可再生能源工作原理半导体应用示例

典型的可再生能源包括太阳能、风能和水力发电。其中，已知风力发电和水力发电分别利用风的动力和流水的动力来转动电动机（发电机）并发电。因此，在不吹风、不流水的情况下就无法发电。老式自行车配备了简单的发电机，当你踩踏板时，发电机可以发电来打开灯。这些自行车产生交流电并在使用交流电的同时照明灯。

不储存电力的太阳能电池

然而，太阳能发电的原理完全不同。过去，它们被称为太阳能电池，直译为太阳能电池，但尽管它们被称为电池，但它们并不储存电力。电池一般包括一次性干电池（一次电池）和可充电蓄电池（二次电池），由于两者都具有储存电力的能力，因此被称为“电池”或“电池”。然而，由于太阳能发电不储存电力，因此可能更适合称为“太阳能电流”。

这是题外话，但是太阳能发电使用半导体pn结，当光照射到它们上时，电流会以所谓的漏电流的形式流动。如图1所示，如果在半导体p-n结的p侧施加正电压，在n侧施加负电压，就会有电流流动（正向电流）；相反，如果向p侧施加负电压，向n侧施加正电压，则不会有电流流动（反向电流）。当光照射到它上面时流动的实际上是反向电流。当 p-n 结未施加电压时，电流通常不会流动。然而，当暴露在光线下时，它会流动。太阳能发电是一种在不施加电压的情况下利用受光时流动的电力的能源。

[图1]当光照射到半导体的pn结时电流流动
创建者：津田健二

尽管它们都是可再生能源，但太阳能产生直流电，而风能和水力产生交流电。如果要在家中使用此电，则必须将其转换为 100V 交流电。而且，交流电的频率不同，日本西部为60Hz（每秒正负交换60次），日本东部为50Hz（也是每秒50次）。这就是为什么太阳能电池板、风车和水轮机产生的电力不能直接用于家用电器。

因此，对于太阳能电池板，必须将直流电压转换为100V 50Hz/60Hz交流电，对于风车和水轮机，必须将产生的交流电压转换为100V 50Hz/60Hz。称为逆变器或功率调节器的设备起着此作用。事实上，这里使用了十多种半导体。当然，如上所述，半导体也被用于太阳能发电。

逆变器的作用是将交流电100V、50Hz/60Hz进行转换

为了了解逆变器中使用了哪种半导体，有必要了解它们的作用和结构。例如，考虑将太阳能电池板的电力转换为 100V 交流电。

在太阳能电池板中，正如[图1]中介绍的那样，在标准硅单晶的情况下，单个半导体pn结电池产生的电压仅为07至08V，因此许多电池串联排列以提高电压。如果100节电池串联，输出电压为70-80V。太阳能电池板通常有数十个电池排列而成，每个电池板可产生约 50V 的输出电压。如果你的屋顶很宽，你可以排列许多这样的面板来增加输出电压并产生更多的电力。

如图2所示，我们使用逆变器将来自太阳能电池板的数百V直流电压变为交流电压，但我们尚未将有效交流电压提高到100V。使用隔离变压器将电压变为100V，但由于发电实际上是发送给电力公司的，因此保持在107V而不是100V。这是因为电流更容易朝电压较低的方向流动。通常情况下，电力从电力公司流向家庭，但这个过程是逆过程，所以称为逆流。此外，电源经过外部商用电源线（互连）必要的控制和保护电路，提高电源质量，然后将电源发送到外部。

[图2]将太阳能产生的直流电转换为交流电的功率调节器的基本配置
来源：太阳能逆变器原理及机理http://hatsudenkakakuinfo/entry60html

许多半导体用于此类控制电路和逆变器。逆变器使用开关功率晶体管将交流电转换为交流电。这种转换根据流过负载线圈的电流方向产生正负交流电。例如，在【图2】的（b）中，当四个晶体管的G1和G4导通时，流过右侧隔离变压器初级线圈的电流从图的底部流向顶部，而当G1和G4关断并且G2和G3导通时，流过线圈的电流从顶部流向底部。换句话说，它执行交流操作。

这是一个简单的操作示例，但通过使用输入电压的脉宽调制 (PWM)，可以创建具有锯齿状波形的正弦曲线。当脉冲宽度较宽时，PWM 可以处理高电压，而当脉冲宽度较窄时，PWM 可以处理低电压，因此正弦波形从 0 到峰值变得锯齿状。稍后可以通过应用滤波器将这种锯齿状波形转换为平滑的正弦曲线。

在此类电子电路中，开关元件G1至G4是功率晶体管，并且半导体也用于向功率晶体管的栅极发送开/关信号的控制电路以及生成和控制PWM脉冲的电路。微控制器和模拟IC需要通过逐渐加宽脉冲宽度来控制脉冲宽度，然后在达到最大宽度后缩小脉冲宽度，并且需要比较器、放大器和滤波器来反馈输出电压。还需要一个电路将输出电压波形控制为有效值107V和频率50Hz/60Hz。

将风能和水能转换为直流电

风力发电和水力发电是利用外力来转动电动机（发电机），所以它们一开始就是交流电，但是产生的电压很高，在600V到690V左右，而不是100V。另外，由于转速随风的强度而变化，电压和频率也会变化，因此需要将输出转换为恒定的107V 50Hz/60Hz。而且，不允许有大的频率偏差。据东京电力公司称^{参考资料1}，客户联系我们询问与 50Hz 频率有 02Hz (04%) 的偏差。它还指出，如果频率波动达到百分之几，发电机将不得不关闭。

在风力和水力发电中，风车和水车旋转产生的电力首先被转换为直流电，以便将其转换为50Hz/60Hz的频率。这是因为，即使发电机侧的频率有一定程度的波动，如果将频率改为直流，也比较容易控制到50Hz/60Hz的转换。日本东部有 3 个变频站将 50Hz 转换为日本西部的 60Hz：佐久间变频站（电力开发）、新信浓变电站（东京电力公司）和东清水变电站（中部电力）。这些变频站将 60Hz 转换为直流电，然后转换为 50Hz 交流电，反之亦然。

风力、水力发电时，将交流电转换为直流电，然后转换为107V、50Hz/60Hz交流电，使用变压器升压，然后送入电网。从直流电到交流电的转换类似于太阳能发电。

智慧城市储能系统

所有这些能源都是基于可再生能源产生的电力返回主电网的前提。因此，107V交流有效电压和抑制50Hz/60Hz频率波动是主要问题，需要逆变器来解决这些问题。然而，随着未来智慧城市概念进入本地生产本地消费的时代，将使用家庭和工厂使用的蓄电池，从而可以原样传输100V交流电压。此时，需要蓄电池的充电控制和电压转换（即DC-DC转换器），但半导体IC和功率半导体也将用于这些领域。

作为智慧城市的开创性范例，2014年10月，国内伊利电力与美国Enphase Energy达成合作伙伴关系，伊利电力同意提供蓄电池。在这里，Enphase Energy提供了一种分布式储能系统，该系统以电池为基础，但使用一般家庭使用的100V交流电压来形成电网。该公司在世界各地提供如图 3 所示的微型逆变器。

[图3]允许您在太阳能电池板和蓄电池组合中添加电池模块的系统
来源：Enphase Energy, Inc

如果您在太阳能电池板上安装微型逆变器，则可以扩展电池板的数量。同时，如果作为电池系统的锂离子电池模块也配备微型逆变器（双向），则增加电池数量将很容易。不仅太阳能电池板和电池系统通过100V商用电源线连接，而且电力消费者也可以直接使用100V商用电源。

新锂离子电池不会着火

如果发电、消费和蓄电变得像一个村庄，就可以通过当地生产和消费来覆盖电力。 Elie Power的大型锂离子电池采用磷酸铁锂作为正极，全球首个获得德国莱茵TÜV安全认证TUV-S标志，即使电池被钉子刺穿，也不会冒烟、起火、爆炸。

Enphase Energy 还于 2018 年 6 月宣布，已开始在澳大利亚和新西兰提供第七代微型逆变器 IQ7 样品^{参考资料2}尽管IQ7重量仅为108千克，体积小至212毫米x 175毫米x 30毫米，但它具有很高的直流到交流转换效率。这个数字是965%。也就是说，将100W的直流电转换为交流电时，可以维持965W的功率。虽然它的尺寸只有 Enphase Energy 之前产品 S 系列的一半，但现在的电力处理能力增加了 23%。这款最新微型逆变器所采用的ASIC半导体采用55纳米制造技术，是自主开发的。

微型逆变器的最大优点是可扩展。如果您想增加太阳能电池板的输出，您可以添加配备此微型逆变器的太阳能电池板。另外，如果您想增加电池容量，只需添加配备双向微型逆变器的电池系统即可。本例使用的接线是商用100V线，可以互连。

小能源是未来的增长市场吗？

可再生能源太阳能电池板不仅安装用于家庭使用，有时也由承包商安装用于大型太阳能发电。尽管上网电价补贴（FIT）制度有助于普及太阳能电池板的使用，但由于它对普通用户的电费增加了补贴，因此遭到了强烈的反对。此外，在全球范围内，太阳能电池板的价格已经变得如此之低，即使取消FIT系统，它也可以成为一项自给自足的业务。事实上，从 2010 年到 2017 年，太阳能发电成本下降了 73%^{参考资料3}，2017年，发电成本为20美分/千瓦时。化石燃料的成本据说为7至17美分/千瓦时，如果这种趋势持续下去，甚至据说到2020年成本将低于化石燃料。其他可再生能源发电的成本为风电6美分/千瓦时，水电5美分/千瓦时。

然而，大规模水力发电需要修建水坝，这会带来砍伐森林、挖池塘、强迫居民搬迁等诸多问题，甚至被认为对环境不利。因此，人们尝试在现有河流上安装小型发电机并利用所产生的能量。

风力发电在巨大的涡轮机转动时会产生很大的噪音。因此，大多数安装在远离人类居住的低山脊上，海上的安装也在进步。但由于海上发电需要额外成本，发电成本将高达15至16美分/千瓦时。

此外，正如小型发电机被用于水力发电一样，小型低噪音涡轮机也开始在城市建筑中用于风力发电。如果水力发电和风力发电等小型发电机普及，逆变器市场将会扩大，内置半导体的数量也会增加。可再生能源领域的半导体市场未来可能会继续扩大。

在该系列的第二部分中，我们将介绍用于可再生能源系统的半导体，在该系列的第三部分中，我们将讨论未来备受期待的智能城市和智能电力控制。

作家

津田健二（津田健二）

国际科技记者和科技分析师。

目前是英语和日语的自由科技记者。

利用他 30 年半导体行业报道经验，他通过博客 (newsandchipscom) 和分析文章为半导体行业提供各种建议。在担任 Semicon Portal (wwwsemiconportalcom) 主编的同时，他还担任 MyNavi 新闻系列“汽车电子”的专栏作家。

After working on the development of semiconductor devices, became a reporter for Nikkei Electronics at Nikkei McGraw-Hill (currently Nikkei BP)此后，他陆续出版了《Nikkei Microdevices》、英文杂志《Nikkei Electronics Asia》、《Electronic Business Japan》、《Design News Japan》、《Semiconductor International Japan Edition》。 2007年6月成为独立国际科技记者。他的出版物包括《半导体大趋势2014-2025》（日经BP社出版）、《如果你不知道就危险了！》半导体，不要放弃这个不断发展的产业》、《欧洲无晶圆厂半导体产业的真相》（均由日刊工业新闻社出版）和《2011年绿色半导体技术和新业务的最新趋势》（由Impress出版）。

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