新一代智能光伏组件接线盒

引言:

随着社会对能源的需求量越来越大，充分利用太阳能，可为世界经济发展提供可持续增长的长远战略及出路。近年来，随着科技的进步,太阳能电池用于太阳能光伏发电的技术取得了很大的进展，逐步成为人类未来主要电力来源之一。相对应的，就给我们的太阳能光伏发电系统提出了新的课题--如何适应越来越高的负载要求以及高可靠性要求。因此，太阳能光伏技术的深入研究极为重要.

热斑及热斑的形成与避免

.太阳能电池片热斑是指电池片在阳光照射下,由于部分组件受到遮蔽而无法正常工作,使得被遮蔽部分的组件升温远远大于未被遮蔽部分,致使温度过高出现烧坏的现象.

在太阳能光伏系统中,电池片由于外界环境以及自身匹配问题,很容易出现热斑现象(图1 红色部分)



图1 热斑实拍图

当光伏阵列中部分电池片被云层,树叶或其他物体遮蔽时,由于光照的变化,其温度将明显不同于其他未被遮蔽电池片.这将引起内电场的变化,而使被遮蔽部分热量急剧上升,形成热斑.若热斑的温度超过一定极限,将会使电池片上的焊点融化并损坏栅线,从而导致整个光伏阵列甚至系统的损坏.

为了避免热斑的产生，接线盒因应而生。



图2 接线盒工作原理图



在太阳能电池组件中，一般将N块电池片串联成电池组，以达到更高电压，如上图。一旦A/B/C任一片电池片被遮住，该电池片就不再作为电源，而是变成负载消耗其他正常电池片产生的电能。而此时，由于该组的电池片出现反偏，则二极管导通，电流将沿二极管继续形成回路，不再消耗在被遮蔽的电池片上。

传统接线盒的功能限制与局限性

传统接线盒,由于设计以及技术的问题,有着许多需要解决的问题,首当其冲的就是温度问题.正常日照下的环境温度以及二极管工作而产生的温度。

在户外环境中，电池片的背板温度，可能达到70~80度，再加上二极管工作后，结温可能升至200度，将会严重影响接线盒内部温度的上升，从而导致盒体材料以及内部结构的变形与损坏，严重的甚至导致组件损坏。

因而，如何解决接线盒温度的问题，成了一个刻不容缓的课题。而我们，也一直致力于这方面的研究，并已取得突破性的发展。

其实在太阳能光伏中,旁路需要的是"理想二极管",即正向没有导通压降,反向没有漏电流.正向压降是由二极管本身决定的,硅管一般在0.9V左右，肖特基一般在0.5V左右。反向漏电是二极管的主要反向特性，一般硅管在3~5uA,肖特基在50~500uA.正向压降会导致接线盒的温度升高，从而影响寿命。反向漏电流，会直接影响电池组件的输出功率。

新型模块的特性：



图 3 新型模块工作原理

该方案利用低压大电流开关电源中次级整流的原理，利用HB-Drive,输出一宽度随电流大小变化而变化的方波，来驱动模块内置MOS的栅极，以控制模块的导通/截止，以达到让较大电流通过的目的。

MOS管是电压控制元件,只需要从信号源取极小电流，就能控制极大ID的流通。所以，在对效率要求较高（低压大电流开关电源），以及能源成本较高（太阳能光伏）的情况下，MOS管的低工作消耗尤为重要。

该模块内置MOS管以及驱动IC均由我司独立设计开发，内置MOS导通电阻极小，小于4毫欧。正由于有这样的特性，MOS管在工作的时候，功耗极低，特别是在大电流情况下，尤为突出。
在我们的MOS管旁路模块设计中，DS端电压损耗小于0.1V，即该线路的压降低于0.1V。相比于传统二极管以及肖特基管的VF而言，MOS管旁路的功耗更小。我们以10A电流举例：

STD： 1V*10A=10W
SKY： 0.45V*10A=4.5W
MOS： 0.1V*10A=1W

在太阳能光伏系统中，旁路二极管的结温是一个制约大电流二极管发展的因素。而MOS管旁路，由于它具有自身功耗小，Rds(on)较小的优点，所以它的本体温度较低，且由于它压降低，所以换言之，MOS管的结温也会比较低。并且，MOS管本身可以比轴向二极管耐受更大电流。

综上所述,与传统二极管以及肖特基二极管相比,使用内置MOS旁路技术为核心的智能模块，拥有更大电流承载力，更低的功率损耗（肖特基的1/5~1/6，传统管的1/10），更高的信赖性及使用寿命！



图4 智能模块75℃/10A测试温升曲线图

在日常建站使用中,由于环境变化,光照条件变化,负载变化等外在因素,会造成串联系统组件中,组件端电压波动。当单一组件端电压波动,达到接线盒内所使用二极管的门槛电压（Vf)时,该接线盒就会工作，将该组件旁路掉，从而影响该电池组件正常工作，损失有效发电量。目前建站使用传统接线盒作旁路技术的组件系统，均面临这种非正常能量损失。这也是目前已建电站发电能力，达不到额定发电标准的重要原因。



图5 光伏电站矩阵示意图

如上图所示，当负载电流变化时（充电电流或市网电流波动），组件电流也会发生相应变化。由于电池片匹配问题，会造成组件端电压波动，当波动幅度达到接线盒导通门槛电压时（设为A），A组件就会被短路，从而损失A组件的输出功率。由于A组件被短路，整体输出电压也会降低。在负载功率不变的情况下，输出电流会有进一步变化。即电压持续下降，电流持续上升，直到达到最大发电电流。在串并联系统中，当某串联组串电压下降后，根据并联分流理论，该降压组串将不会再对负载提供电流，从而使该组串能量整体损失！



据相关资料报道，以上状况在大功率光伏发电应用系统中，时有发生，直接损失逾亿美元。美国国家半导体公司实验并给出数据，表明有10%的阴影将导致整个系统损失总电量的50%。

而我司利用自有专利技术的电压监控，配合内置MOS管，能最大限度的减少非正常能量损失，从而变相提高了有效发电总量。

附件：原文引自 《太阳能》2011年第7期 ------智能型光伏组件

目前, 光伏系统的安装服务公司及投资者都希望有关的设备（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年月而退化（一般来说组件的性能会以每年0.5%至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一段时间内的系统损耗。事实上，几乎所有光伏系统都受实际的操作环境影响，以致其组件性能的衰退速度远比估计高，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、以及各种的环境因素如浮云、污垢及碎片等。为了解决系统效率低落的问题以及确保产品能够在瞬息万变的产品市场上脱颖而出，光伏组件生产商都寄望智能集成电路能为他们开辟一条新路。

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以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比较，升级系统的市场发展潜力便显得微不足道。独立的电源管理方案有其不足，例如，要添加连接线路、接地回路、外壳和支架，不但增加了成本，线路设计较复杂，而且安装时间也更长，而且要为新添产品另外提供质保。

越来越多光伏组件的生产商预先将智能电路内置于组件内，使系统可以充分利用智能电路的优点，来提高光伏阵列的整体效率，同时降低了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，让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，平衡的系统总成本更低意味着，安装和设计时间更短，所需的电缆/机架更少，变逆器成本以至光伏系统的分类成本也更低。其实厂商一直要面对来自市场的各种压力，例如，价格方面的压力，新增厂商的竞争压力，而且还要确保自己的产品能够在市场上脱颖而出，因此厂商都纷纷因应市场的需要将集成电路内置于光伏组件内。

智慧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，因此可以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。以灏讯集团（HUBER+SUHNER）为例，这是全球最大的接线盒供应商之一，该公司已成功开发内置美国国家半导体SolarMagic?SM3320芯片组的RADOX?SolarBox NS3 接线盒。内置集成电路的接线盒可以支持更多功能，相比仅内置傍路二极管的接线盒更为优胜。智能接线盒采用无缝衔接的设计，可以轻易装入光伏组件内，以提高光伏组件的性能及发电量。除了灏讯集团之外，市场上还有Shoals Technologies Group、Onamba和QC Solar 等多家智能接线盒生产商，而且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的设计，亦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的盒内，并通过一组接线连到下一个光伏组件。这种设计的优点是可以确保系统有极高的稳定性，因为所需的元器件及连接器极少。部分接线盒则采用双单元的设计，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，其优点是在现场的系统升级或部件更换时比较容易。

由于市场上有多种智能接线盒可供选择，因此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。这个合作计划已取得成果，推出的分布式集成电路可以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，而且这是个极具成本效益的解决方案。美国国家半导体SolarMagic技术的优点是可以提高组件的峰值效率（99.5%），为组件提供了三种操作模式（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。
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努力降价以提高产品的竞争力，但市场对光伏组件的要求越趋严格，例如，要求的更高的发电量及更高的效率，但若要提升性能便须增加生产及研发方面的开支，令本已极微的利润更加微薄。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，太阳能组件生产商便不得不推出拥有独特个性的产品。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，希望可以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这个智能电路解决方案，便可安枕无忧，因为生产的每块光伏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，便可发挥更高的性能。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，以致发电量下跌，但添加的集成电路可以提升组件性能，有助于弥补这方面的损失。
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（US$/W）计，但当光伏系统的单位发电成本接近传统电网的发电成本时，衡量成本的主要标准将会改为每度电多少美元（US$/Wh）计。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，只有这样，他们才可在市场上生存。

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，使安装公司及系统集成商可以节省更多成本，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，例如烟囱及障碍物，这样便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，而且还可为用户提供一个包括各种优质产品的全方位解决方案。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，而且全部安装工程可以一次完成，无需爬上屋顶多次进行安装。由于每一块光伏组件都内置智能电路，使串联组成的的每列组件数可以灵活增减，加上采用的MPPT算法可以缓解组件失配问题，因此智能型光伏系统的总体成本较低，使安装光伏系统的服务公司不但可以获取更大的利润，而且还可藉着提高系统的发电量，使他们的客户也可从中受惠。

类似美国国家半导体这类公司都不断研发新技术，致力于为系统的性能及稳定性创立新的技术标准，以确保更多业者会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太阳能光伏组件一致的25年维修保证，这是众所周知的业界共识。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，而且所经营的业务具有极高的盈利能力，因此有足够的实力可以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脆弱环节。但经过多年来的发展，这种技术现已发展成熟，系统的质量与可靠性都获得保证，因为厂商都为其产品提供免费的维护，令智能电路渐受市场欢迎。
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，他们的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，以便减低电费支出，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，便可放心相信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，系统一经安装之后其性能及效率可以在随后的25年内保持不变，但在很多情况下, 直到保修期已过了一半，他们才意料地发觉实际的表现与原先的估计有出入，。造成这个现象的原因很多，例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都是引致性能下跌的原因。

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。用户可以放心安装这类智能型光伏系统，因为系统能提高发电量，而且将kWh计的单位发电成本降到最低。

尚德、Canadian Solar 和GESOLAR 等公司正在开发的智能型光伏组件可以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，这些都是光伏组件厂商不断努力完成的目标。预计2011年第一季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。