采用这种控制策略，并且取得了很好的效果。

5 电力电子在家用电器中的发展

当人们在享受现代化工业制成品的同时，也在享受着电力电子技术带来的恩惠。家用电器是住房中必不可少的构成。家用电器中应用到电力电子技术的典型例子有变频空调，通常能够节省 30%的电能，还有高频荧光灯，其效率比白炽灯效率高 2～3倍。随着电力电子技术的发展，电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分，甚至有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也开始应用电力电子技术了。并且，电力电子技术会使家用电器越来越向自动化、智能化发展，使人们有更多的时间享受生活。

在2010年的太阳能十项全能比赛中，多所国外高校的作品的设计都十分现代化，尤其是美国佛罗里达大学所设计的住房自动化智能化水平非常高。反观我国参赛高校在这方面，暴露出了明显的差距。图2所示为佛罗里达大学房屋智能控制结构。

图2 佛罗里达大学智能住房控制系统

6 电力电子器件产业的发展

目前，我国在全控型电力电子器件的设计与制造方面跟国外一些先进技术还存在较大的差距。国内晶闸管技术还不错，但是到了制作MOSFET跟IGBT等器件就做不好了，相当一部分的电力电子装置都依赖于进口，至少是进口芯片以后再在国内封装。

太阳能十项全能比赛仅在 2010年才开始有我国高校参加，虽然作为第一次参赛取得的成绩还不算太差，但是与国外高校参赛作品还存在较大差距，其原因之一就是国内很多工艺不及国外。国外高校采用的电力电子器件损耗小，从而能够使太阳能转换效率更高，而国内参赛队伍要购买进口器件成本大，购买周期长，还存在着不一定买得到的可能，这些往往都限制了参赛作品的发挥。

如今工信部十分重视解决电力电子器件的产业问题，很多在国外从事相关制造业的人才相继回国创业。相信通过市场运作，能够让电力电子企业和微电子企业携手创立新型的电力电子器件的生产企业，从而解决“生产”这一电力电子产业链的瓶颈。

7 结论

电力电子技术是当今高新技术系统中不可或缺的关键支撑技术，其应用领域几乎涉及到国民经济发展的各个工业部门。并且，电力电子的应用领域也是学科交叉最为广阔、是当前国际竞争最为激烈的领域。电力电子技术虽然在世界范围内已经有超过半个多世纪的发展历史，但是在电气工程这个领域中，它仍然可以认为是一门新兴的学科，发展十分迅速，尤其是在我国应该说电力电子技术的发展方兴未艾。相信在未来的数年内，电力电子技术在新能源，尤其是在新能源建筑这个领域中，会起到越来越重要的作用。

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