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碳化硅(SiC)如何賦能更高能效的分布式太陽能發電

时间:2021-03-16     【转载】

SiC的一些優勢在功率升壓電路中發揮了作用,它使太陽能轉換的效率更高。本文主要談到一種電路設計,用于使太陽能電池陣列的輸出阻抗(隨入射光的水平而變化)與逆變器所需的輸入阻抗相匹配,以實現最高效的轉換。

消費者、各行業和政府都在采取措施增加對可再生能源的利用。 這正在推動發電和配電系統從以集中式的輪輻式為主的架構,重塑為更網格化的本地化發電和用電,通過智能電網互連來平穩供需。

根據國際能源署(IEA) 2019年10月的燃料報告,到2024年,可再生能源發電量將增長50%。這意味著全球可再生能源發電量將增加1200 GW,相當于美國目前的裝機容量。 該報告預測,可再生能源發電量其中增長的60%將采用太陽能光伏(PV)設備的形式。

圖1. 2019-2024可再生能源發電量增長(按技術分類)

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該報告還強調了分布式光伏發電系統的重要性,因為消費者、商業建筑和工業設施開始自行發電。 它預測,到2024年,分布式光伏發電量將翻一番以上,超過500 GW。 這意味著分布式光伏發電將占太陽能光伏發電增長總量的近一半。

圖2. 2007-2024分布式光伏(PV)發電量增長(按細分市場分類)

太陽能優勢

為何在可再生能源發電量的增長中,太陽能光伏發電占如此領先的地位? 一個明顯的原因是太陽光照在我們所有人身上,因此它的能量被大量廣泛應用。 這使發電量更接近耗電量,將電力輸送到離網點,這點對于減少配電損耗特別有用。

另一個明顯的原因是有大量的太陽能。 計算地球從太陽接收多少能量有許多細微差別,一條經驗法則是,晴天時在海平面為平均每平方米1 kW,或當考慮日/夜周期、入射角、季節性等因素,平均為每天每平方米6 kWh。

太陽能電池利用光電效應將入射光以光子流的形式轉化為電能。光子被摻雜的硅等半導體材料吸收,它們的能量將電子從其分子或原子軌道激發出來。然后,這些電子可自由地將多余的能量耗散為熱量并返回其軌道,或者傳播到電極并成為電流的一部分,以抵消其在電極上產生的電勢差。

與所有能量轉換過程一樣,并非所有輸入到太陽能電池的能量都以首選的電能形式輸出。實際上,多年來,單晶硅太陽能電池的能效一直徘徊在20%至25%之間。但是,太陽能光伏的機會如此大,以至于研究團隊幾十年來一直致力于使用日益復雜的結構和材料來提高電池轉換效率,如NREL的這張圖所示。

圖3. 全球太陽能電池最佳轉換效率– 1976年至2020年(NREL) (來源:美國科羅拉多州戈爾登的國家可再生能源實驗室)

要實現所示的更高能效,通常以使用多種不同材料和更復雜、更昂貴的制造技術為代價。

許多太陽能光伏設備基于各種形式的晶體硅或硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵的薄膜,其轉換效率在20%至30%。電池內置在模塊中,安裝人員可使用這些模塊為基本單元,構建太陽能光伏發電系統。

能效挑戰

光伏轉換把入射到地球每平方米表面上千瓦的太陽能轉換為200 W至300 W的電能。 當然,這是在理想條件下。但是可能會因以下原因轉換效率會降低:雨、雪和灰塵沉積在電池表面、半導體材料的老化的影響,以及由于如植被的生長或新建筑物的建造等環境變化而增加的被遮擋的陰影。

因此,現實是,盡管太陽能是免費的,但利用太陽能產生有用的電能,需要仔細優化采集、存儲和最終轉換為電能的每個階段。 提高能效的最大機會之一是逆變器的設計,它將太陽能電池陣列 (或其電池存儲) 的直流輸出轉換為交流電流,以便直接使用或通過電網傳輸。

逆變器改變直流輸入電流的極性,使其接近交流輸出。開關頻率越高,轉換效率越高。簡單的開關可產生方波輸出,可以驅動電阻負載,但具有諧波,它會損壞由純正弦波AC供電的更復雜的電子設備。因此,逆變器設計成為一個平衡的關鍵,

一方面增加開關頻率以提高能效、工作電壓和發電量,另一方面將平滑方波所用的輔助元器件的成本降至最低。

SiC的優勢

碳化硅(SiC)因帶隙寬,在太陽能管理中比硅具有多種材料優勢,導熱率幾乎是硅的3倍。這意味著SiC器件承受的擊穿電場幾乎是硅的10倍,從而使SiC器件與類似結構的硅相比,能夠在高得多的電壓下高效地工作。 SiC器件還具有比硅低得多的導通電阻、柵極電荷和反向恢復電荷特性,以及更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件與硅同等器件相比,可以以更高的電壓、頻率和電流來開關,同時更高效地管理熱量累積。

SiC用來制造不宜用硅制造的器件。 MOSFET在開關應用中受到青睞,因為它們是單極器件,這意味著它們不使用少數載流子。硅雙極型器件既使用多數載流子又使用少數載流子,可以在比硅MOSFET更高的電壓下工作,但由于它們在開關時需要等待電子和空穴重新結合以及耗散重組能量,因此其開關速度變慢。

硅MOSFET廣泛用于高達約300 V的開關應用中,高于該電壓時,器件的導通電阻上升的程度使設計人員不得不轉向速度較慢的雙極器件。 SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來制造比硅更高電壓的MOSFET,同時保留了低壓硅器件的快速開關優勢。開關性能也相對不受溫度影響,從而在系統升溫時實現穩定的性能。

由于功率轉換效率與開關頻率直接相關,因此,SiC既能比硅處理更高的電壓,又能確保高轉換效率所需的高速開關。

SiC的導熱系數是硅的三倍,因此可以在更高的溫度下工作。 硅在175°C左右不再充當半導體,在200°C左右成為導體,而SiC直到達到1000°C時才會變成導體。 SiC的熱特性優勢可用于兩方面。 首先,它可用于制造比等效硅系統需要更少冷卻的功率轉換器。另外,SiC在較高溫度下的穩定運行可用于制造極高密度的電源轉換系統,適于空間非常寶貴的應用,如車輛和蜂窩基站。

圖4:引入SiC器件以提高太陽能升壓電路的轉換效率 (安森美半導體)

我們可看到SiC這些優勢在功率升壓電路中發揮了作用,它使太陽能轉換的效率更高。

該電路設計用于使太陽能電池陣列的輸出阻抗(隨入射光的水平而變化)與逆變器所需的輸入阻抗相匹配,以實現最高效的轉換。

最左圖顯示了成本最低的方法,使用硅二極管和MOSFET。第一個優化方案如中圖所示,是用SiC二極管取代硅二極管,這將提高電路的功率密度和轉換效率,從而降低系統成本。也可以用SiC等效替代硅MOSFET,如右圖所示,這為設計人員提供更多的開關頻率選擇,從而進一步提高了電路的轉換效率和功率密度。

針對想要在太陽能光伏設備中利用SiC的需求,安森美半導體還開發了一系列兩通道或三通道的SiC升壓模塊,用于太陽能逆變器。

SiC功率器件具有比硅器件更勝一籌,包括它們能夠高速切換高壓和電流,具有損耗低,熱性能好。 盡管目前它們可能比等效硅產品更昂貴(如果可以使用硅替代產品),但它們的系統級性能可以節省成本,使冷卻的復雜性得以優化。 還有一個關于轉換效率的預估:如果部署SiC可提高所有分布式太陽能光伏系統的功率轉換效率,IEA預計到2024年就算僅安裝2%,也將多產生驚人的10 GW發電量。

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