【導讀】經過長期的技術發(fā)展——特別是在生態(tài)危機、化石能源困境等多個重大關鍵課題的刺激下，太陽能在以轉換效率和成本為核心的技術和商業(yè)兩方面的關鍵難點上取得了巨大突破。太陽能是可再生能源和可持續(xù)電力設施改造的關鍵形式、實現碳中和傳播的重要途徑，這不僅是全球共識，也是美國、歐盟等經濟發(fā)達國家目前所處的實際情況。同時，中國也在出臺相應的政策指導方針，大幅增加光伏發(fā)電裝置的數量。為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義。
Part1 光伏發(fā)電應用與功率轉換
以設施等級為劃分依據，太陽能應用通常分為三類：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事業(yè)，xMW ~ xGW。由于太陽能應用廣泛，且具有可擴展性，太陽能發(fā)電的相應功率轉換有幾種不同的方案可供選擇：
在轉換效率方面，有用于適應太陽輻射并根據電池溫度調節(jié)輸出的連續(xù)控制單元；考慮到相對發(fā)電成本和用電容量，有用于離網型發(fā)電的分布式微電網和用于柵極接電的集中式電站，尤其是當光伏板數量增加時，系統(tǒng)的孤島風險和并網設備的低電壓穿越（LVRT）會使得光伏發(fā)電的配置方案更復雜多變。
濾波電感、升壓電感、電源變壓器、電抗器等磁性元件除了應用于相應的功率轉換之外，在其他方面也廣泛應用；尤其是在典型的分布式光伏解決方案中，磁性元件成本更高（按百分比計），因此為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義。
Part2 系統(tǒng)中光伏發(fā)電及功率轉換的原理
1 半導體基礎
由于光電轉換效率的關鍵要求，單晶硅異質結（HIT）太陽能電池（N襯底）是目前的重點發(fā)展類型（效率在25%左右）。目前占據安裝規(guī)模的主要份額的類型仍然是鋁背場（BSF）和PerC型如P 型基板電池（效率在 19% 和 21.5% 之間）。但隨著設備和主要材料（硅材料和低溫銀漿）的不斷研發(fā)和生產能力的提高，HIT成本將逐步降低，未來新裝的太陽能電池將以HIT型為主。
在本征半導體中，P型或N型半導體通過摻雜獲得足夠的載流子濃度。由于其窄帶隙，外界干擾（如照明電磁輻射）可以激發(fā)內部原子產生更多的電子-空穴對。當不同類型的半導體形成PN結時，n型端在內部擴散電場的作用下會積聚更多的電子；而p型端則相反，最終在兩端形成驅動電壓并成為電源，即電池。這種內部光電效應稱為光伏效應。
相反的現象是LED通過電子空穴復合產生電光。兩者的PN結工作狀態(tài)為正偏，但光伏電池為電源（光輻射驅動電流，低功率密度），LED為負載（產生光的電力，高功率密度），因此，光伏電池可以提供大電流，LED 則受限于其散熱結構和尺寸而無法通過大電流（燒壞）。相關二極管結構、電路符號及等效電路如下圖1所示：
圖1 光伏電池（HIT）和LED的結構、符號和等效電路
常見的典型的光伏電池（PV）輸出電流表示為：
其中：
isc—光照射產生的激發(fā)電流；
iDo—PN結的飽和電流；
q–電子電荷為1.6×10?19C中；
K–玻爾茲曼常數為1.38×10?23J/K；
A–1～2之間的理想常數；
T–PN結溫度
q/AKT是輻照的弱相互作用，隨輻照強度而變化；通常
