反光材料在光伏电站中的应用*

荣丹丹，蒋京娜，倪健雄，何　毅

（1. 光伏材料与技术国家重点实验室，河北 保定 071051；2. 英利能源（中国）有限公司，河北 保定 071051）

0　前　言

随着全球化石资源日趋枯竭，能源危机和环境问题日益严峻，人类不断采取措施减少化石能源的消耗，大力开发太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能以及核聚变能等新能源技术。太阳能作为一种清洁、高效、取之不尽的新能源被广泛利用在各个领域。光伏发电作为太阳能的一种利用形式，以其无污染、无噪音、应用简单等特点成为最具潜力的新能源之一[1-3]。

目前，光伏行业主要向高功率和低成本方向发展。国内外光伏厂家及研究机构主要从提高光伏组件光电转换效率、提高光伏组件产品性能、提高光伏组件光的有效接收面积及系统端最大功率点跟踪等几方面降低光伏系统的度电成本[4-6]。研究表明，通过对光伏系统进行优化来增强光伏组件对光的有效吸收可提高光伏系统单瓦发电量[6]。传统的光伏组件为了实现发电功率最大化，在安装时组件需要具有一定安装倾角，一年中方阵最佳倾角取决于当地的地理纬度，大部分地面和屋顶光伏项目均采用固定倾角的安装方式，尽管在个别地面光伏项目中采用的自动追日系统可以使发电量提20%～30%，但在使用过程中仍有一部分光会被组件表面反射到空气中造成浪费，同时由于支架成本的大幅增高（1～2.5倍甚至更高），运行维护成本的大量增加，一定程度上限制了这种安装方式的推广[7-11]。

为了增加光伏组件表面受光面积，提高光伏阵列的发电量，本文通过考虑实验电站当地纬度及光伏系统运行过程中太阳高度角的变化，设计了一种具有反光结构的太阳光伏系统。光伏系统利用反射原理，设置反光系统，将光伏阵列之间的太阳光充分利用，进而提高组件的功率输出，降低发电成本，提高土地利用率，并研究其在实际应用中发电量增益情况，探讨了不同月份及不同气候条件下光伏系统发电量变化。

1　设计原理

实验电站所用的反光材料主要包括反光板和白石子。其中，反光板结构如图1所示，反光板和光伏组件尺寸相同，由玻璃、透明EVA、白色EVA以及背板材料层压装框而成。具有反光结构的太阳能光伏系统的工作原理是通过具有反射性能的反光材料（反光板和白石子）将光线反射至电站中光伏组件的电池片表面，在相同光照条件下能够增加入射到组件表面的光功率，进而提升整个光伏电站的发电功率。

实验电站地点为河北保定地区，本实验通过调整反光板的安装角度来优化其反光效果。电站中光伏组件最佳安装倾角为40°，保定夏至日太阳高度角为 73°27′，冬至日太阳高度角为 27°20′[11]，根据入射角法则、三角公式等进行推算，要保证反光板的光线全部照射到光伏组件上，可计算得出夏至日和冬至日的反光板水平安装角度分别为 84°23′和115°37′，反光系统设计原理图见图 2。图 2标示了实验电站在夏至日和冬至日两种气候状态下太阳入射光线经过反光板的反射路径以及反光板安装角度[11]。

图1　反光板结构示意图Fig. 1　Diagram of the reflector structure

图2　反光系统设计原理图Fig. 2　Diagram of reflector system design

2　实验方案

选用260 W多晶组件，建设两个容量为2 kW的地面电站，两排电站东西向对齐排布。其中，南侧电站为对比电站，电站背景不做任何处理；北侧电站为实验电站，电站背景采用反光板、白石子进行处理。分别将白色反光板放置于第一排电站的支架后侧和第二排电站组件的斜后方，两排电站中间的空地铺设白色石子，根据季节影响太阳高度角变化情况计算角度，控制反光板角度，保证太阳光反射至组件表面并且不对电站组件造成遮挡。为了增加对比准确性，在逆变器与并网端之间增加电表，同时监控两个电站发电量，电站效果图见图3。

图3　电站效果图Fig. 3　Diagram of the photovoltaic system

3　实验部分

3.1　实验材料信息及设备信息

本实验所有组件使用的电池片均为相同效率的P型晶体硅太阳能电池，功率为260 W，封装材料为钢化玻璃、常规EVA材料和TPE结构的背板。选用常规表面结构的焊带，其规格均为厚0.25 mm ×宽1.3 mm。光伏组件功率测试的设备为Pasan太阳能模拟器；检验组件内部电池片隐裂的设备为德国Ophelms 公司的OPT200A型EL测试仪。

本实验所用反光材料为白色EVA反光板（白色EVA反光板主要由玻璃、透明EVA、白色EVA、背板、边框层压而成，如图1所示）和白石子材料，白色EVA和白石子的平均反射率均在90%左右，逆变器采用格林科电2 kW逆变器。

3.2　电站建设及数据记录过程

阶段一。2016年1～3月，在保定地区分别建设完成2 kW的实验电站及对比电站，电站安装倾角为40°，电站距离地面40 cm，实验电站反光板角度按照冬至日反光板角度安装，反光板尺寸为1.64 m ×0.99 m，电站布局如图4a所示。于4月开始收集数据，记录每天实验电站及对比电站发电量、斜辐照量、环境温度、风速等。分析实验电站在上方反光板、对比电站后方反光板和白石子同时作用下的发电量增益情况，表1为2016年4月整个月平均日发电量情况。

阶段二。2016年5月对实验电站上方反光板角度进行了倾角调节，调整后电站布局图见图 4b，使其不再对实验电站阵列起到反射作用，统计6～11月电站数据，验证白石子和对比电站后方反光板同时作用下和阶段一时的发电量对比情况。

表2为2016年6～11月实验电站与对比电站平均日发电量及斜辐照量情况。根据6～11月气象数据，表3为晴天和阴雨雾霾天时实验电站与对比电站平均日发电量及斜辐照量情况。

图4　调整前（a）和调整后（b）的电站布局图Fig. 4　Diagram of the photovoltaic system layout before (a) and after adjusting (b)

表1　2016年4月平均日发电量及斜辐照量统计表Table 1　Daily average generation and tilted irradiation in April, 2016

表2　2016年6～11月平均日发电量及斜辐照量统计表Table 2　Daily average generation and tilted irradiation in June to November, 2016

表3　2016年6～11月晴天和阴雨天的平均日发电量及斜辐照量统计表Table 3　Daily average generation and tilted irradiation on sunny and rainy days in June to November, 2016

4　结果与讨论

由表1可知，实验电站通过设置白石子及反光板等反光背景可有效提高发电量。2016年4月的日均斜辐照量为5.9 kW/m2，实验电站日均发电量比对比电站高 7.69%。其发电量提高的原因为，太阳光中的直射光或散射光可以照射到反光板后反射到光伏组件表面，同时通过白石子反射的散射光可以照射到组件表面，进而提高组件对光的吸收，提高组件发电量。

由表2可知，实验电站上方的反光板失去作用以后，仅有白石子作为主要反光背景，2016年6～11月电站发电量比4月发电量有所降低，月平均增益率为6.46%，比4月降低了1.23%，发电量与辐照量大致成正比关系，如图5所示。每个月的日平均发电量增益和斜辐照量规律性不大，可能是由于保定地区各月份气候特点不同，其中6～9月处于雨季，且6月和7月为典型的雨季、伴有大风（7月同时伴随电站维护），10月和11月当地开始出现雾霾天气，不同月份晴天的天数不同，不同气候特点下光照特点不同。

图5　2016年6～11月平均日发电量及斜辐照量Fig. 5　Daily average generation and tilted irradiation from June to November, 2016

对比表3数据，相同月份中，晴天和阴雨天日均发电量增益与斜辐照量有关。在阴雨或雾霾天气时比晴天时实验电站每个月日均发电量比对比电站增益大，平均增益率为 0.57%，发电量增益率与辐照量大致成反比关系，如图6所示。这是由于阴雨及雾霾天气下，太阳光中散射光辐射量占比较大，散射光可以通过白石子反射到实验电站中，因此以白石子为反光背景的实验电站比同期对比电站发电量高。

图6　2016年6～11月晴天和阴雨天发电量增益率及斜辐照量Fig. 6　Daily average generation and tilted irradiation on sunny and rainy days from June to November, 2016

5　结　语

本文从反光材料对光伏系统发电量的影响角度出发，建立实验电站，分析反光条件下反光实验电站较常规电站的发电量增益。根据辐照强度不同，反光系统发电量增益率总体保持在5%～10%之间。实验期间，综合发电量增益率达 7.69%，发电量与辐照量大致成正比关系，这一实验结论为提高光伏电站发电量提供参考依据和思路，后期通过优化反光电站背景，可有效提高光伏系统发电量，降低系统成本。