你的位置:首頁 > 測試測量 > 正文

太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件的需求分析

發(fā)布時(shí)間:2010-10-29 來源:電子產(chǎn)品世界

太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的中心議題:

  • 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件的需求分析
  • 典型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)
  • 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的解決方案:

太陽能逆變器是太陽能發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵

  • IGBT用于太陽能逆變器設(shè)計(jì)
  • 利用新材料提高光電轉(zhuǎn)換效率


太陽能逆變器是整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。它把光伏單元可變的直流電壓輸出轉(zhuǎn)換為清潔的50Hz或60Hz的正弦電壓源,從而為商用電網(wǎng)或本地電網(wǎng)供電。因?yàn)樘栯姵匕宓墓怆娹D(zhuǎn)換效率可能受到陽光照射的角度、云層、陰影或氣候條件的影響,所以,太陽能發(fā)電系統(tǒng)必須把不斷變化的直流電轉(zhuǎn)換為經(jīng)過很好調(diào)整的交流電源。對(duì)充電電池的最大輸出功率應(yīng)出現(xiàn)在光伏電池的電壓和電流積的峰值處,如圖1所示。

對(duì)充電電池的最大輸出功率應(yīng)出現(xiàn)在光伏電池的電壓和電流積的峰值處


為了實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)輸出的跟蹤(MPPT),微控制器要運(yùn)行MPPT算法,以調(diào)節(jié)太陽能電池板的方向、輸出的直流電壓和電流,使之獲得峰值功率輸出,就需要采用微控制器以及傳感器來跟蹤太陽方位角以及高度角。

目前,在自適應(yīng)太陽方位角、高度角以及輻射強(qiáng)度的跟蹤系統(tǒng)中,組成部件包括輻射強(qiáng)度傳感器、跟蹤傳感器、自動(dòng)控制芯片、步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及集能平臺(tái)等幾部分。對(duì)于風(fēng)能/太陽能一體化的發(fā)電系統(tǒng),還要檢測光伏陣列的輸出電壓/電流、跟蹤光強(qiáng)、環(huán)境光強(qiáng)、蓄電池充電電流/電壓、逆變器的輸出交流電流、交流電壓、環(huán)境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽方位角、高度角和風(fēng)速。因此,對(duì)微控制器的數(shù)據(jù)采集能力以及A/D轉(zhuǎn)換以及處理提出了很高的要求。

在大規(guī)模部署的太陽能并網(wǎng)發(fā)電廠中,光伏電池板的數(shù)量很大,為此,TI公司提出了“微型逆變器”的概念,它既能夠在較寬的范圍內(nèi)掃描各個(gè)獨(dú)立的太陽能電池板的峰值功率點(diǎn),避免把局部峰值作為MPP點(diǎn),同時(shí),又能夠提高最大功率點(diǎn)輸出跟蹤的效率。TI提出的這種系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。從中可看到,對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn)換器以及控制器、通信接口的需求也非常大。

基于微型逆變器概念的太陽能逆變器的示意圖 

微型逆變器的特點(diǎn)就是每一塊光伏電池板有它自己獨(dú)立的逆變器系統(tǒng),這種拓?fù)涞闹饕锰幨翘柲馨l(fā)電站的光伏陣列能夠持續(xù)的輸出電力,既使當(dāng)其中一個(gè)逆變器功能失常的時(shí)候。此外,因?yàn)槊恳粔K太陽能系統(tǒng)能夠利用高分辨率的PWM算法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換參數(shù),讓系統(tǒng)能夠隨時(shí)根據(jù)負(fù)載的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié),并利用片上外設(shè)如SPI、UART等接口實(shí)現(xiàn)各個(gè)微型逆變器之間的數(shù)據(jù)交換,因此,就有可能為每一個(gè)光伏電池板以及整個(gè)發(fā)電站系統(tǒng)提供最優(yōu)化的轉(zhuǎn)換效率。目前,TI公司推出的Piccolo MCU就是為太陽能電池板提供更高的工作效率以及控制功能而設(shè)計(jì)的,微型逆變器能夠最大限度地提高每個(gè)單電池板的功率輸出。

給太陽能逆變器選擇微控制器的原則包括:低的成本目標(biāo)以滿足大量部署的需求;小的形狀因子;齊全的控制功能;與各個(gè)微型逆變器的控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的能力;強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力;與模擬器件如電流和電壓傳感器接口,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)峰值功率實(shí)時(shí)監(jiān)測的能力;內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器;太陽能接地漏電流檢測能力;對(duì)太陽能電池板轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制的能力。
[page]
用于太陽能逆變器的功率器件

在太陽能逆變器的設(shè)計(jì)中,常用的IGBT分別為平面型IGBT和溝道型IGBT。在平面型IGBT中,多晶硅柵極是呈“平面”分布或者相對(duì)于p+體區(qū)是水平分布的。在溝道型IGBT中,多晶硅柵極是以“溝道方式向下”進(jìn)入p+體區(qū)。這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),就是可以減小通道對(duì)電子流的阻力并消除電流擁擠現(xiàn)象,因?yàn)榇藭r(shí)電子垂直地在通道中流過。在平面型IGBT中,電子以某種角度進(jìn)入通道,引起電流擁擠,從而增加電子流的阻力。在溝道型IGBT中,電子流的增強(qiáng)使Vce(on)大幅度降低。

除了降低Vce(on)外,通過將IGBT改成更薄的結(jié)構(gòu)可以降低開關(guān)能量。結(jié)構(gòu)越薄則空穴-電子復(fù)合速度就越快,這降低了IGBT關(guān)斷時(shí)的拖尾電流。為保持相同的耐擊穿電壓能力,在溝道型IGBT內(nèi)構(gòu)造了一個(gè)n場阻止層,以便在IGBT上的電壓增大時(shí),阻止電場到達(dá)集電極區(qū)域。這樣實(shí)現(xiàn)的更低的傳導(dǎo)能量和開關(guān)能量允許逆變器的尺寸更小,或者相同尺寸逆變器的功率密度更大。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池板需要串聯(lián)或并聯(lián)工作,太陽能模塊產(chǎn)生的直流電壓在幾百伏的數(shù)量級(jí),如600V或1200V。上述最新的IGBT技術(shù)使得針對(duì)20kHz開關(guān)應(yīng)用的最新一代600V溝道型IGBT得以實(shí)現(xiàn)。以IR公司采用全橋拓?fù)錁?gòu)建的500W直流/交流逆變器演示板為例,通過測量所降低功耗表明,采用新型經(jīng)優(yōu)化的溝道型IGBT器件,可使散熱片溫度降低16%。功耗的降低使IGBT的效率比前一代 IGBT器件提高了近30%。

一般來說,在直流/交流逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,選擇IGBT器件的基本準(zhǔn)則是提高轉(zhuǎn)換效率、降低系統(tǒng)散熱片的尺寸、提高相同電路板上的電流密度。目前,市場上多家公司提供用于太陽能逆變器的功率器件,其中,包括IR、英飛凌、ST、飛兆半導(dǎo)體、Vishay、Microsemi、東芝等公司。

典型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)


盡管太陽能資源是無窮盡的,每秒鐘到達(dá)地球表面的太陽光能量高達(dá)80萬千瓦,但是,由于太陽光輻射密度太低,導(dǎo)致太 陽能電池的轉(zhuǎn)換效率非常低,所以,提升把太陽能電池收集的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的太陽能逆變器的效率,對(duì)于提升太陽能發(fā)電效率就顯得至關(guān)重要。高效率且具有成本效益的逆變器成為評(píng)定太 陽能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。未來的發(fā)展關(guān)鍵以及競爭的焦點(diǎn)在于提高光電轉(zhuǎn)換效率。

專家預(yù)言,因受到部署大規(guī)模太陽能發(fā)電廠的需求刺激,在未來的五年內(nèi),三相中央逆變器系統(tǒng)的市場預(yù)計(jì)將有非常好的市場表現(xiàn)。從技術(shù)趨勢上看,Triphase NV公司的逆變器專家J. Van den KeyBus指出,未來的三相逆變器將由逆變器控制單元、IGBT逆變器、PWM發(fā)生器、ADC、死區(qū)保護(hù)電路、以太網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)個(gè)人電腦等部分組成,如圖3所示。建設(shè)這種系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)太陽能電池組并網(wǎng)向電網(wǎng)供電,并借助于聯(lián)網(wǎng)控制來實(shí)現(xiàn)跟蹤峰值功率點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)最高效率的太陽能并網(wǎng)發(fā)電。

典型的聯(lián)網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)的組成

從圖3可見,太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將對(duì)下列系統(tǒng)和器件產(chǎn)生巨大的需求:
(1) 電網(wǎng)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);
(2) 以太網(wǎng)端口;
(3) AD轉(zhuǎn)換器;
(4) PWM發(fā)生器;
(5) 逆 變器控制器;
(6) IGBT模塊以及逆 變器;
(7) 太 陽能電池板方位角和高度角轉(zhuǎn)向電機(jī)及其控制裝置;

從功率分立器件來看,隨著太陽能并網(wǎng)發(fā)電站規(guī)模的增大,采用1200V IGBT將是未來的發(fā)展趨勢。針對(duì)各種不同規(guī)格的逆 變器的需求,IGBT模塊呈現(xiàn)集成度越來越高的發(fā)展趨勢。
[page]
值得關(guān)注的是,為了獲得更高的轉(zhuǎn)換效率,采用SiC二極管來設(shè)計(jì)太陽能逆變器系統(tǒng)是最新的發(fā)展趨勢。原因在于:(1) SiC的導(dǎo)熱率是砷化鎵的幾倍,也超過了Si的三倍,這將可以制造出更高電流密度的器件;(2) SiC的擊穿電場幾乎是Si擊穿電場的十倍,所以,采用SiC的相同設(shè)計(jì)將獲得硅元件十倍的額定擊穿電壓,因此,有可能開發(fā)出非常高電壓的肖特基二極管; (3) SiC是一種寬能帶材料,因此,相對(duì)于任何硅器件而言,SiC可在高得多的溫度下工作。

此外,因?yàn)樘柲芪⑿湍孀兤餍枰O(jiān)測電流、電壓、溫度等模擬參數(shù),具有模擬和數(shù)字混合信號(hào)處理能力的微控制器有望在這里找到用武之地。

利用新材料提高光電轉(zhuǎn)換效率
  
太陽能電池為未來大規(guī)模發(fā)電提供了巨大商機(jī),但目前大部分太陽能電池的輸出功率相對(duì)較低,典型的輸出效率在15%%左右。

“太陽每天產(chǎn)生的太 陽能為165,000太瓦特(TeraWatt),我們只要能從中獲取極小的一部分能量,就能朝解決能源危機(jī)問題邁進(jìn)一大步”,IMCE首席運(yùn)營官Luc Van den hove表示,“我們現(xiàn)在面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)是如何降低電陽能電池的成本和提高其效率。” IMEC的太陽能電池開發(fā)計(jì)劃的計(jì)劃表是,到2011年120微米晶硅電池的效率有望達(dá)到20%;到2015年,厚度為80微米的晶硅太陽能電池的效率將高于20%。其技術(shù)的發(fā)展思路是,提高材料的吸收系數(shù),使之接近太陽能光譜的最大光子通量,并具有較高遷移率。此外,通過采用旋涂工藝涂覆該材料,改善其薄膜形貌,從而提高載流子遷移率和可重復(fù)性。

另一方面,荷蘭戴夫特理工大學(xué)和物質(zhì)基礎(chǔ)研究基金會(huì)研究人員指出,非常小的特定半導(dǎo)體晶體會(huì)產(chǎn)生電子的“雪崩效應(yīng)”。在傳統(tǒng)的太陽能電池中,1個(gè)光子只能精確地釋出1個(gè)電子,而在某些半導(dǎo)體納米晶體中,1個(gè)光子可釋出2個(gè)或3個(gè)電子,這就是所謂的“雪崩效應(yīng)”。這些釋出的自由電子能夠確保太 陽能電池運(yùn)作并提供電力。釋出的電子越多,太陽能電池的輸出功率也越大。這種物理效應(yīng)為生產(chǎn)廉價(jià)的、高輸出功率的太 陽能電池鋪平了道路,從而有望利用半導(dǎo)體納米晶體(晶體尺寸在納米范圍內(nèi))來制造新型太 陽能電池。此次的新發(fā)現(xiàn)表明,理論上由半導(dǎo)體納米晶體組成的太 陽能電池的最大輸出能源效率將可能達(dá)到44%,同時(shí)有助于減少生產(chǎn)成本。

此外,IBM不久前聲稱他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從1平方厘米的太陽能電池板上提取230W的能量,并最終獲得70W可用電力的技術(shù)。其技術(shù)細(xì)節(jié)不祥。

參考文獻(xiàn):
[1] 預(yù)測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)泡沫將在2009年破裂[R/OL].www.eepw.com.cn/article/80681.htm
[2] 專家傾情解讀太陽能電池技術(shù)新發(fā)展[R/OL].www.eepw.com.cn/article/67704.htm
[3] 基于MPPT的智能太陽能充電系統(tǒng)研究[R/OL].www.eepw.com.cn/article/56593.htm
[4] 500W光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)[R/OL].www.eepw.com.cn/article/20976.htm
[5] 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展為半導(dǎo)體行業(yè)帶來新機(jī)會(huì)[R/OL].www.eepw.com.cn/article/73805.htm

 

要采購太陽能電池么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉