本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
编者注：《大众科学》的乔治·穆瑟尔将在《60秒太阳能》中记录他安装太阳能电池板和采取其他节能措施的经历。阅读他的介绍此处并查看所有帖子此处。
当人们谈论提高太阳能发电效率时，他们通常谈论的是电池板本身。它们将多少比例的阳光转化为电力？如今，大多数太阳能电池由晶体硅制成，但更巧妙的设计或先进材料，例如薄膜、有机聚合物、层状半导体和磷光染料，能否做得更好？可能可以，但这只是故事的一半。将电池板连接到您家中的线路或电网的辅助设备也同样重要。
我之前在较早的文章中引用的一项劳伦斯伯克利实验室研究发现，在过去十年中，太阳能成本下降的主要原因是辅助设备的改进，而不是电池板的改进。为了解工程师可以采取哪些进一步的措施，我与SolarEdge的联合创始人兼首席执行官盖伊·塞拉进行了交谈，SolarEdge是一家美国-以色列的此类设备制造商。
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这种设备的需求源于太阳能光伏电池的工作原理。照射在电池上的光线将硅原子上的电子击落，并且半导体材料中内置的电压将电子拉向一个方向，从而产生电流。然后会发生什么取决于您连接到电池的设备。
如果您什么都不连接，只是让电线悬空，电流就无处可去，电子堆积在电池的一侧，并且电池两端的电压会增加，直到达到内置电压为止——对于硅而言，通常为 0.6 伏特。我房子上安装的BP SX3400b 面板每个都由 50 个串联的电池组成，如果您不连接电气负载，则电压约为 30 伏特。其中十二个面板串联在一起，总电压约为 360 伏特。
当您连接负载并开始从电池中汲取电力时，电压会下降——最初是逐渐下降，然后随着电子流出速度过快而无法在电池两端产生电压而急剧下降。这种行为在称为电流-电压或I-V曲线的图中捕获。当电压达到零时，电池提供其最大电流——我的 BP 面板在充足的阳光下约为 9 安培，在黄昏或阴天时较小。由于面板中的电池和串中的面板是串联的，因此一个面板的安培数决定了所有面板的安培数。如果您需要更多电流，则必须并行连接面板串。我的太阳能阵列由两个 12 面板串组成，电流增加了一倍。
由于功率等于电压乘以电流，因此如果面板在 0 安培时产生 30 伏特或在 0 伏特时产生 9 安培，则面板的用途不大。在这两个极端之间，它会产生有用的功率，并且中间有一个最佳点，功率最大化——对于我的面板，在 24.5 伏特时为 8.16 安培，提供 200 瓦的功率。如果您击中这个最佳点并将此面板直接对准太阳，它将把 16% 的入射太阳能转换为电力。当大多数人谈论效率时，他们指的是这个数字，但这假设您已击中最佳点，而这说起来容易做起来难。
优化面板电气性能的工作通常由称为逆变器的设备完成。它的主要功能是将电池产生的直流电转换为电网使用的交流电——这个过程称为“逆变”，因为它颠倒了将交流电转换为直流电的更常见功能（例如，电池充电器所做的）。但是现代逆变器不仅仅是逆变。它还会调整它汲取的电流以最大化面板的功率输出。正如塞拉解释的那样，这很棘手，原因有很多
电气不匹配。由于制造的差异，不同的面板具有略微不同的I-V曲线。逆变器仅响应平均I-V曲线。因此，对于某些面板，它汲取的电流太小，而对于其他面板，则汲取的电流太大，从而使它们的功率输出降低了几个百分点。
部分阴影。如果树枝或其他太阳能电池板的阴影落在面板上（如上图所示），并将照射到面板上的阳光减少（例如）百分之一，您可能会天真地认为它会将功率输出减少百分之一。实际上，即使是很小的阴影也可能完全消除功率。由于电池是串联的，因此击倒一个电池可能会击倒所有电池，就像一个圣诞树灯泡烧坏可能会使整个灯串变黑一样。即使不均匀的照明没有扼杀所有功率，它也会加剧电气不匹配。塞拉说，在典型的设置中，功率输出会下降多达 25%。
温度波动。随着温度升高，电子更容易流过太阳能电池的半导体材料，并且内置电压会降低。对于我的 BP 面板，峰值电压每摄氏度下降约 0.1 伏特。问题在于逆变器只能处理有限的电压范围——我的SMA America SB4000US装置的工作电压范围为 220 至 480 伏特。在极端温度波动期间，电压将超出此范围，并且能量将丢失。根据您的气候，每年高达 15% 的能源生产会被浪费。
无法优化。由于上述问题，整个阵列的I-V曲线可能具有多个最佳点，其中一些比其他最佳点更好。逆变器将锁定在一个最佳点上，即使更好的选择在其他地方。并且每当太阳的亮度因云层或一天中的时间而变化时，逆变器都需要找到新的最佳点。在变幻莫测的天气中，它可能无法跟上步伐。在这两个问题之间，您放弃了面板潜在输出的 10% 左右。
未充分利用可用空间。即使我的屋顶上有空间容纳第 25 个面板，我也无法安装它。这将意味着一个串将有 13 个面板，而另一个串将有 12 个面板，但串的长度必须相等。我无法将我的阵列细分为五个由五个面板组成的串，因为串的长度是由逆变器可以处理的电压决定的。塞拉说，由于需要保持面板数量在数值上的平衡，典型的商业太阳能装置只能利用其屋顶面积的四分之三左右。
损坏或盗窃。如果面板损坏或被盗（这种情况确实会发生），整个阵列可能会失效。更糟糕的是，您不能仅仅用最新的型号替换丢失的面板；您必须使用与原始型号完全相同的型号，否则您会造成电气不匹配。因此，2009 年安装的光伏系统在其 25 年的寿命期内被锁定在 2009 年的技术中。
为了解决这些问题，塞拉说 SolarEdge 开发了一个可以连接到每个面板的小盒子（参见顶部的照片）。这个盒子可以单独优化每个面板的电气性能。他说，该公司在美国、欧洲、以色列和日本的 17 栋房屋中测试了其技术，发现它在没有额外成本的情况下从阵列中榨取了另外 10% 到 20% 的电力。实际上，通过简化布线或允许更灵活地利用屋顶空间，SolarEdge 盒子可以降低安装成本。塞拉说它将在十月份上市。
在过去的 30 年中，太阳能发电的成本已从化石燃料的 40 倍降至仅几倍。按照技术不断改进的速度，即使没有政府补贴，它也很快就会具有竞争力。
德国太阳能电池板背面的 SolarEdge PowerBox 单元（第一张图片）。西班牙太阳能电池板行部分阴影（第二张图片）。图片由 SolarEdge 提供。