设计太阳能转换系统时需要考虑哪些因素

太阳能电池板的能量输出取决于几个因素，包括面板类型，太阳跟踪能力，位置，一年中的时间和一天中的时间（输出在一夜之间降至零）。太阳能电池的最大能力随时间而变化，输出通常基于若干因素而降低。对于努力充分利用太阳能电池板产品的设计工程师而言，重要的是要考虑确定太阳能电池功率输出的物流因素以及可以采取哪些措施来最大限度地提取能量。

并非地球上的每个地点都足够幸运全年都有长时间强烈的阳光照射。但内华达州是美国最着名的持续日照地点之一，可能是最可靠的。也许这就是为什么美国空军（美国空军）选择内利斯空军作为其最大的光伏装置的地点。 Nellis于2006年竣工，是世界上最大的光伏装置，最大输出功率为14兆瓦。但峰值或最大输出规格仅提供最佳情况。即使在内华达州，太阳的强度也会发生变化，无论位置如何，太阳能电池的潜在输出功率都会发生变化。为了正确看待这一点，请比较两个美国地区的太阳能输入参数非常不同的典型输出。拉斯维加斯在美国主要城市名单中排名第一，在210天内完成了3，825小时的太阳。最下端是纽约州布法罗市，仅有54天晴天，总共有2，207小时的太阳。使用国家可再生能源实验室（NREL）提供的数据，图1显示了应用降额因数的4 kW装置的预期月功率输出。注意位置之间的差异。即使在夏季最长的日子里，布法罗（以及许多其他东北地区）的光伏装置也只能实现略低于80％的功率输出，而内华达州的类似4千瓦装置。

图1：比较12个月内纽约布法罗和内华达州拉斯维加斯的4千瓦太阳能装置的预期功率输出。

太阳能输入是确定太阳能转换系统的能量收集潜力的起点。当然，在我们进行能源转换链时，还有许多其他因素需要考虑。

在创建安装光伏电站的商业计划时，位置通常不是变量。然而，预期的位置和太阳能输入将决定光伏系统的经济性。

光伏能源转换材料并非都是平等的。市售太阳能电池板具有广泛的电池效率。由于制造各种材料的成本可能非常不同，因此潜在产出的每峰值瓦特的价格也包括在很宽的范围内。

当将太阳的光子转换成电子时，效率只是一个性能指标。对于期望大多数明亮，晴朗的地区，简单的效率数字应该是主要关注点。在多云的地方，决策可能会变得更加复杂。

某些细胞类型相对于最大输出提供更高的性能，而某些地区普遍存在较弱的漫射光。例如，已知诸如Sanyo a-Si电池的非晶硅电池捕获更宽范围的入射光并且在这些环境中工作良好。

还有串联或多结电池，它们将非晶硅与多晶吸收层堆叠在一起，进一步加宽光子网。

由地理位置和细胞类型引起的电力输出变化非常明显。但还有其他因素。也许一天中的时间是显而易见的，因为在每个24小时周期的很大一部分中输出将降至零。但是时间不是二元因子，如预测输出功率的示例图所示。这些图表使用国家可再生能源实验室（NREL）PVWatts应用程序，使用“气象典型”太阳入射数据预测太阳能电池板输出功率。输出计算假设阵列的固定倾斜角度与4kW峰值输出阵列的位置纬度匹配，并且DC-AC降额因子为0.77。

看一整天的变化（图2），可以清楚地看到，在“光线充足”的白天，当可以预期显着的功率输出时，仍然存在很大的变化。虽然布法罗和拉斯维加斯的每小时预期功率输出图表显示了地理对电力的影响，但从设计角度来看，重点应放在预期在固定位置遇到的变化。

图2：6月20日“典型”的4千瓦安装的每小时能量输出，比较布法罗和拉斯维加斯。

存在用于全天跟踪太阳以减少每小时变化的系统，但这些系统复杂且昂贵。通常，它们在有限的使用情况下在经济上是可行的。即使系统设计者接受增加多轴倾斜和跟踪能力的成本，功率输出波动肯定仍然是充电控制电子设备应该处理的问题，以最大化从面板的能量提取。

除了电力输出的日常和季节性变化之外，太阳能电池在一生中经历长期退化。根据电池中特定的光伏材料，有几种物理机制归因于此，但设计人员应考虑太阳能电池板在数十年的使用中将经历的强光，加热和冷却循环以及其他环境因素。

许多系统应用包括在太阳能过剩（白天）期间存储电力的电池，以供在赤字期（夜间）使用。对于任何太阳能电池随时间输出功率的不可避免的变化，太阳能转换系统的关键部件将是充电控制电子设备。最简单的系统将需要阻塞二极管，以便在面板输出降至零时防止电池放电。但是，有许多更复杂的解决方案可用于在输出的细微变化上提高系统性能。

这类智能功率控制IC称为最大功率点跟踪（MPPT）。美国国家半导体SolarMagic TM 产品线一直是Photon International进行功率优化研究的重点。在确定各种真实阴影场景对面板输出的影响的测试中，SolarMagic功率优化器能够提供显着的性能优势，恢复高达71％的损失产量。

SolarMagic SM3320-RF-EV射频评估和开发套件集成了功率优化器和低成本2.4 GHz无线电，为光伏系统增加了远程关闭功能。在安装，维护或紧急情况下，可以使用此功能来断开光伏系统的电源。

充电控制系统MPPT IC需要一些额外的电子设备。例如，National Semiconductor SM72442 MPPT的参考设计（图3）建议使用栅极驱动器来驱动太阳能电池板和负载之间的一对FET。建议使用SM72482E。

图3：美国国家半导体SolarMagic最大功率点跟踪的参考设计。

太阳能是一种丰富的可再生能源清洁电力来源。但在设计完整的太阳能转换系统时，应考虑几个因素。太阳并不总是闪耀，即使它是，它的可用功率也会有很大差异。如果使用专门设计太阳能的组件将某些变化考虑在设计中，可以实现太阳能装置的最大性能。