双面光伏组件发电特性实证及模拟研究

陆 炜，田介花，潘少峰，陆文俊，索博鹏，关连松

(江苏林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

1 双面光伏组件的发电特性

图1为光线在双面光伏组件周围传输的示意图。由图可知，双面光伏组件正面主要是通过吸收太阳的直射光、地面的反射光和天空的散射光进行发电，背面是通过吸收地面的反射光和周围的散射光进行发电。因此，地面的反射率直接影响到双面光伏组件背面的发电量。地面反射率越高，双面光伏组件背面接收到的反射光就越多，背面发电量就越高。在地面反射率很高时，双面光伏组件能够提高10%～ 30%[1]的发电量。

2 双面光伏组件发电模型

2.1 双面光伏组件正面辐射量模型

双面光伏组件的正面辐射量GF可以采用Perez辐射量模型[2]进行计算。根据此模型，正面辐射量GF包括来自太阳的直射辐射量GDNI、地面的反射辐射量GGRI及散射辐射量GDI。GDI包括来自天空的散射辐射量GSKY、来自太阳辐射前向散射中集中在靠近太阳的环形区域的散射辐射量GCIR，以及来自地面附近的一个带形区域的地平面亮度散射辐射量GHOR。由于GCIR和GHOR分量很小，可以忽略，所以在计算GDI时只需要考虑GSKY即可。根据Perez模型，GF可表示为：

式中，CFSKY为各项同性散射分量的配置因子，可以通过天空的视角来确定；θ为太阳光的入射角。

2.2 双面光伏组件背面辐射量模型

双面光伏组件的背面辐射量GB主要包括天空的散射辐射量、地面的反射辐射量及组件后部环境的反射辐射量，以及当太阳可以直射到组件背面时，太阳的直射辐射量和太阳辐射前向散射中集中在靠近太阳的环形区域的散射辐射量。由于组件背面对应的地面位置不同，其对应的配置因子和入射角也不同，文献[3]中把视场划分为180个1°的子段，每个子段拥有不同的配置因子CF和入射角校正因子F，最后将每个子段的辐射数据与配置因子和校正因子相乘，再累加后就可以得到背面的辐射量。文献[4]中的双面光伏组件背面辐射量模型为：

式中，b为太阳光线入射角的余弦与零这两个值中的最大值；Fb为入射光的校正系数；CFi为第i段CF的校正系数；Fi为第i段入射角的校正系数；Gi为第i段的辐射量分量；al为地面反射率。

2.3 双面光伏组件的电气模型

根据文献[3]，光伏组件的功率可表示为：

3.加大良性互动，强化法律顾问制度建设。充分挖掘法律顾问潜力，加强与顾问律师的良性互动，聘请律师到局法制机构驻点办公，加强法律顾问队伍在重大决策合法性审查、规范性文件制定和国土资源管理法律课题研究等工作中的积极作用，深度介入法制审查，提前排摸诉讼风险点，通过事前预警、事中调解、事后完善的方式，切实提升预防和化解行政争议的能力。

式中，Pmax为组件实际输出功率；Pmax,ref为组件出厂功率；GT为组件实际接收到的辐射量；GT,ref为标准辐射强度，取1000 W/m2；γ为组件温度系数；TC为实际环境温度。

由于双面光伏组件正、背面都接收光线并且都发电，所以式(3)中的GT为双面光伏组件正、背面辐射量之和。同时，由于双面光伏组件的正面和背面功率不同，二者之间存在一个比例关系。该比例关系可由双面因子β表示，即：

式中，Pf为双面光伏组件的正面功率；Pr为双面光伏组件的背面功率。

通过双面因子β将双面光伏组件背面的辐射量GB折算到正面，再与双面光伏组件正面辐射量GF相加，就可以得到双面光伏组件实际接收到的辐射量GT，即：

将式(5)带入式(3)，可以得到双面光伏组件的实际输出功率，即：

2.4 影响双面光伏组件发电量增益的主要因数

双面光伏组件相对于单面光伏组件的发电量增益α，可由2种组件的输出功率来反映，即：

式中，PS、PD分别为双面光伏组件和单面光伏组件的输出功率。

双面光伏组件的发电量增益是由GB、GF及β决定的，而β是一个常量。分析式(1)和式(2)可以发现，al、θ、CF和F对GB的影响较大。al是由地面的属性决定的，θ、CF和F由光伏阵列排布的几何属性决定[3]。

下文将通过实证案例来研究双面光伏组件在不同场景时的发电增益特性。

3 不同场景下的双面光伏组件实证研究

3.1 系统的设计和组件安装方式

本实证系统位于安徽省安庆市某厂区的屋顶，分别有白漆、铝箔、灰水泥、白石子、黄沙、防水卷材、人工草地和白水泥8个不同地面场景。8个系统的基本情况相同，全部都采用功率为285 W的n型双面光伏组件，安装容量为29.73 kW，采用同一型号的功率为30 kW的逆变器，组件安装倾角为18°，组件下沿离地高度为0.4 m，数据采集周期为2017年3月～2019年2月。不同地面场景的系统现场图如图2～图9所示。另外，在同一屋顶安装了容量为98.56 kW的常规单面光伏组件，采用与双面光伏组件相同的倾角及组件下沿离地高度，用于进行发电量对比。

3.2 发电量增益分析

双面光伏组件相对于单面光伏组件的发电量增益α可表示为：

式中，α为双面光伏组件背面发电量增益；Wr为双面光伏组件背面每kW发电量，kWh；Wf为双面光伏组件正面每kW发电量，kWh；WB为双面光伏组件每kW发电量，kWh；WS为同一倾角的单面光伏组件的每kW发电量，kWh。

通过式(8)可以计算得到，在2017年3月到2019年2月的测试周期内，8种场景下双面光伏组件相对于单面光伏组件的发电量增益情况，具体如表1所示。

表1 不同场景下双面光伏组件的发电量增益情况Table 1 Bifacial PV module discharge gain in different scenarios

由表1可知，白石子和白漆场景下双面光伏组件的发电量增益最高，分别为18.34%和17.82%；草地场景下双面光伏组件的发电量增益最低，为7.07%。

图10为2017年10月时白漆场景下双面光伏组件相对于单面光伏组件的日发电量增益曲线。由图可知，日发电量增益最高为26%，最低为10%，二者差异较大，这是由于发电量增益主要受天气影响的原因。当天气晴朗时，光线强烈，地面反射到双面光伏组件背部的光线多，发电量增益就大；雨天和阴天时光线较弱，地面反射光和散射光较少，双面光伏组件的发电量增益就少。

图11为2018年6月到2019年2月期间，白石子和白水泥2种场景下双面光伏组件相对于单面光伏组件的月发电量增益曲线。从图中可以看出，发电量增益呈夏天高、冬天低的趋势，受季节影响明显。

4 模拟发电量与实际发电量对比

在了解了光伏发电系统的发电量模型并获得了具体的双面光伏组件实证数据后，将实证数据与模拟数据进行对比，通过实证数据校正模拟参数的设定，使模拟数据可以更接近双面光伏组件的实际发电情况，由此可为未来采用双面光伏组件的电站设计和投资提供可靠的参考。

目前较为成熟的光伏发电系统模拟软件主要有瑞士的PVsyst、美国国家可再生能源实验室的 System Advisor Model和 Folsom labs的Helicoscope。本文采用PVsyst软件对上文提到的8种场景下系统的发电量增益的模拟值和实际值进行分析。

根据文献[5]，在模拟时，8种场景的地面反射率分别是：白漆80%、白石子80%、白水泥70%、防水卷材70%、铝箔55%、黄沙40%、人造草地25%、灰水泥35%。

通过模拟上述8个场景下双面光伏组件和单面光伏组件系统的发电量，得到了模拟条件下双面光伏组件的发电量增益。表2为8种场景下系统的模拟发电量增益与实际发电量增益情况。

表2 模拟发电量增益和实际发电量增益情况Table 2 Comparison of simulation and real power generation data

由表2中的数据可以看出，场景为地面反射率较高的白漆、铝箔、防水卷材、白水泥和白石子时，双面光伏组件的模拟发电量增益和实际发电量增益相差较大。场景为地面反射率较低的黄沙、人造草地和灰水泥时，双面光伏组件的模拟发电量增益和实际发电量增益较为接近。因此，在地面反射率较高的场景下模拟时，需要对地面反射率的取值进行修正，使得到的模拟发电量值接近实际值。

修正后各种地面反射率分别为：白漆55%、白石子60%，白水泥50%、防水卷材40%，铝箔45%，黄沙35%，人造草地25%，灰水泥30%。

图12为修正地面反射率后的模拟发电量增益和实际发电量增益对比图。

从图12中可以看到，经过地面反射率修正后，8种场景的模拟发电量增益值和实际电量增益值都相差较小，均小于2%。

5 结论

本文研究了双面光伏组件的发电模型，通过实证系统获得了双面光伏组件在不同场景下的实际发电量数据，并将该数据和PVsyst软件模拟的发电量数据进行了比较，得到了以下结论：

1)在白石子和白漆场景下，双面光伏组件相比于单面光伏组件的发电量增益更高，分别是18.34%和17.82%；在人造草地场景下，双面光伏组件的发电量增益最低，为7.07%。在天气晴朗、光照条件好时，双面光伏组件的发电量增益较高，在阴雨时较低。

2)在地面反射率较低的场景下，双面光伏组件的发电量增益模拟值与实际值相近，但是在地面反射率较高的场景下，双面光伏组件的发电量增益模拟值比实际值高。因此，选择合适的地面反射率可以使发电量增益模拟值更接近于实际值。