雙面光伏組件與單軸跟蹤相結合的光伏發電系統發電量研究

西安隆基清潔能源有限公司 ■ 肖志剛 鄔林勇 李棟 李志棟 羅黎英 陳晨

0 引言

近年來，光伏產業在國家政策的大力扶持及自身的技術進步下，得到了快速發展[1]。2017年我國光伏總發電量已占到總電力的1.84%，為我國的沙漠治理及節能減排做出了巨大貢獻。同時，由于光伏產業發展速度過快，導致國家的新能源補貼負擔加重，光伏產業鏈的質量得不到充分保障。在此背景下，2018年5月31日，由國家發展和改革委牽頭，推出了光伏產業政策調整通知，在國家補貼和項目審批方面進行了重大調整，加速了光伏產業平價上網的速度，由此，光伏產業面臨巨大考驗。

從國家政策的趨勢及各電力之間的利益平衡來看，光伏產業的發展會經歷3個具有明顯特征的階段：

1)光伏產業的初始階段。該階段的特征在于國家政策的大力扶持，給予了光伏發電電量補貼，同時對光伏并網進行保障。在此背景下，光伏產業的發展較為快速，且隨著各種光伏新技術不斷涌現，光伏發電系統成本不斷下降，從2008年的約30元/W降至目前的約5.5元/W。

2)光伏平價上網階段。此階段的特征在于國家對光伏并網進行保障，但不再給予電量補貼，自從“531”政策出臺后，光伏產業開始邁入此階段。

3)“光伏+儲能”應用階段。此階段光伏能源形態將替代其他大多數能源形態。當然，此過程還有較長的路要走，如何獲得超高性價比的儲能系統是該階段的核心問題。

當前，光伏產業處于第1階段至第2階段的產業拐點，是陣痛期，在此期間，光伏發電系統的性價比還不足以支撐光伏產業實現平價上網。實現平價上網有2條平行的技術路線可走：第1條技術路線是降低光伏發電系統各環節的成本，如光伏組件、光伏支架、光伏逆變器等，若要在產業中生存，就必須進行持續不斷的技術創新，以降低成本，適應平價上網時代；第2條技術路線是在光伏發電系統的集成水平上進行持續不斷的優化研究，推動光伏技術進步，在同等成本的條件下，有效提高系統的發電量，從而適應平價上網時代。針對第2條技術路線，可以從兩方面進行光伏發電系統集成優化：一是使光伏組件接收的輻射量最大；二是光能轉換為電能后，如何高效地傳輸到電網，即電性能的匹配問題。本文主要探討如何使光伏組件獲得最大的輻射量。

單面光伏組件只有一面能接收太陽輻射，組件的發電效率受限；而雙面光伏組件雙面受光，組件的效率不斷得到提高，其雙面因子可達0.8以上，將是大趨勢。在此背景下，研究如何更好地發揮雙面光伏組件的優勢具有重要意義。當采用固定安裝方式時，雙面光伏組件與單面光伏組件相比可獲得一定比例的發電效率提升，但這僅是利用了組件背面的北向輻射；若雙面光伏組件與跟蹤系統結合，在充分利用北向輻射的同時還可有效利用東西向輻射。對于跟蹤系統而言，單軸跟蹤系統的性價比較高，而斜單軸跟蹤為單軸跟蹤的主要形式之一。因此，本文對雙面光伏組件分別與斜單軸跟蹤及最佳固定傾角相結合的方式進行了分析。

1 雙面光伏組件分別與斜單軸跟蹤及最佳固定傾角相結合的理論發電量分析

雙面光伏組件與單軸跟蹤相結合后，在南北方向通過計算確定一個傾角，在東西方向以天文方式進行太陽跟蹤[2]。組件受光面上的太陽輻射量包括太陽直射輻射量、天空散射輻射量及太陽直射與天空散射共同反射到傾斜面的部分。

傾斜面上的總輻射量H可用式(1)進行計算[3-6]：

式中，Hb和Hd分別為水平面上的直接輻射量和散射輻射量，可從當地氣象部門獲得；φ為當地的地理緯度；θ為傾斜面的傾斜角度；δ為太陽赤緯角，一年中的任一天可看作是定值；ρ為地面反射率；ωss和ωs分別為水平面與傾斜面上的日落時角。

從以上模型可以看出，對于某一確定地點，在任一時刻，組件傾斜面上的輻射量是可以確定的：在某一時刻，根據天文跟蹤方式的特點可確定各受光面的參數，由式(1)可以確定在該時刻的輻射量，然后對時間進行積分則可得到一段時間內目標面上的總輻射量，再根據雙面光伏組件的轉換效率及雙面因子等參數計算出組件的發電量。

以哈密地區為例，對采用最佳固定傾角40°及南北方向傾角12°的斜單軸跟蹤分別與雙面光伏組件結合的方案進行研究，分析2種方案的發電量情況。

針對哈密地區的氣象數據及相關參數，假設裝機容量均為51.12 kW的光伏發電系統的轉換效率為0.8，可計算出“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”光伏發電系統的發電量與“最佳固定傾角+雙面光伏組件”光伏發電系統的發電量，二者的發電量曲線如圖1所示。圖2為“雙面光伏組件+斜單軸跟蹤”比“最佳固定傾角+雙面光伏組件”方案各月發電量提高的比例情況。

圖1 “斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”方案與“最佳固定傾角+雙面光伏組件”方案的發電量曲線

圖2 “斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”比“最佳固定傾角+雙面光伏組件”各月發電量提高的比例曲線

從圖1和圖2中可以看出，“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”方案的發電量，除1月、11月、12月略低于“最佳固定傾角+雙面光伏組件”方案外，其他月份顯著較高，呈現冬季較低而夏季較高的趨勢，這與太陽輻射的季節性特點相符。夏季，太陽的高度角較小，采用“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”的形式可以獲得較好的匹配，所以發電量提高比例較大；而冬季，太陽的高度角較大，此時南北方向傾角12°的跟蹤支架與雙面光伏組件的匹配效果會差很多，因此獲得的發電量提高比例較小，甚至在有些月份會低于最佳固定傾角的安裝方式。但從全年來看，在綜合考慮支架成本后發現，“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”是性價比較高的一種方案。該方案全年的發電量理論上比“最佳固定傾角+雙面光伏組件”方案提高約15%，是值得期待的。

2 實證方案

以位于日照條件良好的哈密柳樹泉某光伏電站為例進行實地驗證。組件采用隆基PERC高效雙面單晶硅光伏組件，雙面因子為0.767，功率為355 W；支架分別采用南北方向傾角12°、東西方向傾角采用天文跟蹤方式的斜單軸跟蹤形式，以及40°最佳固定傾角形式；各個陣列分別單獨接入8 kW的華為逆變器。該電站從2018年3月13日開始運行，數據采集至6月13日，共3個月。

圖3 實證電站實景圖

3 實證結果及分析

圖4為3個月內裝機容量均為51.12 kW的斜單軸跟蹤陣列與最佳固定傾角陣列的理論發電量及實測發電量對比。

圖4 3個月內斜單軸跟蹤陣列與最佳固定傾角陣列的理論發電量及實測發電量對比

從圖4可以看出，在3月13日～6月13日的實測時間段內，最佳固定傾角陣列的理論發電量與實測發電量較為吻合，這主要是由于水平面太陽輻射強度取20年的平均值，同時固定支架形式受可變因素影響較小。而斜單軸跟蹤陣列的實測發電量則明顯比理論值低約5%，這是由于跟蹤支架的跟蹤曲線無法與天文跟蹤方式完全匹配，導致實測發電量會較大幅度的低于理論發電量。

圖5為3個月內斜單軸跟蹤陣列比最佳固定傾角陣列的理論發電量提高的比例及二者實測發電量提高的比例情況。

圖5 3個月內斜單軸跟蹤陣列比最佳固定傾角陣列的理論發電量提高比例及實測發電量提高比例情況

從圖5中可以看出，整體來看，理論值與實測值在誤差范圍內，較為符合。在實測的3個月內，斜單軸跟蹤陣列發電量可獲得約18%的提高，全年預計會有約15%的提高。

4 結論

本文對采用“最佳固定傾角+雙面光伏組件”與“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”的方案進行了理論分析，并在哈密地區進行了3個月的光伏電站實證，實證結果與理論分析較為吻合。采用斜單軸跟蹤方式可以獲得較大發電量的提升，而斜單軸跟蹤作為單軸跟蹤的主要形式之一，可以較好地反映單軸跟蹤的特性；再加上單軸跟蹤支架的成本相對較低，可靠性較好，對整體光伏發電系統來講，其可以有效地提高光伏電站的性價比；同時，單軸跟蹤支架還有較大的優化提升空間，是值得探索的促進平價上網的光伏集成技術。