碳化硅(SiC)如何賦能更高能效的分布式太陽能發(fā)電

消費(fèi)者、各行業(yè)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(fā)電和配電系統(tǒng)從以集中式的輪輻式為主的架構(gòu)，重塑為更網(wǎng)格化的本地化發(fā)電和用電，通過智能電網(wǎng)互連來平穩(wěn)供需。

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

圖1. 2019-2024可再生能源發(fā)電量增長（按技術(shù)分類）

該報告還強(qiáng)調(diào)了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要性，因?yàn)橄�費(fèi)者、商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施開始自行發(fā)電。 它預(yù)測，到2024年，分布式光伏發(fā)電量將翻一番以上，超過500 GW。 這意味著分布式光伏發(fā)電將占太陽能光伏發(fā)電增長總量的近一半。

圖2. 2007-2024分布式光伏(PV)發(fā)電量增長（按細(xì)分市場分類）

太陽能優(yōu)勢

為何在可再生能源發(fā)電量的增長中，太陽能光伏發(fā)電占如此領(lǐng)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(yīng)用。 這使發(fā)電量更接近耗電量，將電力輸送到離網(wǎng)點(diǎn)，這點(diǎn)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(xì)微差別，一條經(jīng)驗(yàn)法則是，晴天時在海平面為平均每平方米1 kW，或當(dāng)考慮日/夜周期、入射角、季節(jié)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(yīng)將入射光以光子流的形式轉(zhuǎn)化為電能。光子被摻雜的硅等半導(dǎo)體材料吸收，它們的能量將電子從其分子或原子軌道激發(fā)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(chǎn)生的電勢差。

與所有能量轉(zhuǎn)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(shí)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(jī)會如此大，以至于研究團(tuán)隊幾十年來一直致力于使用日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材料來提高電池轉(zhuǎn)換效率，如NREL的這張圖所示。

圖3. 全球太陽能電池最佳轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)室)

要實(shí)現(xiàn)所示的更高能效，通常以使用多種不同材料和更復(fù)雜、更昂貴的制造技術(shù)為代價。

許多太陽能光伏設(shè)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(zhuǎn)換效率在20%至30%。電池內(nèi)置在模塊中，安裝人員可使用這些模塊為基本單元，構(gòu)建太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

能效挑戰(zhàn)

光伏轉(zhuǎn)換把入射到地球每平方米表面上千瓦的太陽能轉(zhuǎn)換為200 W至300 W的電能。 當(dāng)然，這是在理想條件下。但是可能會因以下原因轉(zhuǎn)換效率會降低：雨、雪和灰塵沉積在電池表面、半導(dǎo)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(huán)境變化而增加的被遮擋的陰影。

因此，現(xiàn)實(shí)是，盡管太陽能是免費(fèi)的，但利用太陽能產(chǎn)生有用的電能，需要仔細(xì)優(yōu)化采集、存儲和最終轉(zhuǎn)換為電能的每個階段。 提高能效的最大機(jī)會之一是逆變器的設(shè)計，它將太陽能電池陣列 (或其電池存儲) 的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電流，以便直接使用或通過電網(wǎng)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(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換效率越高。簡單的開關(guān)可產(chǎn)生方波輸出，可以驅(qū)動電阻負(fù)載，但具有諧波，它會損壞由純正弦波AC供電的更復(fù)雜的電子設(shè)備。因此，逆變器設(shè)計成為一個平衡的關(guān)鍵，

一方面增加開關(guān)頻率以提高能效、工作電壓和發(fā)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(yōu)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(yōu)勢，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)通電阻、柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，以及更高的熱導(dǎo)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(guān)，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(guān)應(yīng)用中受到青睞，因?yàn)樗鼈兪菃螛O器件，這意味著它們不使用少數(shù)載流子。硅雙極型器件既使用多數(shù)載流子又使用少數(shù)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(guān)時需要等待電子和空穴重新結(jié)合以及耗散重組能量，因此其開關(guān)速度變慢。

硅MOSFET廣泛用于高達(dá)約300 V的開關(guān)應(yīng)用中，高于該電壓時，器件的導(dǎo)通電阻上升的程度使設(shè)計人員不得不轉(zhuǎn)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(guān)優(yōu)勢。開關(guān)性能也相對不受溫度影響，從而在系統(tǒng)升溫時實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

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

SiC的導(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)半導(dǎo)體，在200°C左右成為導(dǎo)體，而SiC直到達(dá)到1000°C時才會變成導(dǎo)體。 SiC的熱特性優(yōu)勢可用于兩方面。 首先，它可用于制造比等效硅系統(tǒng)需要更少冷卻的功率轉(zhuǎn)換器。另外，SiC在較高溫度下的穩(wěn)定運(yùn)行可用于制造極高密度的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，適于空間非常寶貴的應(yīng)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(zhuǎn)換效率 (安森美半導(dǎo)體)

我們可看到SiC這些優(yōu)勢在功率升壓電路中發(fā)揮了作用，它使太陽能轉(zhuǎn)換的效率更高。

該電路設(shè)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(shí)現(xiàn)最高效的轉(zhuǎn)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(yōu)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(zhuǎn)換效率，從而降低系統(tǒng)成本。也可以用SiC等效替代硅MOSFET，如右圖所示，這為設(shè)計人員提供更多的開關(guān)頻率選擇，從而進(jìn)一步提高了電路的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。

針對想要在太陽能光伏設(shè)備中利用SiC的需求，安森美半導(dǎo)體還開發(fā)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(chǎn)品更昂貴（如果可以使用硅替代產(chǎn)品），但它們的系統(tǒng)級性能可以節(jié)省成本，使冷卻的復(fù)雜性得以優(yōu)化。 還有一個關(guān)于轉(zhuǎn)換效率的預(yù)估：如果部署SiC可提高所有分布式太陽能光伏系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率，IEA預(yù)計到2024年就算僅安裝2%，也將多產(chǎn)生驚人的10 GW發(fā)電量。