近來“技術(shù)創(chuàng)新”和“質(zhì)量控制”成為光伏行業(yè)的主旋律。據(jù)統(tǒng)計(jì)從2007～2015年短短8年間，光伏組件的市場價格從36元/W下降到現(xiàn)在的3.5～3.8元/W，下降了約86.4%；并網(wǎng)光伏系統(tǒng)價格從60元/W下降到7～8元/W，下降了86.7%，逆變器的價格從4元/W下降到0.4元/W以下，下降了90%。這無疑得益于技術(shù)創(chuàng)新、裝備國產(chǎn)化、規(guī)?；a(chǎn)和原輔材料的降價，我國的制造業(yè)為光伏成本的下降做出了重要貢獻(xiàn)。然而，單純從降低制造成本和系統(tǒng)的初投資上挖掘更大效益無疑非常困難。光伏應(yīng)用技術(shù)上還有很大的創(chuàng)新空間，通過應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新和精細(xì)化設(shè)計(jì)，多取得30%～40%的效益其實(shí)并不困難。本文將就近來應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行介紹。
1、歸一化度電成本是評價發(fā)電系統(tǒng)唯一的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
全球?qū)τ诓煌愋偷陌l(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的唯一評價指標(biāo)是歸一化度電成本（LCOE），而不是光伏電站的建設(shè)成本。LCOE的定義為：
LCOE=壽命期成本/壽命期發(fā)電量（元/kWh）（1）
式中，壽命期成本包括初投資和運(yùn)行維護(hù)成本，還包括稅收、貼現(xiàn)率和稅率等；壽命期發(fā)電量的影響因素包括當(dāng)?shù)?a target="_blank">太陽能資源、光伏系統(tǒng)的配置（光伏－逆變器容量比）、系統(tǒng)的運(yùn)行方式（固定安裝還是向日跟蹤）及光伏系統(tǒng)能效比（PerformanceRatio，PR），其中影響PR的因素包括組件衰降、積塵損失、失配損失、遮擋損失、溫升損失、逆變器效率、棄光率、故障損失、交/直流線損等。
過去，開發(fā)商只盯住光伏部件的價格和系統(tǒng)的建設(shè)成本，其實(shí)如何降低運(yùn)維成本和提高系統(tǒng)壽命期的發(fā)電量還有很大降低度電成本的空間，一味壓低光伏部件的價格和系統(tǒng)造價潛力已經(jīng)有限，有時甚至是愚蠢的，“殺雞取卵”必然導(dǎo)致“唇亡齒寒”，讓利益在光伏全產(chǎn)業(yè)鏈合理分配才能使光伏產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。目前最有效的降低光伏度電成本的應(yīng)用端技術(shù)創(chuàng)新措施有：
1）光伏-逆變器容量比：投入產(chǎn)出比1：2，凈增收益最少10%。
2）采用高可靠、低成本的太陽跟蹤器：投入產(chǎn)出比1：3，凈增收益至少20%。
3）分布式最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）：不增加投資情況下提高收益3%～5%。
4）智能化管理和運(yùn)維：減少運(yùn)維成本和故障損失，在不增加投資情況下提高收益3%～5%。5）目前國內(nèi)光伏電站PR還偏低，約只有75%，至少還可提高5%。
6）同時采取多項(xiàng)措施，比常規(guī)光伏電站提高凈收益40%較容易。
下面就主要創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行介紹。
2、光伏-逆變器容量比和光伏超配設(shè)計(jì)
以往光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏與逆變器的容量比都是按照1：1設(shè)計(jì)，光伏電站的容量也按照光伏組件額定直流功率的代數(shù)和定義。近年來，歐美電網(wǎng)企業(yè)要求光伏電站按照交流并網(wǎng)功率申報、備案，且對光伏電站按照額定交流功率運(yùn)行也提出一定要求。為保證在一定時段內(nèi)光伏電站滿功率運(yùn)行，直流側(cè)的光伏組件必須擴(kuò)裝，擴(kuò)裝比例依當(dāng)?shù)刭Y源條件和系統(tǒng)電氣效率不同，從20%～40%不等。擴(kuò)裝后發(fā)現(xiàn)光伏電站的收益明顯增加，于是，光伏方陣的擴(kuò)裝迅速在歐美推廣，并列入了即將發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)：IEC/TS62738《光伏電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》。
2.1、實(shí)例一
地點(diǎn)：青海格爾木；逆變器額定功率：500kW；日期：2014年9月13日。
光伏擴(kuò)裝前后功率的變化如圖1所示。由圖1可知，未擴(kuò)裝前，逆變器最大輸出447kW，
500kW方陣光伏擴(kuò)裝20%，增加100kW光伏陣列、支架、匯流箱、電纜，增加投資約40萬元；增加發(fā)電量18.52%（限光率1.24%）；當(dāng)?shù)毓夥暇W(wǎng)電價0.9元/kWh，年增加收益12.8萬元；新增投資回收期僅3.52年，新增投資的內(nèi)部收益率（IRR）高達(dá)28.8%。全年光伏電站的等效利用小時數(shù)從1800h提高到2100h以上，效益明顯。
光伏方陣擴(kuò)裝比例并非越大越好，按照IEC/TS62738的要求，為保護(hù)逆變器，逆變器在達(dá)到額定功率時應(yīng)限定功率運(yùn)行（電網(wǎng)公司也不允許超功率運(yùn)行）。因此，光伏擴(kuò)裝比例大將導(dǎo)致限功率比例增大，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)光伏逆變器容量比。
2.2、實(shí)例二
地點(diǎn)：格爾木；電站功率：10MW；運(yùn)營期：20年；初始年等效利用小時數(shù)：1800h；20年內(nèi)線性衰降：20%。
光伏-逆變器容量比與壽命期度電成本LCOE的關(guān)系見表1。由表1可知，最佳光伏-逆變器容量比為1.25。
3、太陽跟蹤器
3.1、太陽跟蹤器對提高發(fā)電量的貢獻(xiàn)
采用太陽跟蹤器的目的是減少余弦損失（即斜射損失），盡可能使光伏方陣正對太陽，即使方陣面的法線與陽光射線平行。太陽跟蹤器可大幅提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，下面是美國鳳凰城氣象站對于不同跟蹤平面輻射量與水平面輻射量的30年（1961～1990年）平均對比數(shù)據(jù)。
氣象臺站：美國PhenixWBAN；編號：23183氣象站；
緯度：33.43°N；經(jīng)度：112.02°W；海拔：339m，氣壓：974mbar；
采用不同類型太陽跟蹤器接收面輻射量與水平面和傾緯度角固定方陣面輻射量增益的比較結(jié)果見表3。
由表3可知，采用太陽跟蹤器可比常規(guī)固定傾角方陣的發(fā)電量提高23.1%～36.9%，平均提高31%。當(dāng)然，增益的多少與當(dāng)?shù)刂鄙涔獾谋壤嘘P(guān)，直射分量越大，則跟蹤器的效果越顯著。
3.2、不同坐標(biāo)系的太陽跟蹤器
設(shè)計(jì)太陽跟蹤器時首先要確定反映日-地關(guān)系的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系不同則跟蹤的參數(shù)完全不同，而機(jī)械設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式也完全不同。
反映日-地關(guān)系的坐標(biāo)系分為地平坐標(biāo)系和赤道坐標(biāo)系，下面分別介紹。
3.2.1、地平坐標(biāo)系
地平坐標(biāo)系是以地平面為參照系，太陽位置由太陽高度角和太陽方位角確定。太陽高度角是太陽射線與地平面的夾角，在0°～90°之間變化；太陽方位角是太陽射線在地面上的投影與正南方向的夾角。光伏方陣同時調(diào)整傾角和方位角，就可跟蹤太陽高度角和太陽方位角，使方陣的法線對準(zhǔn)太陽。各相關(guān)參數(shù)（方陣法線、方陣傾角、方陣方位角等）與太陽高度角和方位角在天球上的定位關(guān)系如圖3所示。
根據(jù)圖3所示的定位三角形，可很方便地推導(dǎo)出地平坐標(biāo)太陽入射角（太陽射線與方陣法線得夾角）的公式：
cosθ=cosZ′sinα+sinZ′cosαcos（γ-β）（2）
式中，α為太陽高度角；Z′為方陣任意時刻的傾角；γ為太陽電池方陣任一時刻方位角；β為太陽方位角。其中，固定安裝：Z′=Z，γ=0°；方位角跟蹤：Z′=Z，γ=β；雙軸跟蹤：Z′=90°-α，γ=β。根據(jù)式（2）即可計(jì)算地平坐標(biāo)固定或跟蹤系統(tǒng)任意時段（日期、時間）的太陽輻射量，這為開發(fā)地平坐標(biāo)不同運(yùn)行方式下計(jì)算日、月、年輻射量仿真軟件奠定了基礎(chǔ)。
3.2.2、赤道坐標(biāo)系
赤道坐標(biāo)系是以赤道平面和地軸為參照系，太陽位置由太陽赤緯角和太陽時角確定。太陽赤緯角是太陽射線與赤道平面的夾角，一年之中在+23.45°～-23.45°之間變化；太陽時角是由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，一天旋轉(zhuǎn)360°，每小時15°，太陽在正南時，時角為0°。光伏方陣同時調(diào)整旋轉(zhuǎn)角和傾角，就可跟蹤太陽赤緯角和太陽時角，也可使方陣的法線對準(zhǔn)太陽。赤道坐標(biāo)系中光伏方陣各相關(guān)參數(shù)（主軸傾角、方陣傾角、主軸旋轉(zhuǎn)角等）在天球上的定位三角形如圖5所示。
根據(jù)圖5所示的定位三角形，可很方便地推導(dǎo)出赤道坐標(biāo)太陽入射角（太陽射線與方陣法線的夾角）的公式：
cosZ′=sinZsinz+cosZcoszcosΩsinZ′sinγ=sinΩcosz
sinZ′cosγ=-cosZsinz+sinZcoszcosΩ（3）
式中，Z為方陣向正南時的傾角；z為方陣面與跟蹤主軸的夾角；Ω為方陣旋轉(zhuǎn)角。
經(jīng)過地平坐標(biāo)和赤道坐標(biāo)的變換，可推導(dǎo)出赤道坐標(biāo)太陽入射角的表達(dá)式：
cosθ=cosZ′sinφsinδ+cosZ′cosφcosδcosω+sinZ′sinγcosδsinω+sinZ′cosγsinφcosδcosω-sinZ′cosγcosφsinδ（4）
式中，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；δ為太陽赤緯角；ω為太陽時角。其中，固定安裝：Z′=Z-z=φ-z，Ω=0°，γ=0°；平單軸跟蹤：Z=0°，z=0°，Ω=ωγ=90°；斜單軸跟蹤：Ω=ω，Z=φ，z=0°；全跟蹤：z=δ，Ω=ω，Z=φ。
對入射光強(qiáng)與cosθ的乘積積分（從日出到日落），即可求得日、月、年輻射量的結(jié)果。根據(jù)式（4）即可計(jì)算赤道坐標(biāo)各種跟蹤系統(tǒng)任意時段（日期、時間）的太陽輻射量，這也為開發(fā)赤道坐標(biāo)不同運(yùn)行方式下計(jì)算日、月、年輻射量仿真軟件奠定了基礎(chǔ)。
3.3、太陽跟蹤器實(shí)例
3.3.1、地平坐標(biāo)系統(tǒng)
地平坐標(biāo)可分為固定安裝（任意朝向）、方位角跟蹤、傾角調(diào)節(jié)和雙軸跟蹤系統(tǒng)，如圖6～9所示。
3.3.2、赤道坐標(biāo)系統(tǒng)
赤道坐標(biāo)可分為平單軸跟蹤、斜單軸跟蹤和雙軸跟蹤系統(tǒng)（固定安裝與地平坐標(biāo)物差別），如圖10～12所示。
總之，無論是地平坐標(biāo)系還是赤道坐標(biāo)系的光伏太陽跟蹤器，均已在全球得到應(yīng)用，除了固定安裝外，還有6種跟蹤方式，地平坐標(biāo)太陽跟蹤器配重簡單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而赤道坐標(biāo)太陽跟蹤器結(jié)構(gòu)簡單，但配重不容易，開發(fā)商可根據(jù)需要自由選取。
3.4、反向跟蹤技術(shù)和原理
由圖13可知，如果設(shè)計(jì)光伏跟蹤方陣8：00對準(zhǔn)太陽，則8：00對準(zhǔn)太陽開始，光伏方陣將自東向西跟著太陽轉(zhuǎn)動，直到傍晚的設(shè)計(jì)位置。然而早晨自太陽出升到方陣對準(zhǔn)太陽，以及下午從設(shè)計(jì)位置直到太陽落山，光伏方陣如果不采取措施，則東西方向的方陣必然會相互遮擋。
對于跟蹤方陣，為了避免從日出到對準(zhǔn)太陽的時段光伏方陣不受遮擋，則需采用反向跟蹤技術(shù)。IEC/TS62727-2012《太陽跟蹤器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對太陽跟蹤器有反向跟蹤的要求。所謂反向跟蹤技術(shù)，就是當(dāng)太陽出升時，光伏方陣調(diào)整到水平放置，隨著太陽升起，光伏方陣逐漸向東轉(zhuǎn)動（而不是跟著太陽自東向西轉(zhuǎn)動），在逐漸對準(zhǔn)太陽的同時，避免相互遮擋，直到完全對準(zhǔn)太陽。對準(zhǔn)太陽之后，光伏方陣開始正常地自東向西隨著太陽轉(zhuǎn)動。下午時，在達(dá)到設(shè)計(jì)位置后，光伏方陣又開始自西向東反方向轉(zhuǎn)動，始終避免方陣之間相互遮擋，直至放平。反向跟蹤技術(shù)可使采用太陽跟蹤器的光伏方陣完全避免遮擋，早晚的發(fā)電量至少可提高3%～5%。固定方陣由于沒有調(diào)整能力，反而多多少少會存在遮擋。
赤道坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)反向跟蹤時段的不遮擋傾角設(shè)計(jì)如圖14所示。
由圖14可知，方陣東西向軸間距D為設(shè)計(jì)間距，D已知。任意時刻方陣不遮擋傾角可由如下方程求得。
KcosZ+（KsinZ）cos（β-r）/tanα=D（5）
式中，D為光伏方陣軸間距；K為光伏方陣的寬度；Z為光伏方陣的傾角；r為方陣主軸方向，向南，r=0°；sinβ=cosδsinω/cosα；sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω。
當(dāng)?shù)鼐暥圈铡⒊嗑暯牵ㄈ掌冢│拇_定后，可計(jì)算出太陽出升后每5min的太陽高度角和方位角，再通過式（5）可得到不遮擋傾角。地平坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)“反向跟蹤”時段的不遮擋傾角設(shè)計(jì)如圖15所示。
由圖15可知，方陣東西向軸間距DZEW為設(shè)計(jì)間距，DZEW已知，從DZEW可求出東西向任意時刻的方陣間距D，且對于地平坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，總有方陣方位角等于太陽方位角，即β=r。任意時刻方陣不遮擋傾角可由以下方程求得。
LcosZ+（LsinZ）/tanα=D（6）
式中，D為東西向光伏方陣間距，D=DZEWsinβ，其中β=r′，r′為方陣方位角；L為光伏方陣的寬度（已知）；Z為光伏方陣的傾角；r′為方陣方位角。由式（6）可計(jì)算出太陽出升后每5min的光伏方陣不遮擋傾角。
4、結(jié)論
降低光伏系統(tǒng)歸一化度電成本LCOE，除了要降低光伏部件和系統(tǒng)的造價外，還應(yīng)當(dāng)注意其他LCOE的影響因素，如光伏系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，更重要的是提高光伏系統(tǒng)壽命期的發(fā)電量。本文詳細(xì)介紹了光伏-逆變器最優(yōu)容量比、太陽跟蹤器及反向跟蹤技術(shù)，其他提高系統(tǒng)發(fā)電量的措施還有分布式最大功率跟蹤（MPPT）或組串逆變器、光伏電站智能運(yùn)維系統(tǒng)、提高光伏電站的能效比（PR）等。采用多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新可比常規(guī)光伏電站降低LCOE40%，或者說能在常規(guī)電站基礎(chǔ)上有效提高40%的凈收益。
中美于2014年11月12日共同發(fā)表了《中美氣候變化聯(lián)合聲明》，中國計(jì)劃2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日達(dá)峰，并計(jì)劃到2030年將非化石能源占一次能源消費(fèi)比重約提高到20%。為達(dá)上述非化石能源20%目標(biāo)，非化石能源貢獻(xiàn)預(yù)計(jì)要達(dá)到12億t標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)部分機(jī)構(gòu)的預(yù)測，2030年水電裝機(jī)4億kW、核電1.5億kW、風(fēng)電4億kW、光伏6億kW。從現(xiàn)在起，要求光伏每年裝機(jī)不少于35GW。如此大的規(guī)模，完全依賴國家補(bǔ)貼是不可能實(shí)現(xiàn)的。
新的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略提出了新的20%的非化石能源目標(biāo)；新的目標(biāo)導(dǎo)致新的裝機(jī)規(guī)模為6億kW；新的裝機(jī)規(guī)模要求平價上網(wǎng)時間更快到來。中國可再生能源學(xué)會光伏專委會編制的“中國光伏發(fā)電發(fā)展路線圖”中提出，2020年實(shí)現(xiàn)用電側(cè)平價上網(wǎng)，光伏上網(wǎng)電價低于0.8元/kWh；2025年實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)平價上網(wǎng)，達(dá)到0.5～0.6元/kWh。按照新的要求，2020年就必須實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電全面達(dá)到平價上網(wǎng)，即光伏上網(wǎng)電價達(dá)到0.5～0.6元/kWh，不再需要國家補(bǔ)貼。這就要求光伏電價要從現(xiàn)在的0.9～1.0元/kWh下降40%～50%。通過光伏制造業(yè)和應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新的共同努力，這一目標(biāo)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
