近來(lái)“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(chǎng)價(jià)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(jià)格從60元/W下降到7～8元/W，下降了86.7%，逆變器的價(jià)格從4元/W下降到0.4元/W以下，下降了90%。這無(wú)疑得益于技術(shù)創(chuàng)新、裝備國(guó)產(chǎn)化、規(guī)模化生產(chǎn)和原輔材料的降價(jià)，我國(guó)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(wú)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(guò)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(lái)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(yáng)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(guò)去，開(kāi)發(fā)商只盯住光伏部件的價(jià)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(jià)格和系統(tǒng)造價(jià)潛力已經(jīng)有限，有時(shí)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(yáng)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(guó)內(nèi)光伏電站PR還偏低，約只有75%，至少還可提高5%。
6）同時(shí)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?jiǎng)?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(lái)，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(bào)、備案，且對(duì)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(shí)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(guó)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(wàn)元；增加發(fā)電量18.52%（限光率1.24%）；當(dāng)?shù)毓夥暇W(wǎng)電價(jià)0.9元/kWh，年增加收益12.8萬(wàn)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(shí)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(shí)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(yíng)期：20年；初始年等效利用小時(shí)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(jiàn)表1。由表1可知，最佳光伏-逆變器容量比為1.25。
3、太陽(yáng)跟蹤器
3.1、太陽(yáng)跟蹤器對(duì)提高發(fā)電量的貢獻(xiàn)
采用太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)，即使方陣面的法線與陽(yáng)光射線平行。太陽(yáng)跟蹤器可大幅提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，下面是美國(guó)鳳凰城氣象站對(duì)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(duì)比數(shù)據(jù)。
氣象臺(tái)站：美國(guó)PhenixWBAN；編號(hào)：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(yáng)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(jiàn)表3。
由表3可知，采用太陽(yáng)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(yáng)跟蹤器
設(shè)計(jì)太陽(yáng)跟蹤器時(shí)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(yáng)位置由太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角確定。太陽(yáng)高度角是太陽(yáng)射線與地平面的夾角，在0°～90°之間變化；太陽(yáng)方位角是太陽(yáng)射線在地面上的投影與正南方向的夾角。光伏方陣同時(shí)調(diào)整傾角和方位角，就可跟蹤太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角，使方陣的法線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。各相關(guān)參數(shù)（方陣法線、方陣傾角、方陣方位角等）與太陽(yáng)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(yáng)入射角（太陽(yáng)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(yáng)高度角；Z′為方陣任意時(shí)刻的傾角；γ為太陽(yáng)電池方陣任一時(shí)刻方位角；β為太陽(yáng)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(shí)段（日期、時(shí)間）的太陽(yáng)輻射量，這為開(kāi)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(yáng)位置由太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角確定。太陽(yáng)赤緯角是太陽(yáng)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(yáng)時(shí)角是由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，一天旋轉(zhuǎn)360°，每小時(shí)15°，太陽(yáng)在正南時(shí)，時(shí)角為0°。光伏方陣同時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角和傾角，就可跟蹤太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角，也可使方陣的法線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。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(yáng)入射角（太陽(yáng)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(shí)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(guò)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(yáng)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)鼐暥龋沪臑樘?yáng)赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)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(duì)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(shí)段（日期、時(shí)間）的太陽(yáng)輻射量，這也為開(kāi)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(yáng)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(wú)論是地平坐標(biāo)系還是赤道坐標(biāo)系的光伏太陽(yáng)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(yáng)跟蹤器配重簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而赤道坐標(biāo)太陽(yáng)跟蹤器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但配重不容易，開(kāi)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(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，則8：00對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)開(kāi)始，光伏方陣將自東向西跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到傍晚的設(shè)計(jì)位置。然而早晨自太陽(yáng)出升到方陣對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，以及下午從設(shè)計(jì)位置直到太陽(yáng)落山，光伏方陣如果不采取措施，則東西方向的方陣必然會(huì)相互遮擋。
對(duì)于跟蹤方陣，為了避免從日出到對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的時(shí)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(yáng)跟蹤器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)太陽(yáng)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(yáng)出升時(shí)，光伏方陣調(diào)整到水平放置，隨著太陽(yáng)升起，光伏方陣逐漸向東轉(zhuǎn)動(dòng)（而不是跟著太陽(yáng)自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)），在逐漸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的同時(shí)，避免相互遮擋，直到完全對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)之后，光伏方陣開(kāi)始正常地自東向西隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。下午時(shí)，在達(dá)到設(shè)計(jì)位置后，光伏方陣又開(kāi)始自西向東反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yáng)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(méi)有調(diào)整能力，反而多多少少會(huì)存在遮擋。
赤道坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)反向跟蹤時(shí)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(shí)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?、赤緯角（日期）δ確定后，可計(jì)算出太陽(yáng)出升后每5min的太陽(yáng)高度角和方位角，再通過(guò)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(shí)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(shí)刻的方陣間距D，且對(duì)于地平坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，總有方陣方位角等于太陽(yáng)方位角，即β=r。任意時(shí)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(yáng)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(jià)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(yáng)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(shuō)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(guó)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(cè)，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(guó)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(jià)上網(wǎng)時(shí)間更快到來(lái)。中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)光伏專委會(huì)編制的“中國(guó)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(jià)上網(wǎng)，光伏上網(wǎng)電價(jià)低于0.8元/kWh；2025年實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)平價(jià)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(jià)上網(wǎng)，即光伏上網(wǎng)電價(jià)達(dá)到0.5～0.6元/kWh，不再需要國(guó)家補(bǔ)貼。這就要求光伏電價(jià)要從現(xiàn)在的0.9～1.0元/kWh下降40%～50%。通過(guò)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。
