IEA報告還強調了分布式光伏發(fā)電系統的重要性，因為消費者，商業(yè)建筑和工業(yè)設施開(kāi)始生產(chǎn)自己的電力。它預測，到2024年，分布式光伏發(fā)電總容量將翻一番以上，超過(guò)500GW。這意味著(zhù)分布式光伏發(fā)電將占太陽(yáng)能光伏總增長(cháng)的近一半。

 

圖2. 2007 – 2024年分布式光伏產(chǎn)能增長(cháng)情況

 

光伏的優(yōu)勢

 

為什么太陽(yáng)能光伏發(fā)電在可再生能源容量的增長(cháng)如此重要？一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能非常容易直接利用，尤其是偏遠地區或離網(wǎng)區域。另一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能很多，根據計算，海平面上，每平方米每天可產(chǎn)生1kW電力，如果考慮諸如日/夜周期，入射角，季節性等因素，每天每平方米或可以產(chǎn)生6kWh電量。

 

太陽(yáng)能發(fā)電利用光電效應將入射光轉化為電能。光子被半導體材料（例如摻雜的硅）吸收，它們的能量將電子激發(fā)出其分子或原子軌道。然后，這些電子可將其多余的能量作為熱量散失并返回其軌道，或者傳播到電極并形成電流。

 

與所有能量轉換過(guò)程一樣，并非所有輸入太陽(yáng)能電池的能量都以首選的電形式輸出。實(shí)際上，多年來(lái)，單晶硅太陽(yáng)能電池的效率一直徘徊在20％至25％之間。但是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的機會(huì )是如此巨大，以至于數十年來(lái)，研究團隊一直在努力使用日益復雜的結構和材料來(lái)提高電池轉換效率，如NREL的這張圖所示。

 

圖3. 1976年至2020年全球研究太陽(yáng)能電池的轉換效率的進(jìn)展（NREL）（此圖由美國科羅拉多州國家可再生能源實(shí)驗室提供）

 

通常，以使用多種不同材料和更復雜，更昂貴的制造技術(shù)為代價(jià)來(lái)實(shí)現所示的更高效率。

 

許多太陽(yáng)能光伏設備依靠各種形式的多晶硅或硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵的薄膜，轉換效率在20％至30％的范圍內。單元內置在模塊中，這些模塊是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的基本單元。

 

效率挑戰

 

20%-30%是理想狀態(tài)，實(shí)際上轉換效率可能會(huì )因各種原因而降低轉換效率：降雨，積雪和灰塵沉積，材料老化以及環(huán)境變化，例如由于植被的生長(cháng)或新建筑物的安裝而增加陰影。

 

因此，實(shí)際的現實(shí)是，盡管太陽(yáng)能是免費的，但利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能需要仔細優(yōu)化，包括轉換，存儲等每個(gè)階段。提高效率的最大技術(shù)之一是逆變器的設計，該逆變器將太陽(yáng)能電池陣列（或其電池存儲）的直流輸出轉換為交流電流，以便直接消耗或通過(guò)電網(wǎng)傳輸。

 

逆變器通過(guò)切換直流輸入電流的極性來(lái)工作，使其接近交流輸出。開(kāi)關(guān)頻率越高，轉換效率越高。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)即可產(chǎn)生方波輸出，可以驅動(dòng)負載，但是諧波會(huì )損失更多的電流。因此，逆變器需要平衡開(kāi)關(guān)頻率以提高效率、工作電壓和功率容量，此外還需要針對最小化方波的輔助組件成本之間的進(jìn)行平衡。

 

SiC的優(yōu)勢

 

碳化硅（SiC）在太陽(yáng)能發(fā)電應用中比硅具有多種優(yōu)勢，其擊穿電壓是傳統硅的十倍以上， SiC器件還具有比硅更低的導通電阻，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(zhù)SiC器件可以在比硅等效器件更高的電壓，頻率和電流下切換，同時(shí)更有效地管理散熱。

 

MOSFET在開(kāi)關(guān)應用中受到青睞，因為它們是單極器件，這意味著(zhù)它們不使用少數載流子。既使用多數載流子又使用少數載流子的硅雙極型器件（IGBT）可以在比硅MOSFET高的電壓下工作，但是由于它們在切換時(shí)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(kāi)關(guān)速度變慢。

 

硅MOSFET廣泛用于高達300V的開(kāi)關(guān)應用中，高于該電壓時(shí)，器件的導通電阻上升，設計者不得不轉向較慢的雙極器件。 SiC的高擊穿電壓意味著(zhù)它可以用來(lái)制造比硅中可能的電壓高得多的MOSFET，同時(shí)保留了低壓硅器件的快速開(kāi)關(guān)速度優(yōu)勢。開(kāi)關(guān)性能也相對獨立于溫度，從而在系統升溫時(shí)實(shí)現穩定的性能。

 

由于功率轉換效率與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)，因此，SiC既可以處理比硅更高的電壓，又可以確保高轉換效率所需的超高轉換頻率，因此實(shí)現了雙贏(yíng)。

 

SiC的導熱系數也是硅的三倍，可以在更高的溫度下運行。硅在175℃左右就無(wú)法正常運行，甚至在200攝氏度時(shí)直接會(huì )變成導體。而SiC直到1000℃左右才發(fā)生這種情況?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式利用SiC的熱特性。首先，它可以用于制造功率轉換器，而該轉換器所需的冷卻系統要少于等效的硅系統。另外，SiC在較高溫度下的穩定運行可用于空間非常寶貴的情況下制造密集的電源轉換系統，例如車(chē)輛和蜂窩基站。

 

這些優(yōu)勢在太陽(yáng)能轉換效率更高的功率升壓電路中發(fā)揮了重要作用。該電路設計為使太陽(yáng)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(shí)現最佳的轉換。

 

圖4：引入SiC器件以提高太陽(yáng)能升壓電路的效率（ON Semiconductor）

 

最左圖顯示了成本最低的方法，該方法使用硅二極管和MOSFET。如中圖所示，第一個(gè)優(yōu)化方案是用SiC版本取代硅二極管，這將提高電路的功率密度和轉換效率，從而降低系統成本。如右圖所示，也可以用SiC等效替代硅MOSFET，這為設計人員提供了更多的開(kāi)關(guān)頻率選擇，從而進(jìn)一步提高了電路的轉換效率和功率密度。

 

采用熟悉的TO220和TO247封裝的安森美半導體SiC肖特基二極管，額定電壓和電流高達1200V和20A。它還為模塊制造商提供裸芯片，額定電壓和電流高達1200V和50A。

 

還有許多采用熟悉的D2PAK和TO247格式的1200V SiC MOSFET，典型RDSon低至20mW。

 

該公司還銷(xiāo)售混合模塊，該模塊將硅IGBT和SiC二極管結合在一起，例如功率集成模塊（PIM）。它具有雙升壓特性，包括了兩個(gè)40A / 1200V IGBT，兩個(gè)15A / 1200V SiC二極管和兩個(gè)用于IGBT的25A / 1600V反并聯(lián)二極管。另外兩個(gè)25A / 1600V旁路整流器可限制浪涌電流，并且該模塊還帶有熱敏電阻保護。

 

對于那些想要在太陽(yáng)能光伏裝置中利用SiC的人，安森美半導體還開(kāi)發(fā)了一系列兩通道或三通道的SiC升壓模塊，用于太陽(yáng)能逆變器。

 

SiC功率器件比硅替代品具有許多優(yōu)勢，包括其切換高壓的能力以及高速，低損耗和良好熱性能的電流。盡管目前它們在同類(lèi)基礎上可能比硅產(chǎn)品更貴（如果可以使用硅替代產(chǎn)品），但它們在系統內的良好性能可以帶來(lái)總成本的節省，例如散熱成本，面積成本等。然后是效率問(wèn)題，如果部署SiC可以提高2%的效率，那將產(chǎn)生額外的10GW電能。