電感在光伏中的功率轉(zhuǎn)換及應(yīng)用（上）

前言

經(jīng)過長(zhǎng)期的技術(shù)發(fā)展——特別是在生態(tài)危機(jī)、化石能源困境等多個(gè)重大關(guān)鍵課題的刺激下，太陽(yáng)能在以轉(zhuǎn)換效率和成本為核心的技術(shù)和商業(yè)兩方面的關(guān)鍵難點(diǎn)上取得了巨大突破。太陽(yáng)能是可再生能源和可持續(xù)電力設(shè)施改造的關(guān)鍵形式、實(shí)現(xiàn)碳中和傳播的重要途徑，這不僅是全球共識(shí)，也是美國(guó)、歐盟等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家目前所處的實(shí)際情況。同時(shí)，中國(guó)也在出臺(tái)相應(yīng)的政策指導(dǎo)方針，大幅增加光伏發(fā)電裝置的數(shù)量。為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的電感對(duì)于太陽(yáng)能的進(jìn)一步普及具有重要的意義。

Part1

光伏發(fā)電應(yīng)用與功率轉(zhuǎn)換

以設(shè)施等級(jí)為劃分依據(jù)，太陽(yáng)能應(yīng)用通常分為三類：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事業(yè)，xMW ~ xGW。由于太陽(yáng)能應(yīng)用廣泛，且具有可擴(kuò)展性，太陽(yáng)能發(fā)電的相應(yīng)功率轉(zhuǎn)換有幾種不同的方案可供選擇：

在轉(zhuǎn)換效率方面，有用于適應(yīng)太陽(yáng)輻射并根據(jù)電池溫度調(diào)節(jié)輸出的連續(xù)控制單元；考慮到相對(duì)發(fā)電成本和用電容量，有用于離網(wǎng)型發(fā)電的分布式微電網(wǎng)和用于柵極接電的集中式電站，尤其是當(dāng)光伏板數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)的孤島風(fēng)險(xiǎn)和并網(wǎng)設(shè)備的低電壓穿越（LVRT）會(huì)使得光伏發(fā)電的配置方案更復(fù)雜多變。

濾波電感、升壓電感等電感除了應(yīng)用于相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換之外，在其他方面也廣泛應(yīng)用；尤其是在典型的分布式光伏解決方案中，電感的成本更高（按百分比計(jì)），因此為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的電感對(duì)于太陽(yáng)能的進(jìn)一步普及具有重要的意義。

Part2

系統(tǒng)中光伏發(fā)電及功率轉(zhuǎn)換的原理

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半導(dǎo)體基礎(chǔ)

由于光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵要求，單晶硅異質(zhì)結(jié)（HIT）太陽(yáng)能電池（N襯底）是目前的重點(diǎn)發(fā)展類型（效率在25%左右）。目前占據(jù)安裝規(guī)模的主要份額的類型仍然是鋁背場(chǎng)（BSF）和PerC型如P 型基板電池（效率在 19% 和 21.5% 之間）。但隨著設(shè)備和主要材料（硅材料和低溫銀漿）的不斷研發(fā)和生產(chǎn)能力的提高，HIT成本將逐步降低，未來新裝的太陽(yáng)能電池將以HIT型為主。

在本征半導(dǎo)體中，P型或N型半導(dǎo)體通過摻雜獲得足夠的載流子濃度。由于其窄帶隙，外界干擾（如照明電磁輻射）可以激發(fā)內(nèi)部原子產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)。當(dāng)不同類型的半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，n型端在內(nèi)部擴(kuò)散電場(chǎng)的作用下會(huì)積聚更多的電子；而p型端則相反，最終在兩端形成驅(qū)動(dòng)電壓并成為電源，即電池。這種內(nèi)部光電效應(yīng)稱為光伏效應(yīng)。

相反的現(xiàn)象是LED通過電子空穴復(fù)合產(chǎn)生電光。兩者的PN結(jié)工作狀態(tài)為正偏，但光伏電池為電源（光輻射驅(qū)動(dòng)電流，低功率密度），LED為負(fù)載（產(chǎn)生光的電力，高功率密度），因此，光伏電池可以提供大電流，LED 則受限于其散熱結(jié)構(gòu)和尺寸而無(wú)法通過大電流（燒壞）。相關(guān)二極管結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池（HIT）和LED的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和等效電路

常見的典型的光伏電池（PV）輸出電流表示為：

其中：

isc—光照射產(chǎn)生的激發(fā)電流；

iDo—PN結(jié)的飽和電流；

q–電子電荷為1.6×10?19C中；

K–玻爾茲曼常數(shù)為1.38×10?23J/K；

A–1～2之間的理想常數(shù)；

T–PN結(jié)溫度

q/AKT是輻照的弱相互作用，隨輻照強(qiáng)度而變化；通常

審核編輯 黃宇