双面光伏组件背面无遮挡时的发电量研究

陈桂佳，潘少峰，陆文俊，索博鹏

(江苏林洋能源股份有限公司，启东 226200)

0 引言

随着近几年太阳电池技术的迅猛发展，自2015年起，双面太阳电池和双面光伏组件出现在光伏产业的舞台上。虽然相较于传统的单面光伏组件，双面光伏组件的成本略高，但二者的差价已经越来越小。由于双面光伏组件具有背面发电的特性，如何利用这一特性使光伏电站发电量得到最大化利用，从而降低光伏发电的度电成本、提高光伏电站项目的投资回报率，值得深入探讨与研究。

单面光伏组件仅正面能接收太阳光，因此在组件安装过程中，即使光伏支架或其他障碍物对组件背面产生遮挡也不会影响光伏组件的发电量。陈建国等[1]通过理论分析研究了双面光伏组件采用不同安装方式时光伏电站的经济收益情况。韩国栋等[2]研究了光伏组件采用不同安装方式时，组件表面接收的太阳辐射量情况，但并未对双面光伏组件背面无遮挡时的安装方式进行研究。

吴翠姑等[3]研究了在不同地面背景下双面光伏组件的发电量输出特性，结果发现，地面背景反射率越高，双面光伏组件背面的发电量越大。BRENNAN等[4]研究了不同地面背景的光谱反射率，结果显示，在波长0～800 nm时雪地的光谱反射率最高。马少华等[5]的研究指出，雪地背景下双面光伏组件的发电效率最高。

SHAHRIAR等[6]、陈艳等[7]通过对地面光伏电站中采用不同光伏支架形式的光伏发电系统的发电量进行对比发现，采用不同光伏支架形式时光伏发电系统的发电量存在明显差异；相较于固定式光伏支架，平单轴跟踪光伏支架可使光伏发电系统的发电量提升10%～25%，斜单轴跟踪光伏支架可使光伏发电系统的发电量提升15%～35%，双轴跟踪光伏支架可使光伏发电系统的发电量提升25%～40%。

但上述研究仅针对光伏组件的安装方式、光伏支架形式、背景反射率等因素中的某个因素对光伏电站发电量的影响进行了研究，并未进行综合研究。因此，本文将上述因素进行组合，研究了不同光伏支架形式、不同背景反射率及不同组件背面遮挡条件对双面光伏组件发电量的影响。

1 双面光伏组件

相较于传统的单面光伏组件，双面光伏组件的背面必须使用透明材料，太阳光线通过组件背面的透明材料后被吸收，从而使组件背面也获得发电性能。目前市场上的双面光伏组件背面以采用玻璃为主，同时也有少量采用透明背板。

双面光伏组件背面接收的太阳辐射量是影响双面光伏组件发电量的关键因素。而影响双面光伏组件背面接收太阳辐射量的因素主要包括背景反射率、组件最低点离地高度、组件安装倾角、支架行间距、组件背面遮挡和阴影情况等。本文主要研究的是通过提高背景反射率、减少组件背面遮挡的方法来达到提高双面光伏组件发电量的目的。

2 光伏支架形式

根据运行方式不同，光伏支架可分为固定式光伏支架和跟踪式光伏支架2类。固定式光伏支架包括固定倾角式光伏支架和固定可调式光伏支架2种；跟踪式光伏支架可分为平单轴跟踪光伏支架、斜单轴跟踪光伏支架和双轴跟踪光伏支架。其中，平单轴跟踪光伏支架因可靠性高，得到了广泛的认可和应用，尤其在中低纬度地区，平单轴跟踪光伏支架能够显著提高光伏发电系统的发电量。

2.1 固定式光伏支架

采用固定式光伏支架时光伏组件的典型安装方式如图1所示。从图1中可以看到，该安装方式下，光伏组件背面存在2根檩条。

根据组件排布方式和支架结构不同，组件背面通常会存在0～2根檩条。由于单面光伏组件安装时不需要考虑组件背面遮挡的问题，因此单面光伏组件可选择的支架结构形式较多。而为了尽量增加双面光伏组件背面接收的太阳辐射量，在进行光伏支架设计和选型时，应尽量避免支架构件对双面光伏组件背面产生遮挡和阴影，因此有时需要对支架结构进行调整。但当支架构件对组件背面产生的遮挡实在无法避免时，应在允许的范围内加大支架构件与组件背面之间的距离。

图1 采用固定式光伏支架时光伏组件的典型安装方式示意图Fig. 1 Schematic diagram of typical installation method of PV modules with fixed PV bracket

固定式光伏支架上双面光伏组件背面无遮挡时的典型安装方式示意图，如图2所示。

图2 采用固定式光伏支架双面光伏组件背面无遮挡时的典型安装方式示意图Fig. 2 Schematic diagram of typical unshielded installation method of back of bifacial PV modules with fixed PV bracket

由图2可以看到，此种安装方式下双面光伏组件的背面无檩条，因此不存在由支架构件造成的遮挡。

2.2 平单轴跟踪光伏支架

平单轴跟踪光伏支架目前已广泛应用于国内外光伏电站中，其主要由支架硬件(钢结构)、控制系统和监控系统3部分构成。平单轴跟踪光伏支架可以实时根据太阳高度角进行旋转，同时当太阳光入射角度较低时，其可以调整组件角度，使光伏支架前后排的组件之间不产生阴影，从而可以提高光伏组件的发电量。

根据平单轴跟踪光伏支架单个驱动装置能带动的支架列数不同，其可分为单列平单轴跟踪光伏支架和多列平单轴跟踪光伏支架。单列平单轴跟踪光伏支架可安装60～180块光伏组件；多列平单轴跟踪光伏支架目前最多为32列，每列可以安装60～90块光伏组件。由单列平单轴跟踪光伏支架构成的跟踪系统的单位占地面积较小，可以很好地适应复杂地形条件；而多列平单轴跟踪光伏支架应用于场区地势平坦的光伏电站的案例较多。

图3为采用平单轴跟踪光伏支架时单面光伏组件和双面光伏组件的典型安装方式。其中，图3b中双面光伏组件与平单轴跟踪光伏支架主轴之间有空隙。

图3 采用平单轴跟踪光伏支架时单面光伏组件和双面光伏组件的典型安装方式Fig. 3 Typical installation methods of single-sided PV modules and bifacial PV modules with horizontal single-axis tracking PV bracket

由图3可知，采用平单轴跟踪光伏支架时，若双面光伏组件采用图3b的安装方式，其背面不存在由支架构件造成的遮挡。

3 不同遮挡条件时双面光伏组件背面的发电量测试

3.1 屋顶光伏电站的发电量测试

3.1.1 屋顶光伏电站的配置

本次测试以江苏省南京市江宁区某屋顶光伏电站为例。该光伏电站采用285 Wp双面光伏组件20块，固定倾角为24°的光伏支架(下文简称“固定24°光伏支架”)20套，以及微型逆变器20台。1套光伏支架上安装1块双面光伏组件，组件背面有2根檩条遮挡和无檩条遮挡的光伏支架各为10套，有檩条遮挡的组件采用竖装的排布方式，无檩条遮挡的组件采用横装的排布方式，2种配置的双面光伏组件总容量均为2.85 kWp。需要说明的是，本次测试时，双面光伏组件直接固定在檩条上，檩条与组件的距离为压块厚度的1/2。表1为该屋顶光伏电站的具体配置情况。

表1 屋顶光伏电站的具体配置情况Table 1 Specific configuration of roof PV power station

固定式光伏支架上双面光伏组件采用背面无遮挡安装方式时的照片如图4所示。

于2018年1月1日～10月30日对2种配置方式的双面光伏组件发电量进行了为期10个月的测试。根据统计数据发现，都采用固定24°光伏支架时，背面有2根檩条遮挡的单位kW双面光伏组件的发电量为987.3 kWh，而背面无檩条遮挡的单位kW双面光伏组件的发电量为1002.4 kWh。由此可知，背面无檩条遮挡的单位kW双面光伏组件的发电量比背面有2根檩条遮挡的双面光伏组件的提高了1.5%。

图4 固定式光伏支架上双面光伏组件采用背面无遮挡安装方式时的照片Fig. 4 Photo of unshielded installation method of back of bifacial PV modules with fixed PV brackets

3.2 农光互补型地面光伏电站的发电量测试

3.2.1 地面光伏电站的配置

基于上文屋顶光伏电站小规模测试的测试结果，在双面光伏组件背面无遮挡的前提下，本次进行更大规模的农光互补型地面光伏电站的测试，针对不同支架形式、不同背景反射率时双面光伏组件的发电量情况进行分析。

本次测试以安徽省淮北市濉溪县刘桥镇的某农光互补型地面光伏电站(116.76°E，33.92° N)为例。该光伏电站采用295 Wp的双面光伏组件；采用的光伏支架有2种，一种为固定倾角为25°的光伏支架，另一种为追踪范围为-60°～60°的平单轴跟踪光伏支架，2种光伏支架搭配的双面光伏组件的总容量均为500 kW；采用容量为50 kW的组串式逆变器。

由于光伏支架下方的地面背景不同，背景反射率也就不同，导致双面光伏组件背面接收的太阳辐射量也存在差异。下文对采用上述2种不同光伏支架形式且支架下方分别为无白色温室大棚(即为普通土地)和有白色温室大棚的配置条件下单位kW双面光伏组件的发电量情况进行了分析。

具体的4种配置方式为：固定倾角为25°的光伏支架+双面光伏组件+无白色温室大棚(下文简称为“固定25°+双面光伏组件+无大棚”)、固定倾角为25°的光伏支架+双面光伏组件+有白色温室大棚(下文简称为“固定25°+双面光伏组件+白色大棚”)、平单轴跟踪光伏支架+双面光伏组件+无白色温室大棚(下文简称为“平单轴跟踪+双面光伏组件+无大棚”)、平单轴跟踪光伏支架+双面光伏组件+有白色温室大棚(下文简称为“平单轴跟踪+双面光伏组件+白色大棚”)。该地面光伏电站的具体配置情况如表2所示。图5为平单轴跟踪光伏支架下方有白色温室大棚时的照片。

表2 地面光伏电站的具体配置情况Table 2 Specific configuration of groud PV power station

图5 平单轴跟踪光伏支架下方有白色温室大棚的照片Fig. 5 Photo of white greenhouse under horizontal single-axis tracking PV bracket

3.2.2 测试结果分析

测试时间为2018年1月1日～2019年11月30日，为方便对比，从测试时间中选取1年，即对2018年12月1日～2019年11月30日的测试结果进行数据分析。

表3为不同配置条件下单位kW双面光伏组件的年发电量情况。由表3可知：

1)都为无白色温室大棚时，支架类型不同，单位kW双面光伏组件的年发电量也不同；其中，采用平单轴跟踪光伏支架时双面光伏组件的年发电量比采用固定倾角为25°的光伏支架时的提高了10.57%。

表3 不同配置条件下单位kW双面光伏组件的年发电量情况Table 3 Annual power generation of per kW bifacial PV modules under different configuration conditions

2)支架类型相同的条件下，有白色温室大棚的双面光伏组件的年发电量较高。

3)均采用固定倾角为25°的光伏支架时，有白色温室大棚时单位kW双面光伏组件的年发电量比无白色温室大棚时的提高了1.68%。

4)均采用平单轴跟踪光伏支架时，有白色温室大棚时单位kW双面光伏组件的年发电量比无白色温室大棚时的提高了3.82%。

5)都有白色温室大棚时，采用平单轴跟踪光伏支架时单位kW双面光伏组件的年发电量比采用固定倾角为25°的光伏支架时的提高了12.90%。

6)采用平单轴跟踪光伏支架且有白色温室大棚时单位kW双面光伏组件的年发电量比采用固定倾角为25°的光伏支架且无白色温室大棚时的提高了14.80%。

根据测试得到的不同配置条件下双面光伏组件每个月的发电量数据，以“固定25°+双面光伏组件+无大棚”的月发电量为基准，通过数据处理，可以得到不同配置条件下双面光伏组件各月发电量相对于基准发电量的增益数值，具体如图6所示。

图6 与基准相比，不同配置条件下的发电量增益情况Fig. 6 Generation gain under different configuration conditions compared to benchmark

由图6可以看出：

1)随着时间的变化，都采用平单轴跟踪光伏支架时，无论有无白色温室大棚，与基准相比，双面光伏组件发电量增益均呈现不断提升的趋势，且在2019年5月时达到最高，然后增益呈现逐渐减小的趋势；

2)与基准相比，平单轴跟踪光伏支架搭配双面光伏组件时的发电量增益主要集中在2019年2～8月，且在5月时“平单轴+双面光伏组件+白色大棚”配置条件下，双面光伏组件的发电量增益超过25%。

4 经济性对比

根据表2中的4种配置方式，对单位kW双面光伏组件的设备配置进行经济性分析，具体如表4所示。

从表4中的数据可以看出：

1)双面光伏组件搭配平单轴跟踪光伏支架时，单位kW双面光伏组件的IRR有明显提升，最高可达12.98%。

表4 单位kW双面光伏组件在不同配置方式时的设备配置成本及投资回收期Table 4 Equipment configuration cost and payback period of per kW bifacial PV modules under different configuration conditions

2)无论采用何种支架形式，通过搭配白色温室大棚，都会提高单位kW双面光伏组件的IRR，缩短投资回收期。

3)平单轴跟踪光伏支架搭配白色温室大棚的配置方式可以显著提高单位kW双面光伏组件的IRR。

上述分析中考虑了光伏组件衰减及电站运维成本等一系列因素，但未考虑温室大棚的建设成本及大棚中的作物带来的经济效益。

5 结论

本文对不同光伏支架形式、不同背景反射率及不同组件背面遮挡条件下双面光伏组件的发电量情况进行了测试，并对测试数据进行了分析比较，得到以下结论：

1)组件容量相同且均采用固定式光伏支架时，背面无檩条遮挡的双面光伏组件的单位kW发电量比背面有2根檩条遮挡的双面光伏组件的提高了1.5%；

2)在双面光伏组件背面无遮挡的前提下，有白色温室大棚时，相比于固定倾角为25°的光伏支架，采用平单轴跟踪光伏支架的双面光伏组件的年发电量增益优势明显，增益可达12.90%；

3)白色温室大棚可以增加双面光伏组件的发电量，再搭配平单轴跟踪光伏支架时，发电量增益的优势更明显；

4)在双面光伏组件背面无遮挡的前提下，“平单轴跟踪+双面光伏组件+白色大棚”配置时，双面光伏组件的发电量优势明显，与“固定25°+双面光伏组件+无大棚”的配置相比，年发电量增益可达到14.80%；

平单轴跟踪光伏支架可以明显降低光伏电站项目的投资回收期，提高内部收益率，预期在未来光伏电站项目中会得到越来越多的应用。