本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
編者注：《大眾科學》的喬治·穆瑟爾將在《60秒太陽能》中記錄他安裝太陽能電池板和採取其他節能措施的經歷。閱讀他的介紹此處並檢視所有帖子此處。
當人們談論提高太陽能發電效率時，他們通常談論的是電池板本身。它們將多少比例的陽光轉化為電力？如今，大多數太陽能電池由晶體矽製成，但更巧妙的設計或先進材料，例如薄膜、有機聚合物、層狀半導體和磷光染料，能否做得更好？可能可以，但這只是故事的一半。將電池板連線到您家中的線路或電網的輔助裝置也同樣重要。
我之前在較早的文章中引用的一項勞倫斯伯克利實驗室研究發現，在過去十年中，太陽能成本下降的主要原因是輔助裝置的改進，而不是電池板的改進。為了解工程師可以採取哪些進一步的措施，我與SolarEdge的聯合創始人兼執行長蓋伊·塞拉進行了交談，SolarEdge是一家美國-以色列的此類裝置製造商。
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這種裝置的需求源於太陽能光伏電池的工作原理。照射在電池上的光線將矽原子上的電子擊落，並且半導體材料中內建的電壓將電子拉向一個方向，從而產生電流。然後會發生什麼取決於您連線到電池的裝置。
如果您什麼都不連線，只是讓電線懸空，電流就無處可去，電子堆積在電池的一側，並且電池兩端的電壓會增加，直到達到內建電壓為止——對於矽而言，通常為 0.6 伏特。我房子上安裝的BP SX3400b 面板每個都由 50 個串聯的電池組成，如果您不連線電氣負載，則電壓約為 30 伏特。其中十二個面板串聯在一起，總電壓約為 360 伏特。
當您連線負載並開始從電池中汲取電力時，電壓會下降——最初是逐漸下降，然後隨著電子流出速度過快而無法在電池兩端產生電壓而急劇下降。這種行為在稱為電流-電壓或I-V曲線的圖中捕獲。當電壓達到零時，電池提供其最大電流——我的 BP 面板在充足的陽光下約為 9 安培，在黃昏或陰天時較小。由於面板中的電池和串中的面板是串聯的，因此一個面板的安培數決定了所有面板的安培數。如果您需要更多電流，則必須並行連接面板串。我的太陽能陣列由兩個 12 面板串組成，電流增加了一倍。
由於功率等於電壓乘以電流，因此如果面板在 0 安培時產生 30 伏特或在 0 伏特時產生 9 安培，則面板的用途不大。在這兩個極端之間，它會產生有用的功率，並且中間有一個最佳點，功率最大化——對於我的面板，在 24.5 伏特時為 8.16 安培，提供 200 瓦的功率。如果您擊中這個最佳點並將此面板直接對準太陽，它將把 16% 的入射太陽能轉換為電力。當大多數人談論效率時，他們指的是這個數字，但這假設您已擊中最佳點，而這說起來容易做起來難。
最佳化面板電氣效能的工作通常由稱為逆變器的裝置完成。它的主要功能是將電池產生的直流電轉換為電網使用的交流電——這個過程稱為“逆變”，因為它顛倒了將交流電轉換為直流電的更常見功能（例如，電池充電器所做的）。但是現代逆變器不僅僅是逆變。它還會調整它汲取的電流以最大化面板的功率輸出。正如塞拉解釋的那樣，這很棘手，原因有很多
電氣不匹配。由於製造的差異，不同的面板具有略微不同的I-V曲線。逆變器僅響應平均I-V曲線。因此，對於某些面板，它汲取的電流太小，而對於其他面板，則汲取的電流太大，從而使它們的功率輸出降低了幾個百分點。
部分陰影。如果樹枝或其他太陽能電池板的陰影落在面板上（如上圖所示），並將照射到面板上的陽光減少（例如）百分之一，您可能會天真地認為它會將功率輸出減少百分之一。實際上，即使是很小的陰影也可能完全消除功率。由於電池是串聯的，因此擊倒一個電池可能會擊倒所有電池，就像一個聖誕樹燈泡燒壞可能會使整個燈串變黑一樣。即使不均勻的照明沒有扼殺所有功率，它也會加劇電氣不匹配。塞拉說，在典型的設定中，功率輸出會下降多達 25%。
溫度波動。隨著溫度升高，電子更容易流過太陽能電池的半導體材料，並且內建電壓會降低。對於我的 BP 面板，峰值電壓每攝氏度下降約 0.1 伏特。問題在於逆變器只能處理有限的電壓範圍——我的SMA America SB4000US裝置的工作電壓範圍為 220 至 480 伏特。在極端溫度波動期間，電壓將超出此範圍，並且能量將丟失。根據您的氣候，每年高達 15% 的能源生產會被浪費。
無法最佳化。由於上述問題，整個陣列的I-V曲線可能具有多個最佳點，其中一些比其他最佳點更好。逆變器將鎖定在一個最佳點上，即使更好的選擇在其他地方。並且每當太陽的亮度因雲層或一天中的時間而變化時，逆變器都需要找到新的最佳點。在變幻莫測的天氣中，它可能無法跟上步伐。在這兩個問題之間，您放棄了面板潛在輸出的 10% 左右。
未充分利用可用空間。即使我的屋頂上有空間容納第 25 個面板，我也無法安裝它。這將意味著一個串將有 13 個面板，而另一個串將有 12 個面板，但串的長度必須相等。我無法將我的陣列細分為五個由五個面板組成的串，因為串的長度是由逆變器可以處理的電壓決定的。塞拉說，由於需要保持面板數量在數值上的平衡，典型的商業太陽能裝置只能利用其屋頂面積的四分之三左右。
損壞或盜竊。如果面板損壞或被盜（這種情況確實會發生），整個陣列可能會失效。更糟糕的是，您不能僅僅用最新的型號替換丟失的面板；您必須使用與原始型號完全相同的型號，否則您會造成電氣不匹配。因此，2009 年安裝的光伏系統在其 25 年的壽命期內被鎖定在 2009 年的技術中。
為了解決這些問題，塞拉說 SolarEdge 開發了一個可以連線到每個面板的小盒子（參見頂部的照片）。這個盒子可以單獨最佳化每個面板的電氣效能。他說，該公司在美國、歐洲、以色列和日本的 17 棟房屋中測試了其技術，發現它在沒有額外成本的情況下從陣列中榨取了另外 10% 到 20% 的電力。實際上，透過簡化佈線或允許更靈活地利用屋頂空間，SolarEdge 盒子可以降低安裝成本。塞拉說它將在十月份上市。
在過去的 30 年中，太陽能發電的成本已從化石燃料的 40 倍降至僅幾倍。按照技術不斷改進的速度，即使沒有政府補貼，它也很快就會具有競爭力。
德國太陽能電池板背面的 SolarEdge PowerBox 單元（第一張圖片）。西班牙太陽能電池板行部分陰影（第二張圖片）。圖片由 SolarEdge 提供。