雙面光伏組件背面無遮擋時的發(fā)電量研究

陳桂佳，潘少峰，陸文俊，索博鵬

(江蘇林洋能源股份有限公司，啟東 226200)

0 引言

隨著近幾年太陽電池技術的迅猛發(fā)展，自2015年起，雙面太陽電池和雙面光伏組件出現(xiàn)在光伏產(chǎn)業(yè)的舞臺上。雖然相較于傳統(tǒng)的單面光伏組件，雙面光伏組件的成本略高，但二者的差價已經(jīng)越來越小。由于雙面光伏組件具有背面發(fā)電的特性，如何利用這一特性使光伏電站發(fā)電量得到最大化利用，從而降低光伏發(fā)電的度電成本、提高光伏電站項目的投資回報率，值得深入探討與研究。

單面光伏組件僅正面能接收太陽光，因此在組件安裝過程中，即使光伏支架或其他障礙物對組件背面產(chǎn)生遮擋也不會影響光伏組件的發(fā)電量。陳建國等[1]通過理論分析研究了雙面光伏組件采用不同安裝方式時光伏電站的經(jīng)濟收益情況。韓國棟等[2]研究了光伏組件采用不同安裝方式時，組件表面接收的太陽輻射量情況，但并未對雙面光伏組件背面無遮擋時的安裝方式進行研究。

吳翠姑等[3]研究了在不同地面背景下雙面光伏組件的發(fā)電量輸出特性，結果發(fā)現(xiàn)，地面背景反射率越高，雙面光伏組件背面的發(fā)電量越大。BRENNAN等[4]研究了不同地面背景的光譜反射率，結果顯示，在波長0～800 nm時雪地的光譜反射率最高。馬少華等[5]的研究指出，雪地背景下雙面光伏組件的發(fā)電效率最高。

SHAHRIAR等[6]、陳艷等[7]通過對地面光伏電站中采用不同光伏支架形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量進行對比發(fā)現(xiàn)，采用不同光伏支架形式時光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量存在明顯差異；相較于固定式光伏支架，平單軸跟蹤光伏支架可使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提升10%～25%，斜單軸跟蹤光伏支架可使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提升15%～35%，雙軸跟蹤光伏支架可使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提升25%～40%。

但上述研究僅針對光伏組件的安裝方式、光伏支架形式、背景反射率等因素中的某個因素對光伏電站發(fā)電量的影響進行了研究，并未進行綜合研究。因此，本文將上述因素進行組合，研究了不同光伏支架形式、不同背景反射率及不同組件背面遮擋條件對雙面光伏組件發(fā)電量的影響。

1 雙面光伏組件

相較于傳統(tǒng)的單面光伏組件，雙面光伏組件的背面必須使用透明材料，太陽光線通過組件背面的透明材料后被吸收，從而使組件背面也獲得發(fā)電性能。目前市場上的雙面光伏組件背面以采用玻璃為主，同時也有少量采用透明背板。

雙面光伏組件背面接收的太陽輻射量是影響雙面光伏組件發(fā)電量的關鍵因素。而影響雙面光伏組件背面接收太陽輻射量的因素主要包括背景反射率、組件最低點離地高度、組件安裝傾角、支架行間距、組件背面遮擋和陰影情況等。本文主要研究的是通過提高背景反射率、減少組件背面遮擋的方法來達到提高雙面光伏組件發(fā)電量的目的。

2 光伏支架形式

根據(jù)運行方式不同，光伏支架可分為固定式光伏支架和跟蹤式光伏支架2類。固定式光伏支架包括固定傾角式光伏支架和固定可調(diào)式光伏支架2種；跟蹤式光伏支架可分為平單軸跟蹤光伏支架、斜單軸跟蹤光伏支架和雙軸跟蹤光伏支架。其中，平單軸跟蹤光伏支架因可靠性高，得到了廣泛的認可和應用，尤其在中低緯度地區(qū)，平單軸跟蹤光伏支架能夠顯著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。

2.1 固定式光伏支架

采用固定式光伏支架時光伏組件的典型安裝方式如圖1所示。從圖1中可以看到，該安裝方式下，光伏組件背面存在2根檁條。

根據(jù)組件排布方式和支架結構不同，組件背面通常會存在0～2根檁條。由于單面光伏組件安裝時不需要考慮組件背面遮擋的問題，因此單面光伏組件可選擇的支架結構形式較多。而為了盡量增加雙面光伏組件背面接收的太陽輻射量，在進行光伏支架設計和選型時，應盡量避免支架構件對雙面光伏組件背面產(chǎn)生遮擋和陰影，因此有時需要對支架結構進行調(diào)整。但當支架構件對組件背面產(chǎn)生的遮擋實在無法避免時，應在允許的范圍內(nèi)加大支架構件與組件背面之間的距離。

圖1 采用固定式光伏支架時光伏組件的典型安裝方式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of typical installation method of PV modules with fixed PV bracket

固定式光伏支架上雙面光伏組件背面無遮擋時的典型安裝方式示意圖，如圖2所示。

圖2 采用固定式光伏支架雙面光伏組件背面無遮擋時的典型安裝方式示意圖Fig. 2 Schematic diagram of typical unshielded installation method of back of bifacial PV modules with fixed PV bracket

由圖2可以看到，此種安裝方式下雙面光伏組件的背面無檁條，因此不存在由支架構件造成的遮擋。

2.2 平單軸跟蹤光伏支架

平單軸跟蹤光伏支架目前已廣泛應用于國內(nèi)外光伏電站中，其主要由支架硬件(鋼結構)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)3部分構成。平單軸跟蹤光伏支架可以實時根據(jù)太陽高度角進行旋轉，同時當太陽光入射角度較低時，其可以調(diào)整組件角度，使光伏支架前后排的組件之間不產(chǎn)生陰影，從而可以提高光伏組件的發(fā)電量。

根據(jù)平單軸跟蹤光伏支架單個驅動裝置能帶動的支架列數(shù)不同，其可分為單列平單軸跟蹤光伏支架和多列平單軸跟蹤光伏支架。單列平單軸跟蹤光伏支架可安裝60～180塊光伏組件；多列平單軸跟蹤光伏支架目前最多為32列，每列可以安裝60～90塊光伏組件。由單列平單軸跟蹤光伏支架構成的跟蹤系統(tǒng)的單位占地面積較小，可以很好地適應復雜地形條件；而多列平單軸跟蹤光伏支架應用于場區(qū)地勢平坦的光伏電站的案例較多。

圖3為采用平單軸跟蹤光伏支架時單面光伏組件和雙面光伏組件的典型安裝方式。其中，圖3b中雙面光伏組件與平單軸跟蹤光伏支架主軸之間有空隙。

圖3 采用平單軸跟蹤光伏支架時單面光伏組件和雙面光伏組件的典型安裝方式Fig. 3 Typical installation methods of single-sided PV modules and bifacial PV modules with horizontal single-axis tracking PV bracket

由圖3可知，采用平單軸跟蹤光伏支架時，若雙面光伏組件采用圖3b的安裝方式，其背面不存在由支架構件造成的遮擋。

3 不同遮擋條件時雙面光伏組件背面的發(fā)電量測試

3.1 屋頂光伏電站的發(fā)電量測試

3.1.1 屋頂光伏電站的配置

本次測試以江蘇省南京市江寧區(qū)某屋頂光伏電站為例。該光伏電站采用285 Wp雙面光伏組件20塊，固定傾角為24°的光伏支架(下文簡稱“固定24°光伏支架”)20套，以及微型逆變器20臺。1套光伏支架上安裝1塊雙面光伏組件，組件背面有2根檁條遮擋和無檁條遮擋的光伏支架各為10套，有檁條遮擋的組件采用豎裝的排布方式，無檁條遮擋的組件采用橫裝的排布方式，2種配置的雙面光伏組件總容量均為2.85 kWp。需要說明的是，本次測試時，雙面光伏組件直接固定在檁條上，檁條與組件的距離為壓塊厚度的1/2。表1為該屋頂光伏電站的具體配置情況。

表1 屋頂光伏電站的具體配置情況Table 1 Specific configuration of roof PV power station

固定式光伏支架上雙面光伏組件采用背面無遮擋安裝方式時的照片如圖4所示。

于2018年1月1日～10月30日對2種配置方式的雙面光伏組件發(fā)電量進行了為期10個月的測試。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，都采用固定24°光伏支架時，背面有2根檁條遮擋的單位kW雙面光伏組件的發(fā)電量為987.3 kWh，而背面無檁條遮擋的單位kW雙面光伏組件的發(fā)電量為1002.4 kWh。由此可知，背面無檁條遮擋的單位kW雙面光伏組件的發(fā)電量比背面有2根檁條遮擋的雙面光伏組件的提高了1.5%。

圖4 固定式光伏支架上雙面光伏組件采用背面無遮擋安裝方式時的照片F(xiàn)ig. 4 Photo of unshielded installation method of back of bifacial PV modules with fixed PV brackets

3.2 農(nóng)光互補型地面光伏電站的發(fā)電量測試

3.2.1 地面光伏電站的配置

基于上文屋頂光伏電站小規(guī)模測試的測試結果，在雙面光伏組件背面無遮擋的前提下，本次進行更大規(guī)模的農(nóng)光互補型地面光伏電站的測試，針對不同支架形式、不同背景反射率時雙面光伏組件的發(fā)電量情況進行分析。

本次測試以安徽省淮北市濉溪縣劉橋鎮(zhèn)的某農(nóng)光互補型地面光伏電站(116.76°E，33.92° N)為例。該光伏電站采用295 Wp的雙面光伏組件；采用的光伏支架有2種，一種為固定傾角為25°的光伏支架，另一種為追蹤范圍為-60°～60°的平單軸跟蹤光伏支架，2種光伏支架搭配的雙面光伏組件的總容量均為500 kW；采用容量為50 kW的組串式逆變器。

由于光伏支架下方的地面背景不同，背景反射率也就不同，導致雙面光伏組件背面接收的太陽輻射量也存在差異。下文對采用上述2種不同光伏支架形式且支架下方分別為無白色溫室大棚(即為普通土地)和有白色溫室大棚的配置條件下單位kW雙面光伏組件的發(fā)電量情況進行了分析。

具體的4種配置方式為：固定傾角為25°的光伏支架+雙面光伏組件+無白色溫室大棚(下文簡稱為“固定25°+雙面光伏組件+無大棚”)、固定傾角為25°的光伏支架+雙面光伏組件+有白色溫室大棚(下文簡稱為“固定25°+雙面光伏組件+白色大棚”)、平單軸跟蹤光伏支架+雙面光伏組件+無白色溫室大棚(下文簡稱為“平單軸跟蹤+雙面光伏組件+無大棚”)、平單軸跟蹤光伏支架+雙面光伏組件+有白色溫室大棚(下文簡稱為“平單軸跟蹤+雙面光伏組件+白色大棚”)。該地面光伏電站的具體配置情況如表2所示。圖5為平單軸跟蹤光伏支架下方有白色溫室大棚時的照片。

表2 地面光伏電站的具體配置情況Table 2 Specific configuration of groud PV power station

圖5 平單軸跟蹤光伏支架下方有白色溫室大棚的照片F(xiàn)ig. 5 Photo of white greenhouse under horizontal single-axis tracking PV bracket

3.2.2 測試結果分析

測試時間為2018年1月1日～2019年11月30日，為方便對比，從測試時間中選取1年，即對2018年12月1日～2019年11月30日的測試結果進行數(shù)據(jù)分析。

表3為不同配置條件下單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量情況。由表3可知：

1)都為無白色溫室大棚時，支架類型不同，單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量也不同；其中，采用平單軸跟蹤光伏支架時雙面光伏組件的年發(fā)電量比采用固定傾角為25°的光伏支架時的提高了10.57%。

表3 不同配置條件下單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量情況Table 3 Annual power generation of per kW bifacial PV modules under different configuration conditions

2)支架類型相同的條件下，有白色溫室大棚的雙面光伏組件的年發(fā)電量較高。

3)均采用固定傾角為25°的光伏支架時，有白色溫室大棚時單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量比無白色溫室大棚時的提高了1.68%。

4)均采用平單軸跟蹤光伏支架時，有白色溫室大棚時單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量比無白色溫室大棚時的提高了3.82%。

5)都有白色溫室大棚時，采用平單軸跟蹤光伏支架時單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量比采用固定傾角為25°的光伏支架時的提高了12.90%。

6)采用平單軸跟蹤光伏支架且有白色溫室大棚時單位kW雙面光伏組件的年發(fā)電量比采用固定傾角為25°的光伏支架且無白色溫室大棚時的提高了14.80%。

根據(jù)測試得到的不同配置條件下雙面光伏組件每個月的發(fā)電量數(shù)據(jù)，以“固定25°+雙面光伏組件+無大棚”的月發(fā)電量為基準，通過數(shù)據(jù)處理，可以得到不同配置條件下雙面光伏組件各月發(fā)電量相對于基準發(fā)電量的增益數(shù)值，具體如圖6所示。

圖6 與基準相比，不同配置條件下的發(fā)電量增益情況Fig. 6 Generation gain under different configuration conditions compared to benchmark

由圖6可以看出：

1)隨著時間的變化，都采用平單軸跟蹤光伏支架時，無論有無白色溫室大棚，與基準相比，雙面光伏組件發(fā)電量增益均呈現(xiàn)不斷提升的趨勢，且在2019年5月時達到最高，然后增益呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；

2)與基準相比，平單軸跟蹤光伏支架搭配雙面光伏組件時的發(fā)電量增益主要集中在2019年2～8月，且在5月時“平單軸+雙面光伏組件+白色大棚”配置條件下，雙面光伏組件的發(fā)電量增益超過25%。

4 經(jīng)濟性對比

根據(jù)表2中的4種配置方式，對單位kW雙面光伏組件的設備配置進行經(jīng)濟性分析，具體如表4所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出：

1)雙面光伏組件搭配平單軸跟蹤光伏支架時，單位kW雙面光伏組件的IRR有明顯提升，最高可達12.98%。

表4 單位kW雙面光伏組件在不同配置方式時的設備配置成本及投資回收期Table 4 Equipment configuration cost and payback period of per kW bifacial PV modules under different configuration conditions

2)無論采用何種支架形式，通過搭配白色溫室大棚，都會提高單位kW雙面光伏組件的IRR，縮短投資回收期。

3)平單軸跟蹤光伏支架搭配白色溫室大棚的配置方式可以顯著提高單位kW雙面光伏組件的IRR。

上述分析中考慮了光伏組件衰減及電站運維成本等一系列因素，但未考慮溫室大棚的建設成本及大棚中的作物帶來的經(jīng)濟效益。

5 結論

本文對不同光伏支架形式、不同背景反射率及不同組件背面遮擋條件下雙面光伏組件的發(fā)電量情況進行了測試，并對測試數(shù)據(jù)進行了分析比較，得到以下結論：

1)組件容量相同且均采用固定式光伏支架時，背面無檁條遮擋的雙面光伏組件的單位kW發(fā)電量比背面有2根檁條遮擋的雙面光伏組件的提高了1.5%；

2)在雙面光伏組件背面無遮擋的前提下，有白色溫室大棚時，相比于固定傾角為25°的光伏支架，采用平單軸跟蹤光伏支架的雙面光伏組件的年發(fā)電量增益優(yōu)勢明顯，增益可達12.90%；

3)白色溫室大棚可以增加雙面光伏組件的發(fā)電量，再搭配平單軸跟蹤光伏支架時，發(fā)電量增益的優(yōu)勢更明顯；

4)在雙面光伏組件背面無遮擋的前提下，“平單軸跟蹤+雙面光伏組件+白色大棚”配置時，雙面光伏組件的發(fā)電量優(yōu)勢明顯，與“固定25°+雙面光伏組件+無大棚”的配置相比，年發(fā)電量增益可達到14.80%；

平單軸跟蹤光伏支架可以明顯降低光伏電站項目的投資回收期，提高內(nèi)部收益率，預期在未來光伏電站項目中會得到越來越多的應用。