雙面光伏組件發(fā)電特性實(shí)證分析

劉飛 孔林婷 李翔虹

（1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西寧太陽能電力分公司 青海省西寧市 810007）

（2.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司太陽能電池及組件研發(fā)實(shí)驗(yàn)室 青海省西寧市 810007）

（3. 青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司 陜西省西安市 710199）

雙面光伏組件是光伏產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，它以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使得發(fā)電量大幅提升。雙面光伏組件相較于單面光伏組件，其發(fā)電增益主要由背面發(fā)電量決定，所以對地面環(huán)境要求較高，需要選取合適的反射面，提高光的反射率，使雙面組件獲得更高的發(fā)電量。

1 雙面光伏組件的類型、特點(diǎn)以及發(fā)電特性

傳統(tǒng)的光伏組件由于其單面發(fā)電的特點(diǎn)，只能利用照射到其正面的光照資源，將光能轉(zhuǎn)換為電能。與之相比，雙面光伏組件的背面也可以將入射的光能轉(zhuǎn)換。因此，雙面光伏組件的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)不僅包括簡單的光電轉(zhuǎn)換效率、功率等參數(shù)，還包括另一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，即雙面光伏組件背面峰值功率與正面峰值功率的百分比，我們將其稱之為雙面率。

現(xiàn)階段，雙面光伏組件有兩種技術(shù)路線，分別是P型雙面光伏組件和N型雙面光伏組件。依據(jù)不同光伏組件使用的電池類型，又可以將這些雙面光伏組件分為三種：

（1）PERC雙面光伏組件；

（2）HIT雙面光伏組件；

（3）PERT雙面光伏組件。

這三種類型的雙面光伏組件各有特點(diǎn)。

首先，PERC雙面光伏組件較容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造花費(fèi)較低，因此，生產(chǎn)這種類型的光伏組件整體性價(jià)比較高。但是這種雙面光伏組件存在一定劣勢，其組件背面光電轉(zhuǎn)換效率不高，僅為10%-15%；其次，HIT雙面光伏組件采用對稱結(jié)構(gòu)及低溫制造技術(shù)，產(chǎn)品具備較高的開路電壓，溫度特性和光照穩(wěn)定性都表現(xiàn)良好；最后，PERT雙面光伏組件由于其獨(dú)特的工藝設(shè)計(jì)不存在光致衰減效應(yīng)，并且溫度系數(shù)較低，輸出功率不易受溫度影響，在實(shí)際的使用中，通過測量我們得知，這種雙面光伏組件的雙面率可以達(dá)到90%，與PERC這種類型的雙面光伏組件相比，它的背面發(fā)電量增益要處在一個(gè)更高的水平。因此，對于一片面積有限的區(qū)域而言，如果想最大限度的增加發(fā)電效率，選用PERT雙面光伏組件更加適宜，它可以提升光電轉(zhuǎn)換效率。換言之，它的電能輸出能力更強(qiáng)。

雙面光伏組件可以提高太陽能的利用率，增強(qiáng)組件對光線的吸收，使組件具有更高的發(fā)電量。雙面光伏組件正面、背面均可發(fā)電，不僅可以對直射光進(jìn)行吸收，還能夠吸收物體的反射光，保證光伏組件背面也可進(jìn)行發(fā)電。采用這種發(fā)電方式，能夠?qū)⒔M件發(fā)電量提升20%-30%，因而具有較高的實(shí)用價(jià)值，已被廣泛應(yīng)用。在雙面光伏組件發(fā)電過程中，反射面對發(fā)電量有較大影響。常見的反射面有白漆、水泥、草地等，不同反射面反射率不同，所以需要合理選擇反射面，保證太陽光反射量充足，提升雙面光伏組件發(fā)電效果。為了保證雙面光伏組件的發(fā)電效率，需要結(jié)合組件自身特點(diǎn)及地面反射率，在兩者的綜合作用下實(shí)現(xiàn)雙面光伏組件良好的發(fā)電特性[1]。

2 雙面光伏組件測試標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展及能源相關(guān)政策

現(xiàn)階段，光伏技術(shù)早已脫離早前的概念階段，大步跨入產(chǎn)業(yè)化階段，并且發(fā)展態(tài)勢蓬勃強(qiáng)勁。光伏產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成為當(dāng)今世界競爭的一個(gè)重要領(lǐng)域，在這個(gè)競爭局面中，我國取得了領(lǐng)先優(yōu)勢，對于相關(guān)光伏電站的金融投資熱度也在不斷提升。

就當(dāng)今形勢而言，國際上現(xiàn)有的光伏行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)，大多是以最初的單面光伏組件作為重點(diǎn)研究對象，這些標(biāo)準(zhǔn)也就更適宜衡量單面光伏組件性能，卻不適用于雙面光伏組件，導(dǎo)致對于雙面光伏組件參數(shù)無法準(zhǔn)確測量，對其性能無法作出恰當(dāng)評估。這對雙面光伏組件電性能標(biāo)識(shí)的確定帶來不利影響，導(dǎo)致雙面光伏組件交易市場上買賣雙方對于產(chǎn)品的參數(shù)理解產(chǎn)生很大分歧。除此之外，標(biāo)識(shí)功率的不明確會(huì)對終端系統(tǒng)造成負(fù)面影響，也給雙面光伏組件的設(shè)計(jì)開發(fā)帶來一定阻礙。

為了解決這一問題，國際上許多專業(yè)檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入探究，并且在反復(fù)實(shí)踐中，取得了一定進(jìn)展。截至目前，已有相當(dāng)一部分與雙面光伏組件電性能測試方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范發(fā)布，對雙面光伏組件的具體定義、雙面發(fā)電增益率的具體定義做出了規(guī)范，同時(shí)也對雙面光伏組件的測試方法做出規(guī)定[2]。

2021年3月15日召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議，研究促進(jìn)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展問題和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的基本思路和主要舉措。習(xí)近平同志在會(huì)上發(fā)表重要講話強(qiáng)調(diào)，我國平臺(tái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處在關(guān)鍵時(shí)期，要著眼長遠(yuǎn)、兼顧當(dāng)前，補(bǔ)齊短板、強(qiáng)化弱項(xiàng)，營造創(chuàng)新環(huán)境，解決突出矛盾和問題，推動(dòng)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)規(guī)范健康持續(xù)發(fā)展。如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)。會(huì)議正式吹響了我國電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)清潔轉(zhuǎn)型和自我革命的“沖鋒號(hào)”，這為清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了清晰的發(fā)展方向，對光伏產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 雙面光伏組件電氣模型

為了保證發(fā)電量分析的準(zhǔn)確性，需要構(gòu)建雙面光伏組件電氣模型，同時(shí)利用公式分析，對影響發(fā)電功率的因素進(jìn)行研究。

3.1 雙面光伏組件電氣模型

雙面光伏組件發(fā)電性能可以通過輸出功率進(jìn)行衡量，對光伏組件正面發(fā)電量和背面發(fā)電量求和，進(jìn)而完成雙面光伏組件電氣模型的構(gòu)建。模型具體建立過程如下：

光伏組件功率Pm計(jì)算公式如下：

式中，Pr為組件功率；GT為輻射量；Gr為輻射強(qiáng)度；γ為溫度系數(shù)；Tc為環(huán)境溫度。光伏組件正面、背面對光的吸收是不同的，并且呈現(xiàn)正比關(guān)系，假設(shè)比例系數(shù)為α，正面吸收功率為PD，背面吸收功率為PB，則三者有如下關(guān)系：

通過上式可以對總輻射量進(jìn)行折算，得出GT的計(jì)算式，表示如下：

GF為正面輻射量，GB為背面輻射量。將GT代入Pm便可以得到雙面光伏組件電氣模型P，具體表示如下：

通過研究雙面光伏組件電氣模型，形成量化分析手段，為分析過程提供重要依據(jù)。

3.2 影響發(fā)電量的主要因素

影響雙面光伏組件發(fā)電量的主要因素為正面輻射量和背面輻射量，后者的影響要高于前者。影響背面輻射量的因素主要為反射面，即需要合理選擇地面鋪裝材料，保證地面具有良好的反射率，增加組件背面光的反射，提升組件背面發(fā)電效果。本文采用實(shí)證方式進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，有助于分析地面反射率，探究地面對雙面光伏組件發(fā)電量的影響。

4 雙面光伏組件發(fā)電損失分析

雙面光伏組件存在發(fā)電損失現(xiàn)象，發(fā)電損失分為溫度損失和衰減損失兩種情況。為了降低影響，需要對組件的功率溫度系數(shù)和衰減率進(jìn)行控制，保證光伏組件對環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，提高光電轉(zhuǎn)化效率，穩(wěn)定可靠發(fā)電。

4.1 溫度損失

光伏組件實(shí)際運(yùn)行過程中，溫度損失會(huì)對發(fā)電功率產(chǎn)生不可避免的影響。光伏組件輸出功率由輸出電壓、電流決定，受到半導(dǎo)體材料自身性能的限制，隨著溫度升高，組件輸出電壓將會(huì)下降，從而導(dǎo)致輸出功率下降。溫度損失情況可以由功率溫度系數(shù)進(jìn)行衡量，功率溫度系數(shù)越小，光伏組件的輸出功率受溫度的影響就越小。因此，在選擇光伏組件時(shí)，需要選擇功率溫度系數(shù)較小的組件，如P型PERC組件，功率溫度系數(shù)為-0.38%/℃；N型PERT組件，功率溫度系數(shù)為-0.32%/℃。運(yùn)行溫度受到輻照度與環(huán)境溫度的影響，以P型PRRC組件為例，當(dāng)輻照度在100-400W/m2之間、環(huán)境溫度為19.3℃時(shí)，組件運(yùn)行溫度為32.5℃；當(dāng)輻照度在400-700W/m2之間、環(huán)境溫度為21.4℃時(shí)，組件運(yùn)行溫度為43.5℃。為了保證光伏組件溫度損失盡量小，需要選擇合適的光伏組件，從而保證光伏組件的發(fā)電功率[3]。

4.2 衰減損失

隨著發(fā)電過程的進(jìn)行，光伏組件將會(huì)逐漸發(fā)生老化現(xiàn)象，發(fā)電量將會(huì)逐年衰減，導(dǎo)致發(fā)電量損失。光伏電池硅片內(nèi)部的B-O復(fù)合體是導(dǎo)致衰減損失的關(guān)鍵，一旦復(fù)合體處于激活狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致硅片產(chǎn)生隱患，進(jìn)而導(dǎo)致組件發(fā)生老化，影響組件正常運(yùn)行。衰減損失可以由衰減率進(jìn)行評估，以P型PERC組件為例，首年衰減率為1.73%，隨著時(shí)間的積累，衰減情況將繼續(xù)加深，導(dǎo)致光伏組件發(fā)電量下降。因此，需要選擇抗衰減能力較強(qiáng)的光伏組件，使衰減損失得到有效降低，實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)電效果。以N型TOPCon-PERT組件為例，首年衰減率為0.82%，與P型PERC組件相比，可以將首年衰減率降低一半以上，具有良好的抗衰減性能。

5 雙面光伏組件發(fā)電特性實(shí)證

5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝

為進(jìn)行雙面光伏組件發(fā)電特性分析，需開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對不同環(huán)境下的發(fā)電情況進(jìn)行探究。不同地面反射率差異較大，因此需在其他條件相同的情況下，設(shè)置不同反射面進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同反射面的發(fā)電情況，為反射面的選擇提供依據(jù)。本文實(shí)證分析采用尺寸相同、功率為285W的N型雙面光伏組件，根據(jù)安裝地點(diǎn)的海報(bào)高度、太陽輻照度及周圍遮擋情況，設(shè)置合理的安裝傾角，且保證各組件傾角一致。設(shè)置組件離地高度為0.5m，便于對組件進(jìn)行維護(hù)與觀察，使試驗(yàn)過程能夠順利開展[4]。

按照上述條件對雙面光伏組件進(jìn)行安裝，反射面分別選用白漆、鋁箔、人造草地、白水泥、白石子進(jìn)行試驗(yàn)，確定不同地面對發(fā)電量的影響。各種地面的具體設(shè)計(jì)如下：

（1）白漆地面。采用白色地坪漆對地面進(jìn)行均勻涂抹，將其作為反射面，探究白漆材料對發(fā)電效果的影響。

（2）鋁箔地面，采用鋁箔材料對地面進(jìn)行鋪設(shè)。

（3）人造草地地面。采用綠色人造草坪作為反射面，對反射效果進(jìn)行分析。通常情況下，草坪的反射效果要差一些，可作為反面對比組。

（4）白水泥地面。采用白色水泥對地面進(jìn)行涂抹，形成2cm厚的反射面進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）白石子地面。采用白色小顆粒石子對地面進(jìn)行鋪裝，形成均勻的反射面，對雙面光伏組件進(jìn)行發(fā)電量試驗(yàn)。

5.2 發(fā)電量增益分析

5.2.1 發(fā)電量影響因素

環(huán)境對發(fā)電量有較大的影響，主要影響因素如下：

（1）天氣因素。在光線強(qiáng)烈的條件下，地面反射效果較強(qiáng)，可以有效增加組件背面發(fā)電功率。相對地，陰雨天氣時(shí)，發(fā)電效果較差，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量下降。

（2）季節(jié)因素。以夏、冬兩季對比為例，夏季光照充足，發(fā)電量明顯較高，而冬季光照條件較差，發(fā)電量會(huì)減少。

（3）地面因素。不同地面的反射條件不同，以白石子、白水泥為例，在其他條件相同的情況下，無論在何種季節(jié)，以白石子作為反射面的雙面光伏組件發(fā)電量要高于白水泥，前者比后者的增益要高出5%左右[5]。

5.2.2 發(fā)電量增益計(jì)算

通過發(fā)電量增益可以對組件背面發(fā)電量進(jìn)行評估，發(fā)電量增益α計(jì)算公式如下：

式中，WB為組件背面發(fā)電量；WD為組件正面發(fā)電量。各個(gè)場景中WD的變化相差不大，而WB將會(huì)隨著地面場景的變化而變化，這樣就可以初步對發(fā)電量增益的影響形成判斷。由上式可知，在WD不變的情況下，WB越大，發(fā)電量增益α越大，說明組件背面發(fā)電量越高，這時(shí)雙面光伏組件的總發(fā)電量將會(huì)隨之增加。

5.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對不同場景的雙面光伏組件進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到發(fā)電量及其增益如下：白漆：發(fā)電量1299.35kW/h，增益16.93%；鋁箔：發(fā)電量210.03kW/h，增益14.48%；人造草地：發(fā)電量670.52kW/h，增益6.98%；白水泥：發(fā)電量840.29kW/h，增益15.96%；白石子：發(fā)電量854.56kW/h，增益16.11%。

5.2.4 數(shù)據(jù)分析

由上述數(shù)據(jù)可知，發(fā)電量增益對發(fā)電量具有一定的影響，通常情況下，發(fā)電量增益越大，發(fā)電量就會(huì)越高，從白漆、人造草地、白水泥、白石子作為反射面采集到的相關(guān)發(fā)電數(shù)據(jù)便可看出，滿足發(fā)電量隨增益增加而提高這一規(guī)律。然而，鋁箔卻不滿足，對原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在鋁箔試驗(yàn)過程中，天氣為陰天，光照強(qiáng)度明顯不足，因而導(dǎo)致總發(fā)電量過小而增益較大。實(shí)際上，鋁箔的發(fā)電量及增益要在人造草地之上。在地面場景中，白漆、白水泥、白石子的發(fā)電量增益較高，且明顯高于人造草地。然而，在發(fā)電量方面，白漆的發(fā)電量最高，高于其他地面場景400kW/h以上，且發(fā)電量增益也處于較高水平。因此，反射面選擇上，可以從白漆、白水泥、白石子中進(jìn)行選擇，具體選擇何種方式需要綜合考慮材料成本、運(yùn)行維護(hù)等因素。

5.3 模擬發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量對比

5.3.1 模擬發(fā)電量

為了對不同地面的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測，需對發(fā)電量進(jìn)行模擬，對雙面光伏組件發(fā)電效果進(jìn)行輔助分析。采用PVsyst軟件，通過參數(shù)配置對發(fā)電環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建。地面場景需要對反射率進(jìn)行模擬，具體參數(shù)設(shè)定如下：白漆88%、鋁箔55%、人造草地25%、白水泥70%、白石子80%。通過上述參數(shù)設(shè)定即實(shí)現(xiàn)反射面模擬，結(jié)合雙面光伏組件電氣模型，可以得到較為準(zhǔn)確的模擬發(fā)電量。通過軟件模擬得到發(fā)電量數(shù)據(jù)如下：白漆1300.24kW/h、鋁箔790.25kW/h、人造草地671.48kW/h、白水泥842.77kW/h、白石子855.41kW/h。

5.3.2 發(fā)電量對比

通過對比模擬發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)非常接近，認(rèn)為通過軟件對反射面進(jìn)行發(fā)電量模擬具有較高的準(zhǔn)確性。模擬發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量相差小于20kW/h，說明模擬發(fā)電量具有較高的精度。若兩者相差過大，大于50kW/h，則需要對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對相差過大的原因進(jìn)行探究，確保對比結(jié)果的可靠性。通過模擬發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量的對比，有助于探究組件發(fā)電量較低的實(shí)際原因，使設(shè)計(jì)過程得到有效優(yōu)化。

6 結(jié)論

綜上所述，采用雙面光伏組件可以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，提升發(fā)電量。地面反射率對發(fā)電量影響較大，白漆、白石子、白水泥的反射率較高，配合雙面組件具有更好的發(fā)電效果。