由太陽能十項全能競賽談電力電子行業在新能源建筑中的發展機遇

孫浩明

（同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804）

1 引言

電力電子技術最初主要應用于電氣工程和電力系統中，對市電或強電進行控制與變換。其主要作用是根據負荷或者負載的特殊要求，對市電、強電進行各種形式的變化，從而使電力系統處于最佳的運行狀態，這樣可以使電氣設備和電力系統更高效、更安全、更經濟的運行。

然而，電力電子技術發展到今天，已經不僅僅只是涉及到“電力”的變換與應用，同時也涉及到化學能（電池）、太陽能以及風能的變換與應用。近年來許多國家與政府越來越多的關注新能源的發展，這更加促進了電力電子技術發展的勢頭，使其在科學研究與經濟發展中起到了越來越重要的作用。

目前，當人們談到新能源的時候最先被人們想到的就是太陽能。太陽能由于其照射覆蓋面積廣、持續性等特點，較之水能、潮汐能等更被人們所熟悉。每當說到太陽能，人們就會想到太陽能發電、太陽能建筑等。電力電子技術的發展是使太陽能發電、太陽能建筑變為現實的至關重要的技術。

2 太陽能建筑中的電力電子

隨著電力電子技術的發展，直流轉換交流的逆變裝置體積越來越小，價錢越來越便宜，使得光伏系統走進了千千萬萬家庭。光伏系統將太陽能轉換為電能，如果所產生的電能在能滿足自身房屋用電的情況下還存在多余的電能，就能通過并網將多余的電能又回饋給電網，這恰好也符合可持續發展的科學理念。

在一個太陽能建筑物中，房頂上的太陽能裝置到底怎么樣才能夠算是優秀呢？最關鍵的問題取決于你的光電池可以轉換輸出多少能量。如何提高光伏系統的效率、逆變器的效率，如何產出更多的電能，成為國內外很多科研機構、學術人員、相關產業爭相研究的內容。更優秀的控制算法，更有效率的拓撲結構，損耗更小的電力電子器件等，是現如今能提高效率的最有效手段。

3 太陽能十項全能競賽

太陽能十項全能競賽（Solar Decathlon）是由美國能源部（DOE）2002年發起并主辦的以全球高校為參賽單位的太陽能建筑科技競賽。該競賽要求每所參賽大學設計并實際建造一棟建筑面積不超過74m2的太陽能住宅，每屆競賽從入選到最后的現場競賽階段為期兩年，競賽的最后一個環節是將參賽的住宅運到比賽現場，用大約十天左右的時間將太陽能住宅組裝建造完成，之后的十天參賽并向公眾展示。期間，太陽能作為唯一能量來源提供住宅的所有運行和生活能量。

在太陽能十項全能競賽中，要求的指標是指建筑、太陽能、舒適、社會及經濟、策略五大項中的十個單項指標，即：建筑、工程與建造、太陽能系統、能量平衡、舒適條件、家用電器與設施、交流與公眾意識、工業化與市場化、創新性、可持續性。

在這項比賽中，很多先進的技術被融入到設計中，所以此項比賽在國際范圍內受到非常高的重視。Teragreng公司負責運營的副總裁湯姆·古德漢姆就對此比賽非常欣賞，“利用這些新產品真正建造一棟房子的好處在于，它能讓人明白這東西不僅僅是一個概念設計，而是一種已經準備好投入實際應用的材料，它能夠被整合到現有的設計中去。”

在太陽能十項全能競賽中，光伏系統的效率是一個很重要的環節。從圖1所示參賽隊伍光伏系統所能產生的直流電能比率中我們可以看出不同的住房差異性還是很大。雖然很多技術與控制算法已經比較成熟，但是實際產生的差異相當的大。我們可以看到最好的參賽隊伍能夠產生近17kW電能，這個幾乎超過了一棟普通房子日常需求的兩倍，也就是說，一棟普通的民宅可以變成一個小發電站，而最差的隊伍不僅將所生產的電能全部消耗掉而且還額外從電網中獲取了大量的電能。

圖1 光伏系統產生直流電能比率及凈產能

4 電力電子技術在并網與不間斷電源中的發展

并網技術就是把光伏方陣在陽光下發生的直流電轉換為符合入網標準的交流電與電網連接，當新能源建筑自身產生的能量大于自身消耗的能量時，可以把多余的電量回饋給電網，這樣既能形成零能耗又能產能，真正實現了節能型建筑。

UPS（即不間斷電源）是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓后供應給負載使用。這個時候的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時它還可以向機內電池充電；而當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將機內電池的電能。通過逆變轉換的方法向負載繼續供應 220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

一天當中能被太陽照射到的時候平均只有十多小時，白天日照強除了能將多余的電能回饋電網以外還可以給不間斷電源充電，而當黑夜降臨的時候不間斷電源在給住房供電。電力電子技術使得這種方案變成可能。在太陽能十項全能比賽中可以看到很多高校都是采用這種控制策略，并且取得了很好的效果。

5 電力電子在家用電器中的發展

當人們在享受現代化工業制成品的同時，也在享受著電力電子技術帶來的恩惠。家用電器是住房中必不可少的構成。家用電器中應用到電力電子技術的典型例子有變頻空調，通常能夠節省 30%的電能，還有高頻熒光燈，其效率比白熾燈效率高 2～3倍。隨著電力電子技術的發展，電視機、音響設備、家用計算機等電子設備的電源部分，甚至有些洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也開始應用電力電子技術了。并且，電力電子技術會使家用電器越來越向自動化、智能化發展，使人們有更多的時間享受生活。

在2010年的太陽能十項全能比賽中，多所國外高校的作品的設計都十分現代化，尤其是美國佛羅里達大學所設計的住房自動化智能化水平非常高。反觀我國參賽高校在這方面，暴露出了明顯的差距。圖2所示為佛羅里達大學房屋智能控制結構。

圖2 佛羅里達大學智能住房控制系統

6 電力電子器件產業的發展

目前，我國在全控型電力電子器件的設計與制造方面跟國外一些先進技術還存在較大的差距。國內晶閘管技術還不錯，但是到了制作MOSFET跟IGBT等器件就做不好了，相當一部分的電力電子裝置都依賴于進口，至少是進口芯片以后再在國內封裝。

太陽能十項全能比賽僅在 2010年才開始有我國高校參加，雖然作為第一次參賽取得的成績還不算太差，但是與國外高校參賽作品還存在較大差距，其原因之一就是國內很多工藝不及國外。國外高校采用的電力電子器件損耗小，從而能夠使太陽能轉換效率更高，而國內參賽隊伍要購買進口器件成本大，購買周期長，還存在著不一定買得到的可能，這些往往都限制了參賽作品的發揮。

如今工信部十分重視解決電力電子器件的產業問題，很多在國外從事相關制造業的人才相繼回國創業。相信通過市場運作，能夠讓電力電子企業和微電子企業攜手創立新型的電力電子器件的生產企業，從而解決“生產”這一電力電子產業鏈的瓶頸。

7 結論

電力電子技術是當今高新技術系統中不可或缺的關鍵支撐技術，其應用領域幾乎涉及到國民經濟發展的各個工業部門。并且，電力電子的應用領域也是學科交叉最為廣闊、是當前國際競爭最為激烈的領域。電力電子技術雖然在世界范圍內已經有超過半個多世紀的發展歷史，但是在電氣工程這個領域中，它仍然可以認為是一門新興的學科，發展十分迅速，尤其是在我國應該說電力電子技術的發展方興未艾。相信在未來的數年內，電力電子技術在新能源，尤其是在新能源建筑這個領域中，會起到越來越重要的作用。

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