双面组件阵列辐照模拟与系统效率分析

陈 琦， 王海华， 韩学栋， 陈 靖

（中国能源建设集团 江苏省电力设计院有限公司， 江苏 南京 211102）

0 引言

随着光伏技术的进步， 双面组件受到了愈加广泛的关注和应用。与单面组件相比，双面组件两面皆可发电。采用双面组件的光伏电站，其理论发电量最高可提升25%[1]，[2]。传统的单面组件光伏系统只要保证阵列正面上能够接收到最大的辐照量， 即可得到空间最大光照利用率以获得最佳光伏系统效率。 有研究表明，光伏电站阵列群中，单个阵列正面的辐照量主要受阵列倾角和间距影响， 可以通过综合计算方法确定发电效益最大化的阵列倾角和间距[3]。

目前， 国内关于双面组件的系统研究还主要集中在单一条件控制下， 双面组件的发电量增益情况。通过设置高反射率地面背景，可增加双面组件的发电量[4]。 但这往往适用于小型分布式场合（如屋面等）， 对于大型项目不具备改变地表反射率的条件。同时，双面组件的发电性能的最佳倾角不同于单面组件[5]。 此外，离地高度、行间距越大大，双面组件可获得辐照量也越大[6]。

综上，影响双面组件整体发电量的因素很多，主要有地表反射率，安装倾角，阵列间距和离地距离等。 本文结合PVsyst 软件对综合条件下的双面组件正、反面接收到的辐照量进行模拟，并对光伏系统效率分析， 提出一种基于逐步查找法的最优发电性能系统确定方法。 该方法可以帮助光伏电站设计人员快速确定固定式系统的最佳倾角间距设计方案。

1 阵列辐照与系统效率分析

双面系统结构如图1 所示。

图1 双面系统结构图Fig.1 Bifacial PV module system structure

1.1 影响因素分析

从式（1）可以看出，受到阵列倾角的影响，地区的阵列倾斜面辐照量相比水平面辐照量存在一定比例的增长或降低。 同时地表反射率也会对其造成影响，本文反射辐照采用各向同性模型[4]。

组件背面接收到的直接辐射和散射的辐照度与正面计算方法类似。 不同的是，到达背面Am的反射辐照度来源于阵列在地面形成的阴影区域As和阴影之外的区域Ans， 从As反射的辐照度为散射辐照，从Ans反射的辐照度为水平辐照度。 因此， 朝向赤道倾斜的阵列背面月平均太阳总辐照量与水平面上月平均辐照量之比Rˉ′的表达式为

由于阵列阴影的存在导致采用各向同性模型计算结果不准确，所以采用VFA1→A2对微元面进行积分计算，即：

式中：s 为微元面dA1中心到dA2中心的距离；θ1，θ2分别为dA1和dA2两表面的法向量与两表面中心连线之间的夹角。

从式（10）可以看出，阵列背面的辐照量不仅受到倾角的影响， 还受阵列的间距及阵列离地高度的影响。

此外， 上述阵列的正面和背面直接辐照模型是在理想情况下，即没有实物遮挡，但在实际大型光伏电站中，即使没有地形以及障碍物的遮挡，阵列辐照量在真太阳时以外的时间也会受到临近阵列的阴影影响。

1.2 辐照模拟仿真

为了比较不同因素的之间的关系， 本文采用PVsyst 软件， 以江苏泗洪某领跑者光伏电站条件为例，对固定式双面组件阵列进行了建模仿真。仿真模型具体参数如下：一个完整光伏单元，包含1台3 150 kV·A 变压器，18 台175 kW 组串式逆变器和8 748 块440 W 单晶双面双玻组件，2×27 双串竖向布置构成一个阵列面。 通过PVsyst 搭建该光伏系统模型。 假定忽略有限模型阴影的边缘效应。

本文开发了一套基于GPRS的茶园环境参数(如大气温度、湿度，土壤温度、含水量以及光照强度等)无线检测系统。该系统以GPRS网络为数据平台，充分利用GPRS网络的特点,利用现代移动通信技术，建立高可靠性、高稳定性、实用高效的通信链路，使茶园的环境参数信息能实时、快速地传输到监控中心。茶园一般建在野外山区，很难取得市电，本系统采用太阳能供电，这样节能又环保。通过检验，该系统达到了预期的效果，有一定的可行性。

通过控制变量法比较不同影响因素下的全年阵列面辐照量，其中，阵列间距为8 m，离地高度为1.5 m，反射率为8%，倾角为28°，比较的气象条件参考Meteonorm7.2 数据库数据，比较结果如图2 所示。

图2 不同影响因素下的阵列面辐照量模拟值Fig.2 The numerical simulated result of array surface irradiation under different factors

泗洪地区纬度在北纬33.5°， 倾斜面全年辐照量最大的倾角为28°。 由图2（a）可以看出，在阵列间距为8 m 的条件下， 阵列正面的辐照量随阵列倾角的下降先增加后减少， 阵列面正面辐照最大的倾角在21°左右，如果不考虑背面，则倾角选择为21°最为合适。 背面的辐照量则随着倾角的下降呈单一下降趋势， 所以实际最佳倾角还会因为双面组件而提高，介于21～28°。 由图2（b）可以看出， 正面辐照量和背面辐照量都会随着阵列间距缩小而降低， 符合资源总量随着阵列间距缩短而减少的规律。 在图2（c），（d）中，离地高度和反射率对阵列正面辐照量的影响很小， 背面辐照量随离地高度减少而减少，随反射率增高而增高，符合前文的分析结果。

2 系统效率分析

2.1 系统效率定义

据IEC 标准， 光伏系统效率一般用PR（Performance Ratio）效率来表征。定义为最终发电量与参考发电量的比值，其表达式为[9]

式中：Pout，k为输出功率；P0为标准测试条件下的直流侧装机容量；Gi，k为阵列面辐照度；Gi，ref为标准条件下的辐照度；τk为输出功率、阵列面辐照对应的时间。

从式（11）可以看出，IEC 标准效率的计算式可以简单等效为实际发电小时数和阵列面峰值利用小时数的商。 但在实际计算单面组件光伏电站的时候， 往往会用倾斜面峰值利用小时而非阵列面峰值利用小时来作为计算PR 效率基础， 这虽与PR 效率定义稍有违背，但更加合理。 因为阵列面的峰值利用小时会受到系统设计如倾角、 间距等产生的临近遮挡影响。 效率作为表征系统优劣的重要参数，把这些影响排除在外显然不合适。所以目前在单面组件系统中， 普遍的计算方法是用发电小时数与特定倾角下的倾斜面峰值利用小时数的商来计算。在双面组件系统中，如果仍采用这种计算方法，则相对于PR 效率的定义更加背离，因为这样相当于单面的辐照度替代了双面的辐照度，使得PR 效率计算结果整体偏高。 也有部分用户采用单面PR 效率外加双面增益来表征系统优劣， 但实际上PR 效率高的方案并不意味者双面增益更高， 这会带来效率和双面增益顾此失彼的弊端。

相比较而言，GB 标准对于光伏系统效率的定义能更好地表征电站系统的优劣。 该公式原本是用于计算光伏系统发电量的，为了方便对比，对其进行了变换。 综合效率K 的表达式为[10]

式中：HA为水平面太阳能总辐照量；Ep为上网发电量；Es为标准条件下的辐照度；PAZ为组件安装容量。

式（12）直接采用水平面辐照量来作为计算系统效率的基础， 把倾斜面对辐照量的增益也纳入到系统效率里。 与使用PR 效率时要额外考虑倾角增益和双面增益相比， 这种综合效率更加简单明了。

IEC 标准的PR 效率的主要是用来表示光伏系统把接收到的辐照量转化为发电量的效率，GB标准的综合系统效率的主要是用来表示系统把地区的辐照量转化为发电量的效率。 仅从表征整个光伏电站系统优劣来说， 显然GB 的综合系统效率兼顾了光学和电学， 而IEC 更偏重于电学方面。 本文即采用综合效率系数作为电站系统优化的评价标准。

2.2 系统效率优化

通过上述分析结果来看， 阵列倾角、 阵列间距、离地高度、地表反射率是影响双面组件系统效率的主要因素。在实际光伏电站中，大多数情况地表反射率是无法改变的， 而且离地高度仅能提高背面辐照量，相对于高支撑结构提升的造价而言，性价比不高， 所以系统效率的优化重点在于对阵列倾角和间距的优化。

优化阵列间距倾角的计算方法： ①通过计算初步选定最大辐照量倾斜面倾角和真太阳时[9]无遮挡间距； ②根据光伏电站的用地资源情况布置阵列，得到当前阵列间距下的装机容量，并与目标容量对比，如果高于目标容量则增大阵列间距，反之缩小阵列间距，重复上述步骤，找到目标容量下的最大阵列间距； ③通过仿真计算该阵列倾角间距下的光伏系统综合效率并与前一效率比较，如果系统综合效率不小于之前的结果， 则降低阵列倾角（以1°为一个步进值），反之则得到前一结果对应的阵列倾角即为系统效率最高的倾角； ④结合前两步结果， 得到特定区域目标容量下的系统综合效率最高的阵列间距倾角。

该方法基于逐步查找法， 以系统综合效率作为评价标准， 使计算结果可以直接反映电站发电量。 同时结合双面组件系统各主要因素作用下系统综合效率的变化趋势， 可以在复杂因素中快速确定系统的最佳设计方案。

图3 为基于逐步查找法的计算流程。 固定式双面组件光伏电站可根据该流程图来进行优化，以提高系统效率和发电量。对于固定式单面系统，此方法仍然适用。

图3 逐步查找法流程图Fig.3 Step-by-step search method flow chart

2.3 效果分析

以泗洪领跑者某100 MW 光伏电站项目为例，该电站位于水面，地表反射率较低。 地区的水平峰值利用小时数为1 300 h。 经过实际布置比选，阵列间距最大为8 m，离地高度取1.5 m，反射率取8%。图4 给出了优化过程PR 效率和综合效率随阵列倾角变化的情况。

图4 倾角与光伏系统效率的变化关系曲线Fig.4 The relationship curve of the tilt angle and photovoltaic system efficiency

3 结论

本文通过分析双面组件发电系统的辐照模型，结合PVsyst 软件的模拟结果，研究了不同影响因素作用下的阵列正面和背面的辐照情况，以及合适的系统效率评价标准，主要结论如下。

①双面组件阵列辐照量主要受到阵列倾角、阵列间距、离地高度、地表反射率等因素影响。 除了倾角外， 辐照量随其他3 个因素呈单一变化趋势。

②GB 中的光伏系统综合效率相较于IEC 更加适合比较不同系统方案的发电量。 特别在双面组件系统复杂影响条件下， 用综合效率更加直观的找到系统最佳方案。

③大型固定倾角光伏电站， 在特定的布置间距下，无论是否采用双面组件，均可以通过适当降低地区最大辐照量倾斜面倾角来获取更高的电站发电量收益。

④地面反射率会影响阵列面背面辐照量，在高反射率场景下相比低反射率， 固定式系统最佳倾角会有所提高。对于阵列离地高度而言，根据其对阵列背面辐照量的影响趋势， 对最佳倾角具有类似的关系。