雙面光伏組件發(fā)電特性實(shí)證及模擬研究

陸 煒，田介花，潘少峰，陸文俊，索博鵬，關(guān)連松

(江蘇林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

1 雙面光伏組件的發(fā)電特性

圖1為光線(xiàn)在雙面光伏組件周?chē)鷤鬏數(shù)氖疽鈭D。由圖可知，雙面光伏組件正面主要是通過(guò)吸收太陽(yáng)的直射光、地面的反射光和天空的散射光進(jìn)行發(fā)電，背面是通過(guò)吸收地面的反射光和周?chē)纳⑸涔膺M(jìn)行發(fā)電。因此，地面的反射率直接影響到雙面光伏組件背面的發(fā)電量。地面反射率越高，雙面光伏組件背面接收到的反射光就越多，背面發(fā)電量就越高。在地面反射率很高時(shí)，雙面光伏組件能夠提高10%～ 30%[1]的發(fā)電量。

2 雙面光伏組件發(fā)電模型

2.1 雙面光伏組件正面輻射量模型

雙面光伏組件的正面輻射量GF可以采用Perez輻射量模型[2]進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)此模型，正面輻射量GF包括來(lái)自太陽(yáng)的直射輻射量GDNI、地面的反射輻射量GGRI及散射輻射量GDI。GDI包括來(lái)自天空的散射輻射量GSKY、來(lái)自太陽(yáng)輻射前向散射中集中在靠近太陽(yáng)的環(huán)形區(qū)域的散射輻射量GCIR，以及來(lái)自地面附近的一個(gè)帶形區(qū)域的地平面亮度散射輻射量GHOR。由于GCIR和GHOR分量很小，可以忽略，所以在計(jì)算GDI時(shí)只需要考慮GSKY即可。根據(jù)Perez模型，GF可表示為：

式中，CFSKY為各項(xiàng)同性散射分量的配置因子，可以通過(guò)天空的視角來(lái)確定；θ為太陽(yáng)光的入射角。

2.2 雙面光伏組件背面輻射量模型

雙面光伏組件的背面輻射量GB主要包括天空的散射輻射量、地面的反射輻射量及組件后部環(huán)境的反射輻射量，以及當(dāng)太陽(yáng)可以直射到組件背面時(shí)，太陽(yáng)的直射輻射量和太陽(yáng)輻射前向散射中集中在靠近太陽(yáng)的環(huán)形區(qū)域的散射輻射量。由于組件背面對(duì)應(yīng)的地面位置不同，其對(duì)應(yīng)的配置因子和入射角也不同，文獻(xiàn)[3]中把視場(chǎng)劃分為180個(gè)1°的子段，每個(gè)子段擁有不同的配置因子CF和入射角校正因子F，最后將每個(gè)子段的輻射數(shù)據(jù)與配置因子和校正因子相乘，再累加后就可以得到背面的輻射量。文獻(xiàn)[4]中的雙面光伏組件背面輻射量模型為：

式中，b為太陽(yáng)光線(xiàn)入射角的余弦與零這兩個(gè)值中的最大值；Fb為入射光的校正系數(shù)；CFi為第i段CF的校正系數(shù)；Fi為第i段入射角的校正系數(shù)；Gi為第i段的輻射量分量；al為地面反射率。

2.3 雙面光伏組件的電氣模型

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，光伏組件的功率可表示為：

3.加大良性互動(dòng)，強(qiáng)化法律顧問(wèn)制度建設(shè)。充分挖掘法律顧問(wèn)潛力，加強(qiáng)與顧問(wèn)律師的良性互動(dòng)，聘請(qǐng)律師到局法制機(jī)構(gòu)駐點(diǎn)辦公，加強(qiáng)法律顧問(wèn)隊(duì)伍在重大決策合法性審查、規(guī)范性文件制定和國(guó)土資源管理法律課題研究等工作中的積極作用，深度介入法制審查，提前排摸訴訟風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)事前預(yù)警、事中調(diào)解、事后完善的方式，切實(shí)提升預(yù)防和化解行政爭(zhēng)議的能力。

式中，Pmax為組件實(shí)際輸出功率；Pmax,ref為組件出廠功率；GT為組件實(shí)際接收到的輻射量；GT,ref為標(biāo)準(zhǔn)輻射強(qiáng)度，取1000 W/m2；γ為組件溫度系數(shù)；TC為實(shí)際環(huán)境溫度。

由于雙面光伏組件正、背面都接收光線(xiàn)并且都發(fā)電，所以式(3)中的GT為雙面光伏組件正、背面輻射量之和。同時(shí)，由于雙面光伏組件的正面和背面功率不同，二者之間存在一個(gè)比例關(guān)系。該比例關(guān)系可由雙面因子β表示，即：

式中，Pf為雙面光伏組件的正面功率；Pr為雙面光伏組件的背面功率。

通過(guò)雙面因子β將雙面光伏組件背面的輻射量GB折算到正面，再與雙面光伏組件正面輻射量GF相加，就可以得到雙面光伏組件實(shí)際接收到的輻射量GT，即：

將式(5)帶入式(3)，可以得到雙面光伏組件的實(shí)際輸出功率，即：

2.4 影響雙面光伏組件發(fā)電量增益的主要因數(shù)

雙面光伏組件相對(duì)于單面光伏組件的發(fā)電量增益α，可由2種組件的輸出功率來(lái)反映，即：

式中，PS、PD分別為雙面光伏組件和單面光伏組件的輸出功率。

雙面光伏組件的發(fā)電量增益是由GB、GF及β決定的，而β是一個(gè)常量。分析式(1)和式(2)可以發(fā)現(xiàn)，al、θ、CF和F對(duì)GB的影響較大。al是由地面的屬性決定的，θ、CF和F由光伏陣列排布的幾何屬性決定[3]。

下文將通過(guò)實(shí)證案例來(lái)研究雙面光伏組件在不同場(chǎng)景時(shí)的發(fā)電增益特性。

3 不同場(chǎng)景下的雙面光伏組件實(shí)證研究

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組件安裝方式

本實(shí)證系統(tǒng)位于安徽省安慶市某廠區(qū)的屋頂，分別有白漆、鋁箔、灰水泥、白石子、黃沙、防水卷材、人工草地和白水泥8個(gè)不同地面場(chǎng)景。8個(gè)系統(tǒng)的基本情況相同，全部都采用功率為285 W的n型雙面光伏組件，安裝容量為29.73 kW，采用同一型號(hào)的功率為30 kW的逆變器，組件安裝傾角為18°，組件下沿離地高度為0.4 m，數(shù)據(jù)采集周期為2017年3月～2019年2月。不同地面場(chǎng)景的系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2～圖9所示。另外，在同一屋頂安裝了容量為98.56 kW的常規(guī)單面光伏組件，采用與雙面光伏組件相同的傾角及組件下沿離地高度，用于進(jìn)行發(fā)電量對(duì)比。

3.2 發(fā)電量增益分析

雙面光伏組件相對(duì)于單面光伏組件的發(fā)電量增益α可表示為：

式中，α為雙面光伏組件背面發(fā)電量增益；Wr為雙面光伏組件背面每kW發(fā)電量，kWh；Wf為雙面光伏組件正面每kW發(fā)電量，kWh；WB為雙面光伏組件每kW發(fā)電量，kWh；WS為同一傾角的單面光伏組件的每kW發(fā)電量，kWh。

通過(guò)式(8)可以計(jì)算得到，在2017年3月到2019年2月的測(cè)試周期內(nèi)，8種場(chǎng)景下雙面光伏組件相對(duì)于單面光伏組件的發(fā)電量增益情況，具體如表1所示。

表1 不同場(chǎng)景下雙面光伏組件的發(fā)電量增益情況Table 1 Bifacial PV module discharge gain in different scenarios

由表1可知，白石子和白漆場(chǎng)景下雙面光伏組件的發(fā)電量增益最高，分別為18.34%和17.82%；草地場(chǎng)景下雙面光伏組件的發(fā)電量增益最低，為7.07%。

圖10為2017年10月時(shí)白漆場(chǎng)景下雙面光伏組件相對(duì)于單面光伏組件的日發(fā)電量增益曲線(xiàn)。由圖可知，日發(fā)電量增益最高為26%，最低為10%，二者差異較大，這是由于發(fā)電量增益主要受天氣影響的原因。當(dāng)天氣晴朗時(shí)，光線(xiàn)強(qiáng)烈，地面反射到雙面光伏組件背部的光線(xiàn)多，發(fā)電量增益就大；雨天和陰天時(shí)光線(xiàn)較弱，地面反射光和散射光較少，雙面光伏組件的發(fā)電量增益就少。

圖11為2018年6月到2019年2月期間，白石子和白水泥2種場(chǎng)景下雙面光伏組件相對(duì)于單面光伏組件的月發(fā)電量增益曲線(xiàn)。從圖中可以看出，發(fā)電量增益呈夏天高、冬天低的趨勢(shì)，受季節(jié)影響明顯。

4 模擬發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量對(duì)比

在了解了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量模型并獲得了具體的雙面光伏組件實(shí)證數(shù)據(jù)后，將實(shí)證數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)證數(shù)據(jù)校正模擬參數(shù)的設(shè)定，使模擬數(shù)據(jù)可以更接近雙面光伏組件的實(shí)際發(fā)電情況，由此可為未來(lái)采用雙面光伏組件的電站設(shè)計(jì)和投資提供可靠的參考。

目前較為成熟的光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬軟件主要有瑞士的PVsyst、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的 System Advisor Model和 Folsom labs的Helicoscope。本文采用PVsyst軟件對(duì)上文提到的8種場(chǎng)景下系統(tǒng)的發(fā)電量增益的模擬值和實(shí)際值進(jìn)行分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，在模擬時(shí)，8種場(chǎng)景的地面反射率分別是：白漆80%、白石子80%、白水泥70%、防水卷材70%、鋁箔55%、黃沙40%、人造草地25%、灰水泥35%。

通過(guò)模擬上述8個(gè)場(chǎng)景下雙面光伏組件和單面光伏組件系統(tǒng)的發(fā)電量，得到了模擬條件下雙面光伏組件的發(fā)電量增益。表2為8種場(chǎng)景下系統(tǒng)的模擬發(fā)電量增益與實(shí)際發(fā)電量增益情況。

表2 模擬發(fā)電量增益和實(shí)際發(fā)電量增益情況Table 2 Comparison of simulation and real power generation data

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，場(chǎng)景為地面反射率較高的白漆、鋁箔、防水卷材、白水泥和白石子時(shí)，雙面光伏組件的模擬發(fā)電量增益和實(shí)際發(fā)電量增益相差較大。場(chǎng)景為地面反射率較低的黃沙、人造草地和灰水泥時(shí)，雙面光伏組件的模擬發(fā)電量增益和實(shí)際發(fā)電量增益較為接近。因此，在地面反射率較高的場(chǎng)景下模擬時(shí)，需要對(duì)地面反射率的取值進(jìn)行修正，使得到的模擬發(fā)電量值接近實(shí)際值。

修正后各種地面反射率分別為：白漆55%、白石子60%，白水泥50%、防水卷材40%，鋁箔45%，黃沙35%，人造草地25%，灰水泥30%。

圖12為修正地面反射率后的模擬發(fā)電量增益和實(shí)際發(fā)電量增益對(duì)比圖。

從圖12中可以看到，經(jīng)過(guò)地面反射率修正后，8種場(chǎng)景的模擬發(fā)電量增益值和實(shí)際電量增益值都相差較小，均小于2%。

5 結(jié)論

本文研究了雙面光伏組件的發(fā)電模型，通過(guò)實(shí)證系統(tǒng)獲得了雙面光伏組件在不同場(chǎng)景下的實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)和PVsyst軟件模擬的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得到了以下結(jié)論：

1)在白石子和白漆場(chǎng)景下，雙面光伏組件相比于單面光伏組件的發(fā)電量增益更高，分別是18.34%和17.82%；在人造草地場(chǎng)景下，雙面光伏組件的發(fā)電量增益最低，為7.07%。在天氣晴朗、光照條件好時(shí)，雙面光伏組件的發(fā)電量增益較高，在陰雨時(shí)較低。

2)在地面反射率較低的場(chǎng)景下，雙面光伏組件的發(fā)電量增益模擬值與實(shí)際值相近，但是在地面反射率較高的場(chǎng)景下，雙面光伏組件的發(fā)電量增益模擬值比實(shí)際值高。因此，選擇合適的地面反射率可以使發(fā)電量增益模擬值更接近于實(shí)際值。