半导体技术推进可再生能源利用

日本向全世界宣布要在2050年实现碳中和。所谓的碳中和是指人类活动中产生的CO₂量与植物为进行光合作用而吸收的CO₂量相抵消，从而达到“净零排放”。到目前为止，随着工业化的推进，排出的CO₂量远远高于吸收的CO₂量。因此，重要的是尽量不产生CO₂或者尽量减少CO₂产生量，如果一定要产生CO₂的话，就必须通过种植植物来吸收CO₂。

为了不产生CO₂，必须使用不排放CO₂的动力和能源。另外，为了削减CO₂排放量，重要的是消除浪费，并尽可能降低电力消耗，以少量的能源驱动系统或产生动力。

可再生能源被定位为不产生CO₂的能源。另外，虽然核能发电也不会排放CO₂，但核能发电必定伴随着风险。美国自从三里岛核事故以来，没有再新建核电站。

因而最理想的还是可再生能源。

另外，尽可能降低电力消耗，以少量的能源驱动系统或产生动力的技术也很重要。实际上，无论是可再生能源的利用方面，还是降低耗电方面，半导体技术都发挥着重要作用。

目前，商用的可再生能源主要是太阳能(太阳光)、风力、水力，但是也有部分利用温泉的地热以及强洋流区域的潮汐进行发电。除太阳能以外的可再生能源发电均依靠涡轮的旋转来使发电机转动——风力是通过风带动涡轮旋转，水力是利用从水坝流下的水流来带动涡轮旋转，地热是利用来自地下的温泉的热能和蒸汽来带动涡轮旋转。

只有太阳能发电是将太阳光直接转化成电能。在太阳能发电中，太阳能面板是一种光电二极管，为使光能转化为电能，其上具有半导体PN结，在该部位电子和空穴向相反方向移动从而产生电流。也就是说，太阳能电池本身就是一种半导体。其产生的电流是单向流动的直流电，而商用电源是100V交流电，因此必须将该直流电转换为交流电。

另外，单个电池的PN结产生的电压只有0.7~0.8V左右，通过串联几十个PN结可得到几十V的电压。太阳能面板由数个至数十个太阳能电池片构成，单个太阳能电池片上数十个光电二极管串联排列，电压可达数百V。通过排列多个太阳能面板可以获得更高的电力。

其他可再生能源利用的是与电动机具有相同结构的发电机，通过转动转子来产生交流电。风车或水轮机通过转动叶片来驱动发电机，产生交流电。但是，为了满足家庭、办公室、工厂等的商用，必须产生频率为50Hz或60Hz，有效电压为100V或200V的交流电。然而，风力和水力产生的交流电根据风和水的强度不同，其电压和频率会发生变化，因此不能直接接入电网。为解决该问题，需要将风力和水力等产生的交流电转换为稳定的商用电，此时，半导体发挥了重要作用。

在日本，交流电的频率在东日本为50Hz，在西日本为60Hz。即使都是交流电，要从50Hz转换到60Hz，必须先转换为直流电，再通过半导体精确地转为60Hz或50Hz的正弦波交流电。实际上，日本是世界上唯一一个电力频率不统一的国家，算是独树一帜。

为了将太阳能产生的电力转化为商用电力，功率调节器必不可少。在太阳能发电中，串联连接太阳能电池。以住宅为例，朝南的屋顶上安装多个模组，而朝东或朝西的屋顶上安装少量模组。

在图1中，由模组串联而成的面板称为组列，将西侧的屋顶上由6个模组构成的组列命名为组列1，东侧的屋顶上由7个模组构成的组列命名为组列2，南侧的屋顶上由10个模组构成的组列命名为组列3。由于每个组列中的模组数量不同，因此产生的电压也不同。因此，在每个组列上安装DC-DC转换器(半导体)，将各自不同的电压统一转换为100V直流电压。然后，通过逆变器(半导体)将该电压从直流转换为交流。为了使此时的交流频率为50Hz或者60Hz，需要使用半导体进行调整。由此可见，在该过程中使用了多个半导体。

图1 通过DC-DC转换器将不同输出电压的组列都转换为100V

图1中的最大功率点追踪（MPPT）控制技术是指，调整电流和电压值，以使太阳能电池以最大功率输出的技术。太阳能电池材料在太阳光的作用下产生电子和空穴，电流流动，此时会产生电流和电压，但其特点是电压最大时电流为零，而低电压时会有大量电流流动。因为功率等于电流×电压，如图2所示，存在最大功率即最优值。MPPT控制技术是根据电流的大小进行调整以使功率达到最大的技术。

图2 通过MPPT控制技术使功率始终保持最大

只要是利用具有MPPT控制技术的DC-DC转换器将电力转换为100V等特定输出电压，就可以使用这种功率调节器，而无需考虑模组个数的差异、以及模组中搭载的太阳能单电池的种类和制造企业。

在图1所示的3个组列的例子中，各个组列达到的最大功率即最佳值各不相同。图2示出组合使用3个组列时的最大功率值。3个组列各自的最佳值和组合后的功率最佳值略有不同，而将不同最佳值组合实现最大功率值的技术被称为全MPPT控制。当然这里也用到了半导体技术。