監(jiān)控是解鎖太陽(yáng)能電池能源生產(chǎn)的關(guān)鍵。通過(guò)使用在太陽(yáng)能環(huán)境不斷變化時(shí)承擔(dān)恒定能量產(chǎn)生的電路架構(gòu)，很容易失去效率。

當(dāng)太陽(yáng)能電池組件升溫或接收更多光時(shí)，電流 - 電壓特性的變化可能是太陽(yáng)能電池陣列效率損失的重要來(lái)源。如果產(chǎn)生電網(wǎng)兼容電力的逆變器沒(méi)有調(diào)到輸出電壓和電流條件，那么它將浪費(fèi)更多的電力。作為回應(yīng)，電子公司生產(chǎn)的IC能夠執(zhí)行優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換所需的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）以及旁路電子設(shè)備，以防止暫時(shí)無(wú)效的模塊破壞活動(dòng)單元的輸出。

在晴朗的日子靠近赤道，來(lái)自太陽(yáng)的能量意味著一平方米的地球表面接收的功率超過(guò)1千瓦。今天的太陽(yáng)能電池可以將大部分能源轉(zhuǎn)化為電能。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試的硅基太陽(yáng)能電池已實(shí)現(xiàn)接近25％的轉(zhuǎn)換效率。然而，這些電池尚未成為生產(chǎn)光伏（PV）面板，即使它們確實(shí)存在其它問(wèn)題，也會(huì)降低整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率。

太陽(yáng)能電池背后的電子控制裝置是利用太陽(yáng)能電池原始效率的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)需要能夠?qū)ψ兓奶鞖鈼l件作出反應(yīng)，以確保PV電池和模塊盡可能接近其峰值運(yùn)行。每個(gè)太陽(yáng)能電池具有特征電流 - 電壓（IV）曲線，其反映其對(duì)溫度和入射光水平的響應(yīng)。

裝在光伏模塊中的電池可能會(huì)在單調(diào)的冬日產(chǎn)生高電壓但電流非常低。隨著光照水平的上升，電壓會(huì)略有下降，但電流會(huì)急劇增加，直至達(dá)到峰值水平。隨著模塊升溫，模塊的輸出電壓將下降，從而降低其整體能量輸出。結(jié)果，即使在強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射期間它們應(yīng)該達(dá)到峰值效率時(shí)，如果電子電路不能補(bǔ)償這一點(diǎn)，PV板也會(huì)遭受轉(zhuǎn)換效率的顯著下降。

高效率的部分秘訣在于使用可最大限度減少熱量產(chǎn)生的組件，從而使輸出電壓保持在較高水平。更重要的是一種考慮到條件變化的架構(gòu)，以確保電池和模塊在當(dāng)前條件下的峰值電位下運(yùn)行。局部著色將顯著降低陰影單元的輸出，對(duì)包含它們的模塊產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，如果不能有效管理，可能會(huì)完成PV安裝或字段。根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測(cè)試，遮陽(yáng)落在太陽(yáng)能裝置面積不到3％的地方可能會(huì)使其輸出效率降低15％以上。如果一個(gè)電池沒(méi)有產(chǎn)生能量，它的電阻會(huì)上升并開(kāi)始消耗其他電池輸入的電流，因?yàn)樗鼈兺ǔ４?lián)連接。結(jié)果是積聚了熱量。這種熱點(diǎn)產(chǎn)生會(huì)隨著時(shí)間的推移損壞電池，并降低整個(gè)太陽(yáng)能電池陣列的輸出能量。

在典型安裝中，PV面板組串聯(lián)連接以形成PV串。每根串并聯(lián)連接到其他串，然后連接到逆變器，逆變器使產(chǎn)生的功率適應(yīng)公共電網(wǎng)的特性。在每個(gè)串內(nèi)，旁路二極管通過(guò)為其他面板產(chǎn)生的電流提供替代路徑來(lái)保護(hù)每個(gè)面板。這些二極管可確保面板保護(hù)和整個(gè)系統(tǒng)功能，以防損壞或遮擋面板。阻斷或截止二極管保護(hù)每個(gè)串免受來(lái)自其他串的電流回流的影響，這是由于串上的電壓較低，通常是由于串的一部分上的陰影引起的。

圖1：使用單個(gè)字符串的基本太陽(yáng)能裝置的架構(gòu)。

旁路二極管應(yīng)具有低正向偏壓降，以允許來(lái)自上游面板的電流在通往逆變器的途中輕松流動(dòng)，從而將能量轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)兼容電力。為了防止熱量積聚和能量損失，非常低的正向壓降是至關(guān)重要的。 LX2400太陽(yáng)能旁路設(shè)備采用Microsemi的CoolRUN技術(shù)來(lái)降低導(dǎo)致正向壓降的電阻，從而最大限度地減少熱量產(chǎn)生。 LU2400在10 A時(shí)的電壓降僅為50 mW，這種高電流的溫升僅為10°C，從而防止生產(chǎn)模塊附近的效率降低熱量增加。

STMicroelectronics還有一個(gè)SPV1001形式的太陽(yáng)能旁路二極管。它是一種系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案，設(shè)計(jì)用于冷卻操作，通過(guò)使用功率MOSFET與電容器結(jié)合工作，提供類(lèi)似于肖特基二極管的旁路整流，但具有較低的壓降和反向漏電流。 MOSFET在其關(guān)斷期間對(duì)電容器充電，然后在其導(dǎo)通期間通過(guò)存儲(chǔ)在電容器中的電荷驅(qū)動(dòng)。延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，以降低漏極和源極端子之間的平均壓降，從而降低功耗。

太陽(yáng)能電池陣列或現(xiàn)場(chǎng)的其余關(guān)鍵部件是逆變器部分，它可以產(chǎn)生與電網(wǎng)兼容的電力。逆變器是復(fù)雜的系統(tǒng)，通常包括三個(gè)功能：DC/DC轉(zhuǎn)換，DC/AC轉(zhuǎn)換和反島控制。

反島控制是一種安全控制，在電網(wǎng)電力故障期間迫使系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開(kāi)，防止逆變器繼續(xù)向電網(wǎng)的小部分或“島”供電。如果島嶼通電，試圖修復(fù)系統(tǒng)的工人將面臨風(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)問(wèn)題是，如果沒(méi)有用于同步的電網(wǎng)信號(hào)，逆變器的功率輸出可能偏離客戶(hù)設(shè)備在島內(nèi)操作的范圍。

逆變器需要調(diào)整到太陽(yáng)能電池陣列所經(jīng)歷的條件，這通常使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用MPPT，逆變器電路可以使用電壓和電流的最佳組合，并為負(fù)載提供必要的電阻，以實(shí)現(xiàn)有效的能量收集。

圖2：通過(guò)使用獨(dú)立的DC/DC轉(zhuǎn)換和MPPT，太陽(yáng)能裝置可以更適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)不斷變化的環(huán)境條件。

最簡(jiǎn)單的架構(gòu)是使用一個(gè)MPPT引擎來(lái)控制單個(gè)通用逆變器。這種方法很簡(jiǎn)單，但是存在將單個(gè)功率點(diǎn)應(yīng)用于可能正在經(jīng)歷不同操作條件的陣列中的模塊的問(wèn)題。如果一個(gè)模塊被部分遮蔽，因?yàn)樵茝钠湟暯谴┻^(guò)太陽(yáng)，它將與其他完全照明的光源具有不同的功率點(diǎn)。盡管被遮蔽了，但是不能繞過(guò)它仍然是有效的。單個(gè)模塊上的污垢堆積將導(dǎo)致功率點(diǎn)隨時(shí)間的變化，這也不能通過(guò)普通MPPT控制器反映出來(lái)。一種替代方案是通過(guò)并聯(lián)使用多個(gè)串來(lái)分割陣列，每個(gè)串饋送不同的逆變器前端。更靈活的方法是將DC/DC轉(zhuǎn)換器和MPPT控制器與每個(gè)PV模塊相關(guān)聯(lián)，每個(gè)PV模塊將公共電壓的DC電力饋送到逆變器部分。

有許多方法可以確定任何給定時(shí)間的最佳功率點(diǎn)，每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。常用的技術(shù)是擾動(dòng)和觀察。使用該技術(shù)，改變電壓或電流并記錄功率輸出的變化。如果輸出增加，則擾動(dòng)以正確的方向移動(dòng)。如果不是，則下一次擾動(dòng)將是相反的方向。通常，DC/DC轉(zhuǎn)換器采用的工作電壓將圍繞MPP振蕩。 STMicroelectronics的SPV1020采用擾動(dòng)和觀測(cè)算法。

另一種選擇是增量電導(dǎo)，它依賴(lài)于觀察到功率曲線導(dǎo)數(shù)與MPP電壓為零，左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù)。實(shí)現(xiàn)將增量電導(dǎo)，電流與電壓的變化（ΔI/ΔV）與瞬時(shí)電導(dǎo)（I/V）進(jìn)行比較。在MPPΔI/ΔV= -I/V.在MPP的左側(cè)，ΔI/ΔV大于-I/V并且小于MPP右側(cè)的-I/V.

圖3：典型太陽(yáng)能電池的電流和功率與電壓關(guān)系圖，顯示最大功率點(diǎn)和電池電流曲線。

增量電導(dǎo)通常為最大功率點(diǎn)移動(dòng)的方向提供了更好的指導(dǎo)，并且導(dǎo)致比擾動(dòng)和觀察更少的振蕩，但計(jì)算密集度更高。但是，Microchip Technology PIC16F1503等微控制器可輕松使用增量電導(dǎo)對(duì)PV模塊進(jìn)行必要的計(jì)算，并包含數(shù)字控制振蕩器（NCO）外設(shè)單元，可為高分辨率脈沖寬度提供定時(shí)信號(hào)高效DC/DC轉(zhuǎn)換所需的調(diào)制（PWM）。

圖4：擾動(dòng)和干擾算法移動(dòng)工作點(diǎn)以便包含最大功率點(diǎn)。

由于PV模塊的電壓輸出可能因環(huán)境條件而有很大差異，因此連接到模塊的任何DC/DC轉(zhuǎn)換器都需要足夠靈活以應(yīng)對(duì)。一種可能性是使用具有高中間DC電壓的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌浔惶峁┙o并網(wǎng)逆變器。 SPV1020采用四相交錯(cuò)式升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在連續(xù)或非連續(xù)模式下工作。交錯(cuò)顯著降低了輸出電壓紋波。當(dāng)需要低電流輸出時(shí)，在突發(fā)模式期間關(guān)閉相位。通常在啟動(dòng)期間使用突發(fā)模式以避免電壓振蕩，并且在啟動(dòng)過(guò)程期間逐漸激活每個(gè)相。

升壓拓?fù)涞奶娲桨甘墙祲?- 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便模塊的電壓可以在中間電壓附近移動(dòng);當(dāng)模塊以接近最佳水平轉(zhuǎn)換能量時(shí)，可以利用這一點(diǎn)來(lái)支持高效運(yùn)行。

德州儀器Solar Magic SM72442 MPPT和DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器由評(píng)估板支持，當(dāng)面板輸入電壓和所需輸出電壓在±2％范圍內(nèi)時(shí)，可提供直接連接選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)損耗操作彼此的。這允許DC/DC轉(zhuǎn)換器暫時(shí)關(guān)閉。在此范圍的任一側(cè)，控制器采用降壓或升壓模式。

SM72442使用PWM抖動(dòng)技術(shù)來(lái)平滑降壓，升壓和直接連接面板模式之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)備使用的MPPT算法通常在百分之一秒內(nèi)提供收斂，監(jiān)視輸入電流和電壓。

隨著太陽(yáng)能行業(yè)的不斷擴(kuò)展，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的解決方案可以提供MPPT和功率控制，尤其是當(dāng)注意力轉(zhuǎn)移到提供單模塊效率調(diào)整的更復(fù)雜架構(gòu)時(shí)。這些解決方案將包括特定設(shè)備和更多通用產(chǎn)品，允許實(shí)施者調(diào)整其MPPT和功率轉(zhuǎn)換算法。