含雙面光伏組件光伏發電系統的設計研究

林洋新能源研究院 ■ 吳詩芹

0 引言

近年為了解決能源環境問題，各國政府不遺余力的大力推動清潔無污染的光伏發電技術，使其在全球范圍內得到了快速發展。然而，由于光伏發電的光電轉換效率低，作為一種新能源利用方式，其發電成本要高于火電等常規發電技術，光伏發電平價上網還有一段路要走。為降低光伏發電系統的綜合成本，轉換效率更高、單位面積功率更大、性能優異、可靠性高的雙面光伏組件逐步成為光伏行業關注的熱點，并在光伏發電系統中得到實際應用。

然而，雙面光伏組件在大規模光伏發電系統中實際應用的時間并不長，大多缺乏設計應用經驗。林洋新能源研究院(下文簡稱“林洋”)在不同地區建設了多個實證電站，研究比較了雙面光伏組件在不同場景、不同安裝方式下的發電性能。本文針對雙面光伏組件在光伏發電系統中的應用，通過一些實證結果闡述了此類光伏發電系統在設計時的原則，以期給使用雙面光伏組件進行系統設計的工程技術人員提供一些參考。

1 雙面光伏組件的類型及特點

目前，雙面光伏組件有兩條技術路線，即n型雙面光伏組件和p型雙面光伏組件。雙面光伏組件按照使用的電池類型主要可以分為3類[1]，分別是：n-PERT雙面光伏組件、n-HIT雙面光伏組件和p-PERC雙面光伏組件。各類型雙面光伏組件的具體特點如表1所示。

與傳統光伏組件只能利用正面入射的光照不同，雙面光伏組件的背面也具備光電轉換的能力。表征雙面光伏組件的主要參數除了轉換效率之外，還有一個重要的指標是雙面率(Bifaciality)，即背面效率與正面效率的百分比。

n-PERT雙面光伏組件具有少子壽命高、無光致衰減效應、弱光響應佳、溫度系數低的特點；且其雙面率可達到90%，遠高于p-PERC雙面光伏組件，背面發電量增益更高。在有限的安裝面積中，n-PERT雙面光伏組件能提供更高的電力輸出。

n-HIT雙面光伏組件結合了晶體硅光伏組件和硅基薄膜光伏組件的優點，此類組件具有結構對稱、低溫制造工藝、開路電壓高、溫度特性好、光照穩定性好、雙面發電等特點[1-2]。

表1 雙面光伏組件的類型及特點

p-PERC雙面光伏組件生產線只需基于現有生產線進行少量技術改造，基本不增加額外成本，性價比較高。與組件正面超過20%的光電轉換效率相比，其背面可吸收光線的區域有限，轉換效率在10%～15%之間。

2 含雙面光伏組件的光伏發電系統的設計

2.1 組件安裝傾角的選擇

組件的安裝傾角是影響發電量的重要因素。采用固定式安裝的光伏發電系統一般按光伏組件全年傾斜面上接收到的輻照量最大，即全年發電量最大來選擇組件的安裝傾角，該傾角即為最佳安裝傾角[3]。

本文以林洋安徽安慶某實證電站為例進行對比分析。該項目采用285 W雙面光伏組件，離地高度為1.0 m，分別采用10°、22°(最佳傾角)、45°傾角布置。組件在不同傾角下的發電量測試結果如表2所示。

試驗表明：1)在組件安裝高度為0.5 m的情況下，相對于最佳傾角22°，傾角為10°時，組件發電量減少了5.49%；傾角為45°時，組件發電量減少了2.03%。在組件安裝高度為1.0 m的情況下，相對于最佳傾角22°，傾角為10°時，組件發電量減少了2.03%；傾角為45°時，組件發電量減少了3.19%。由此可知，雙面光伏組件在最佳傾角時的發電量最大。2)當傾角均為10°時，相對于最佳傾角22°，安裝高度為0.5 m的組件發電量較安裝高度為1.0 m的組件發電量減少的多。由此可說明，當安裝高度增加時，由于雙面光伏組件背面接收反射輻射的原因，部分補償了由傾角帶來的發電量損失。3)當傾角均為45°時，相對于最佳傾角22°，安裝高度為0.5 m的組件發電量較安裝高度為1.0 m的組件發電量減少的少。由此可知，傾角增大使雙面光伏組件背面接收反射輻射的效果變差。

表2 不同傾角條件下的組件發電量比較

2.2 組件安裝高度的選擇

雙面光伏組件如果離地面太低，背面將不能接收反射輻射；而隨著組件安裝高度升高，其背面接收的反射輻射也會隨之變化。組件最低點離地越高，組件與地面之間的空間越大，其背面可接收周圍反射輻射的面積越大，背面的發電量也越多。由表2可以得出，在最佳傾角22°時，組件的安裝高度由0.5 m增至1.0 m時，其發電量約增加2.6%。

下文以林洋山東某實證電站的測試結果為例進行分析。兩組光伏組件的裝機容量均為50.04 kW，均采用正面功率為290 W的雙面光伏組件，且傾角均為當地最佳傾角28°，安裝高度分別為1.0 m和2.0 m。不同安裝高度下的組件發電量測試結果如表3所示。

表3 不同安裝高度下的組件發電量比較

測試結果顯示，當組件安裝高度為2.0 m時，比安裝高度為1.0 m的組件發電量增加2.82%，該值比表2中最佳傾角為22°時，組件安裝高度由0.5 m增至1.0 m時發電量增加的比例更大。這說明組件的安裝高度越高，增加的發電量越多。但隨著組件安裝高度的增加，所需支架材料也會增多，組件承受的風荷載也將增大，安裝和維護更加不方便。所以，經過技術經濟性比較，認為組件的安裝高度不宜超過2.0 m。

2.3 光伏組件-逆變器容配比的選擇

光伏組件的峰值功率是指在標準測試條件(STC)下組件的額定最大輸出功率。在實際工況下，大部分時間段光伏組件的輸出功率都低于該組件標定的峰值。逆變器的額定功率一般是指逆變器交流側輸出的額定功率。光伏組件-逆變器容配比(下文簡稱“容配比”)即指光伏組件功率和逆變器功率之比。

光伏組件與逆變器功率匹配的一般原則是根據當地的太陽輻射、氣溫等外部條件，在不造成發電量損失的前提下，盡可能充分利用逆變器的容量[4]。

在西藏、青海等高海拔無電地區，電子元器件受高海拔條件的影響大，逆變器必須降容使用，因此，這些地區的容配比小于1。在海拔不超過1000 m的地區，不需要考慮逆變器降容的問題，常規的設計思路為容配比等于1。而在太陽能資源較差的東部地區，輻照度基本達不到STC要求的1000 W/m2，且受溫度等因素影響，光伏組件大部分時間的輸出功率達不到標稱功率，逆變器基本為非滿負荷運行，大部分時間處于容量浪費狀態。因此，越來越多的專家提出可通過容配比大于1來提高此類地區的項目收益[5]。

由于雙面光伏組件的背面也具備光電轉換的能力，根據研究結果，在不同反射背景條件下，雙面光伏組件比傳統單面光伏組件的發電量可增加10%～30%。而且背景顏色越淺，背景反射率越高，雙面光伏組件的發電量提升越多[2，6-8]。

因此，對于采用雙面光伏組件的光伏發電系統，容配比要綜合考慮組件的安裝地理位置、場地背景反射條件等多種因素。總的來說，雙面光伏組件的容配比必須考慮組件背面增發電量的影響。相較于應用傳統光伏組件的設計，應用雙面光伏組件的設計的容配比應降低。

2.4 組件的支架設計

光伏支架主要分為固定式支架、傾角手動可調式支架和跟蹤式支架(平單軸/斜單軸/雙軸)等[4，9]。1)固定式支架由于具有成本相對較低、后期維護量小等優點，應用比較廣泛。2)傾角手動可調式支架的成本稍高，運維工作量較固定式支架大，但是通過在不同的季節調整組件傾角可以增加系統的發電量。3)跟蹤式支架能夠很好地控制組件的朝向或傾角，甚至可同時調節兩者，能夠進一步增加發電量。但跟蹤式支架的成本較高，后期維護工作量較大。

根據有關文獻報道，與相同容量配置的固定式光伏發電系統相比，采用平單軸跟蹤式支架的光伏發電系統的年發電量可提高約15%，采用斜單軸跟蹤式支架的光伏發電系統的年發電量可提高約20%，采用雙軸跟蹤式支架的光伏發電系統的年發電量可提高37%～50%[9-10]。另外，文獻[11]提出了一種適用于山地、灘涂、漁塘等地的柔性支架，其采用在兩固定點之間張拉預應力鋼絞線的方式，將光伏組件固定在張緊于兩柱間的鋼絞線上；兩固定點采用鋼性基礎提供反力，可實現10～30 m大間距，以滿足不同地形的需要。

傳統的光伏支架系統設計主要考慮支架自重，以及在風荷載、雪荷載、施工檢修荷載、地震作用等不同荷載組合影響下，支架滿足強度、剛度和整體穩定性要求，并符合抗震、抗風、防腐等條件，滿足30年的使用壽命要求，便于安裝和維修且造價合理[9-12]。

由于雙面光伏組件的正面和背面均具有光電轉換能力，為了盡可能地利用太陽光，必須考慮避免支架檁條對組件背面遮擋的影響。因此，雙面光伏組件的支架檁條必須位于組件邊緣。同時，還應盡可能避免其他電氣設備(如組串式逆變器)等對組件背面造成遮擋。

3 問題與建議

由于雙面光伏組件正反兩面都可以接收太陽光從而發電，因此其應用場景更加廣泛，比如其可以用作圍墻、隔音墻等垂直安裝。垂直安裝的雙面光伏組件不僅可減少占地面積、節省安裝空間、降低安裝成本，而且組件表面不易積塵、不積雨雪、自潔能力強[13-14]。但是垂直安裝的雙面光伏組件與采用最佳傾角安裝的雙面光伏組件相比，在不同方位、不同場景條件下發電量降低的比例是多少，目前還缺乏系統的研究。

若雙面光伏組件應用于跟蹤系統時其增加的發電量比例是多少？雙面光伏組件一般不帶邊框，其應用于跟蹤系統時是否會造成組件隱裂？諸如此類問題還有待于進一步研究。

4 結語

由于雙面光伏組件具有雙面發電的特性，本文對應用雙面光伏組件的光伏發電系統在設計時應遵循的原則進行了探討，得出以下結論：

1)應用雙面光伏組件時應按最佳傾角布置。

2)組件的安裝高度越高，增發電量越多，但是安裝高度不宜超過2.0 m；并且隨著傾角的增大，組件背面接收的反射輻射減弱。

3)雙面光伏組件的容配比必須綜合考慮組件背面的增發電量，以及組件安裝的地理位置、場地背景反射條件等多種因素。

4)應避免雙面光伏組件的支架對組件背面造成遮擋，支架檁條必須位于組件邊緣，使系統達到最優配置和最大發電量增益。