智能型光伏组件

■ 美国国家半导体

目前，光伏系统的安装服务公司及投资者都希望有关设备(亦即他们的投资项目)可以顺利运行25年，而且在整个寿命周期内能发挥最高的效率。但由于组件性能会随着时间而退化(一般来说，组件的性能会以每年0.5%～1.0%的速度逐渐退化)，因此光伏系统的用户一般都会按照线性比率计算某段时间内的系统损耗。事实上，几乎所有光伏系统都受实际操作环境的影响，以致组件性能的衰退速度远比估计值高，令投资回报低于预期。这些影响实际操作的因素包括光伏组件之间的失配、傍路二极管的热能耗散令组件性能加速退化以及各种环境因素(如浮云、污垢及碎片等)。为了解决系统效率较低的问题以及确保产品能够在瞬息万变的产品市场中脱颖而出，光伏组件生产商都寄希望于智能集成电路能开辟一条新路。

近几年来，多家电子设备供应商相继在市场上推出独立式的直流/直流和直流/交流变换的电源管理产品。这种独立式解决方案的优点是可装入目前正在使用的太阳能系统中。但事实上，有意将旧系统升级的用户不多，若与销售全新光伏系统的市场相比，升级系统的市场发展潜力显得微不足道。独立的电源管理方案也有其不足之处，例如，要添加连接线路、接地回路、外壳和支架，不但增加成本，线路设计较复杂，安装时间更长，而且要为新添产品另外提供质保。

越来越多的光伏组件生产商预先将智能电路内置于组件内，使系统可充分利用智能电路的优点，提高光伏阵列的整体效率，同时降低系统寿命周期内的总成本。这是一个极具成本效益的解决方案，光伏组件生产商可为市场提供不同的选择。系统寿命周期的总成本是指包括安装和设计时间以及所有物料成本在内的总成本。换言之，平衡的系统总成本越低，意味着安装和设计时间越短，所需的电缆/机架越少，逆变器成本以至光伏系统的分类成本也越低。面对来自市场的各种压力，如价格方面的压力、新增厂商的竞争压力，要确保自己的产品能够在市场上脱颖而出，厂商纷纷顺应市场的需要将集成电路内置于光伏组件内。

一 智能型太阳能光伏技术渐趋成熟

新一代的光伏组件，即智能型光伏组件开始受到市场欢迎。这种光伏组件内置智能接线盒，可充分利用模拟电路和电源管理技术以及直流/直流电源优化器的优点。以全球最大的接线盒供应商之一灏讯集团(HUBER+SUHNER)为例，该公司已成功开发内置美国国家半导体SolarMagicTMSM3320芯片组的RADOX¨SolarBox NS3接线盒(图1)。内置集成电路的接线盒可支持更多功能，相比仅内置傍路二极管的接线盒性能更优。智能接线盒采用无缝衔接的设计，可轻易装入光伏组件内，以提高光伏组件的性能及发电量。除灏讯集团外，市场上还有Shoals Technologies Group、Onamba和QC Solar等多家智能接线盒生产商，预计陆续会有更多竞争者进军这个市场。

智能接线盒供应商的产品都采用各自专有的设计，以确保系统能充分利用分布式集成电路的优点。部分接线盒采用单件式(图2a)设计，即由傍路二极管至集成电路的整个单元都置于同一个封闭盒内，并通过一组接线连到下一个光伏组件。这种设计所需的元器件及连接器极少，可确保系统具有极高的稳定性。部分接线盒则采用双单元(图2b)设计，一般来说，这种设计将带状电缆和傍路二极管设于连接座内，与集成电路分开，其优点是方便在现场的系统升级或部件更换。

由于市场上有多种智能接线盒可供选择，各大光伏组件生产商都跃跃欲试，希望能在现有的产品之外添加全新的智能型产品系列。尚德公司(Suntech)是全球晶体硅光伏组件领导生产商之一。该公司最近宣布与分布式集成电路的市场领导者美国国家半导体携手合作，为太阳能产品市场开发新产品。这一合作计划已取得成果，推出的分布式集成电路可提升光伏系统的性能，有助于解决这类系统一直存在的性能问题，而且是极具成本效益的解决方案。美国国家半导体SolarMagic技术的优点是可提高组件的峰值效率(99.5%)，为组件提供了3种操作模式(即降压、升压及直通模式)，以及在光伏组件层面(而不是一列组件)上减少电流及电压失配问题所产生的不利影响。

二 智能光伏组件对于生产商的价值所在

光伏组件生产商一直在通过降价以提高产品的竞争力，但随着市场对光伏组件的要求渐趋严格(例如要求更高的发电量及更高的效率)，若要提升性能便需增加生产及研发方面的开支，本已极微的利润将更微薄。生产商一方面要确保其利润，另一方面又要降价以满足市场要求。在这样的市场压力之下，太阳能组件生产商不得不推出具有独特个性的产品。目前许多大大小小的光伏组件生产商都在与直流/交流及直流/直流集成电路开发商合作，希望推出各种能源效率更高而又独具个性的产品。

生产智能型光伏组件的厂商只要采用智能电路解决方案(图3)，便可安枕无忧，因为每块太阳电池板必定符合质保书上所列的性能。一般来说，厂商保证在最初的10年内组件性能不会低于规定的90%，而且在其后的15年不低于规定的80%。光伏组件若添加了集成电路，可发挥更高的性能。换言之，厂商面对的索赔个案将会减少，因为即使组件功能退化令组件失配，导致发电量下跌，但添加的集成电路可提升组件性能，有助于弥补这方面的损失。

三 智能光伏组件对于安装公司/系统集成商的价值所在

光伏系统安装公司面对的主要问题是如何确保利润符合指标。一般来说，这些安装公司都属于较小型的企业，日常运营几乎全依靠现金流支持。换言之，每分钱的利润都与公司的业务休戚相关。此外，虽然光伏系统目前的单位发电成本以每瓦多少美元($/W)计算，但当光伏系统的单位发电成本接近传统电网的发电成本时，衡量成本的主要标准将会改为以每度电多少美元($/kWh)计算。这是衡量产品质量及性能的标准。安装公司必须为用户提供发电效率最高的优质产品，才能在市场上生存。

智能型光伏组件的优点是以整个寿命周期计的系统总成本较低，安装公司及系统集成商可节省更多成本，因为安装这类智能型光伏系统时无需避开可能会阻挡阳光的物体(如烟囱及障碍物)，可充分利用整个屋顶的空间，有助于降低电缆、布线、机架等方面的物料成本，还可为用户提供一个包括各种优质产品在内的全方位解决方案。此外，安装公司也无需避开附近的障碍物或迁就屋顶的倾斜角度或方向，直接将智能型光伏组件安装于屋顶的任何位置，全部安装工程可一次完成，无需多次爬上屋顶进行安装。每块光伏组件都内置智能电路，串联组成的的每列组件数可灵活增减，加上采用的MPPT算法可缓解组件失配问题，因此智能型光伏系统的总体成本较低，安装光伏系统的服务公司不但可获取更大的利润，而且还可提高系统的发电量，使客户也从中受益。

美国国家半导体等公司不断研发新技术，致力于为系统的性能及稳定性创立新的技术标准，以确保更多业者采用分布式集成电路。芯片厂商必须为任何内置于光伏组件的集成电路提供与光伏组件一致的25年维修保证。过去50年来，美国国家半导体一直为军用装置、航天设备和汽车电子系统提供各种集成电路，目前的服务范围更扩大至光伏系统，加上公司的财政稳固，所经营的业务具有极高的盈利能力，因此有足够的实力可为大型的太阳能发展项目提供支持。一直以来，智能电路被视为光伏系统的薄弱环节。但经过多年的发展，该技术已发展成熟，系统的质量与可靠性都获得保证，厂商免费为其产品提供维护，令智能电路渐受市场欢迎。

四 光伏系统用户也可从智能光伏组件中受惠

光伏系统用户极为关注两个重要问题：第一，提供产品的光伏系统安装公司是否信誉可靠，其工程技术是否符合规定的质量要求；第二，如何尽量提高系统的发电量，减少电费支出，确保投资回报符合当初的估计。目前选购智能型光伏系统的用户从工程项目开始的一刻起，所安装的系统必定符合性能规定，而且每年提供的投资回报也符合要求。一直以来，许多选购光伏系统的用户都相信，系统一经安装其性能及效率可在随后的25年内保持不变，但在很多情况下，直到保修期过半，才发觉实际表现与原先估计有出入。造成这个现象的原因很多，如光伏系统中各光伏组件逐年退化、导线/电缆的效率不断下降、物料老化和光伏组件之间出现失配等。

智能型光伏系统会不断调整一整列内或多列光伏组件之间的电流和电压，以减轻失配造成的影响。用户可放心安装这类智能型光伏系统，提高系统发电量，并将kWh计的单位发电成本降到最低。

尚德、Canadian Solar和GESOLAR等公司(图4)正在开发的智能型光伏组件可提高整套太阳能光伏系统的能源效率，以产品的整个寿命周期计，实际效率甚至可提高25%。更高的能源效率、更少系统故障以及产品具有独特功能，都是光伏组件厂商不断努力完成的目标。预计2011年第一季度上述厂商将在市场上正式推出经过认证的智能型光伏组件。