設(shè)計太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時需要考慮哪些因素

太陽能電池板的能量輸出取決于幾個因素，包括面板類型，太陽跟蹤能力，位置，一年中的時間和一天中的時間（輸出在一夜之間降至零）。太陽能電池的最大能力隨時間而變化，輸出通?；谌舾梢蛩囟档?。對于努力充分利用太陽能電池板產(chǎn)品的設(shè)計工程師而言，重要的是要考慮確定太陽能電池功率輸出的物流因素以及可以采取哪些措施來最大限度地提取能量。

并非地球上的每個地點都足夠幸運全年都有長時間強烈的陽光照射。但內(nèi)華達州是美國最著名的持續(xù)日照地點之一，可能是最可靠的。也許這就是為什么美國空軍（美國空軍）選擇內(nèi)利斯空軍作為其最大的光伏裝置的地點。 Nellis于2006年竣工，是世界上最大的光伏裝置，最大輸出功率為14兆瓦。但峰值或最大輸出規(guī)格僅提供最佳情況。即使在內(nèi)華達州，太陽的強度也會發(fā)生變化，無論位置如何，太陽能電池的潛在輸出功率都會發(fā)生變化。為了正確看待這一點，請比較兩個美國地區(qū)的太陽能輸入參數(shù)非常不同的典型輸出。拉斯維加斯在美國主要城市名單中排名第一，在210天內(nèi)完成了3，825小時的太陽。最下端是紐約州布法羅市，僅有54天晴天，總共有2，207小時的太陽。使用國家可再生能源實驗室（NREL）提供的數(shù)據(jù)，圖1顯示了應(yīng)用降額因數(shù)的4 kW裝置的預(yù)期月功率輸出。注意位置之間的差異。即使在夏季最長的日子里，布法羅（以及許多其他東北地區(qū)）的光伏裝置也只能實現(xiàn)略低于80％的功率輸出，而內(nèi)華達州的類似4千瓦裝置。

圖1：比較12個月內(nèi)紐約布法羅和內(nèi)華達州拉斯維加斯的4千瓦太陽能裝置的預(yù)期功率輸出。

太陽能輸入是確定太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量收集潛力的起點。當然，在我們進行能源轉(zhuǎn)換鏈時，還有許多其他因素需要考慮。

在創(chuàng)建安裝光伏電站的商業(yè)計劃時，位置通常不是變量。然而，預(yù)期的位置和太陽能輸入將決定光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

光伏能源轉(zhuǎn)換材料并非都是平等的。市售太陽能電池板具有廣泛的電池效率。由于制造各種材料的成本可能非常不同，因此潛在產(chǎn)出的每峰值瓦特的價格也包括在很寬的范圍內(nèi)。

當將太陽的光子轉(zhuǎn)換成電子時，效率只是一個性能指標。對于期望大多數(shù)明亮，晴朗的地區(qū)，簡單的效率數(shù)字應(yīng)該是主要關(guān)注點。在多云的地方，決策可能會變得更加復(fù)雜。

某些細胞類型相對于最大輸出提供更高的性能，而某些地區(qū)普遍存在較弱的漫射光。例如，已知諸如Sanyo a-Si電池的非晶硅電池捕獲更寬范圍的入射光并且在這些環(huán)境中工作良好。

還有串聯(lián)或多結(jié)電池，它們將非晶硅與多晶吸收層堆疊在一起，進一步加寬光子網(wǎng)。

由地理位置和細胞類型引起的電力輸出變化非常明顯。但還有其他因素。也許一天中的時間是顯而易見的，因為在每個24小時周期的很大一部分中輸出將降至零。但是時間不是二元因子，如預(yù)測輸出功率的示例圖所示。這些圖表使用國家可再生能源實驗室（NREL）PVWatts應(yīng)用程序，使用“氣象典型”太陽入射數(shù)據(jù)預(yù)測太陽能電池板輸出功率。輸出計算假設(shè)陣列的固定傾斜角度與4kW峰值輸出陣列的位置緯度匹配，并且DC-AC降額因子為0.77。

看一整天的變化（圖2），可以清楚地看到，在“光線充足”的白天，當可以預(yù)期顯著的功率輸出時，仍然存在很大的變化。雖然布法羅和拉斯維加斯的每小時預(yù)期功率輸出圖表顯示了地理對電力的影響，但從設(shè)計角度來看，重點應(yīng)放在預(yù)期在固定位置遇到的變化。

圖2：6月20日“典型”的4千瓦安裝的每小時能量輸出，比較布法羅和拉斯維加斯。

存在用于全天跟蹤太陽以減少每小時變化的系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。通常，它們在有限的使用情況下在經(jīng)濟上是可行的。即使系統(tǒng)設(shè)計者接受增加多軸傾斜和跟蹤能力的成本，功率輸出波動肯定仍然是充電控制電子設(shè)備應(yīng)該處理的問題，以最大化從面板的能量提取。

除了電力輸出的日常和季節(jié)性變化之外，太陽能電池在一生中經(jīng)歷長期退化。根據(jù)電池中特定的光伏材料，有幾種物理機制歸因于此，但設(shè)計人員應(yīng)考慮太陽能電池板在數(shù)十年的使用中將經(jīng)歷的強光，加熱和冷卻循環(huán)以及其他環(huán)境因素。

許多系統(tǒng)應(yīng)用包括在太陽能過剩（白天）期間存儲電力的電池，以供在赤字期（夜間）使用。對于任何太陽能電池隨時間輸出功率的不可避免的變化，太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵部件將是充電控制電子設(shè)備。最簡單的系統(tǒng)將需要阻塞二極管，以便在面板輸出降至零時防止電池放電。但是，有許多更復(fù)雜的解決方案可用于在輸出的細微變化上提高系統(tǒng)性能。

這類智能功率控制IC稱為最大功率點跟蹤（MPPT）。美國國家半導體SolarMagic TM 產(chǎn)品線一直是Photon International進行功率優(yōu)化研究的重點。在確定各種真實陰影場景對面板輸出的影響的測試中，SolarMagic功率優(yōu)化器能夠提供顯著的性能優(yōu)勢，恢復(fù)高達71％的損失產(chǎn)量。

SolarMagic SM3320-RF-EV射頻評估和開發(fā)套件集成了功率優(yōu)化器和低成本2.4 GHz無線電，為光伏系統(tǒng)增加了遠程關(guān)閉功能。在安裝，維護或緊急情況下，可以使用此功能來斷開光伏系統(tǒng)的電源。

充電控制系統(tǒng)MPPT IC需要一些額外的電子設(shè)備。例如，National Semiconductor SM72442 MPPT的參考設(shè)計（圖3）建議使用柵極驅(qū)動器來驅(qū)動太陽能電池板和負載之間的一對FET。建議使用SM72482E。

圖3：美國國家半導體SolarMagic最大功率點跟蹤的參考設(shè)計。

太陽能是一種豐富的可再生能源清潔電力來源。但在設(shè)計完整的太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時，應(yīng)考慮幾個因素。太陽并不總是閃耀，即使它是，它的可用功率也會有很大差異。如果使用專門設(shè)計太陽能的組件將某些變化考慮在設(shè)計中，可以實現(xiàn)太陽能裝置的最大性能。