雙面光伏組件在多類型光伏電站中的發電特性研究

裴 駿，陸 煒，田介花，潘少峰，陸文俊，索博鵬，關連松

(江蘇林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

雙面光伏組件的正面和背面均能發電，其背面能夠接收周圍環境的反射光和散射光，并轉換為電能。相較于相同安裝條件下的單面光伏組件，雙面光伏組件能發出更多的電量，這部分多發的電量即為雙面組件發電量增益，主要是由組件背面發電量決定的，而其背景環境決定了發電量的增益比例。文獻[1]對雙面光伏組件較單面光伏組件在白石子、綠草地和沙地3種背景環境下的發電量增益進行了測試。但目前對于雙面光伏組件的發電量增益比例還未有可靠的評估方法。本文分析了不同背景環境和不同支架類型光伏電站中雙面光伏組件的發電特性，并利用PVsyst軟件進行了發電量模擬。

1 雙面光伏組件的發電特性

由圖1可知，雙面光伏組件正面主要吸收太陽的直射光、地面的反射光和天空的散射光，背面主要吸收背景的反射光和周圍的散射光。背景反射率直接影響了雙面光伏組件背面的發電量，背景反射率越高，組件背面接收到的反射光就越多，發電量也就越高。在背景反射率很高時，雙面光伏組件的發電量能夠提高10%～30%[1]。

圖1 光線在雙面光伏組件周圍傳輸的示意圖Fig.1 Diagram of light transmission around bifacial PV module

雙面光伏組件相對于單面光伏組件的發電量增益α可表示為：

式中，WB為雙面光伏組件每kW的發電量，kWh；WS為單面光伏組件每kW的發電量，kWh。

2 不同背景下雙面光伏組件發電量的實證研究

雙面光伏組件應用于草地、土地、水面、戈壁等場景中時，這些場景會隨著季節的變化而改變顏色，從而對雙面光伏組件的發電量產生影響。通過對已建立的一系列實證電站進行分析，研究雙面光伏組件在不同場景下的發電特性。

2.1 水上光伏電站

該水上光伏電站位于安徽省淮北市，采用功率為295 W 的n型雙玻雙面光伏組件(以下簡稱“雙面光伏組件”)，采用浮體高支架的安裝方式，組件傾角為12°，組件下沿離水面高度為0.4 m。同時，在同樣水面高度，以同樣安裝方式及同樣組件傾角安裝280 W的雙玻單面光伏組件(以下簡稱“單面光伏組件”)作為對照組。2個測試組選用的逆變器、匯流箱、電纜均為同一型號，逆變器容量為50 kW。

圖2 水上光伏電站實景圖Fig.2 Photo of above-water PV power station

通過統計該電站1年的發電量數據發現，雙面光伏組件較單面光伏組件的年均發電量增益為5.39%。雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益如圖3所示。

圖3 水上光伏電站中雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益Fig.3 Monthly power generation gain of bifacial PV module compared to single-sided PV module in above-water PV power station

從圖3的數據可以看出，在水上光伏電站中，雙面光伏組件在1月和12月的發電量增益較高，分別為11.89%和12.05%，其他月份均在7%以下。這是因為雙面光伏組件的背面主要接收水體的反射光、散射光和進入水體又折射回水面的折射光，冬天太陽高度角低，陽光在水面有較低的入射角，而水面對于入射角低的光線有較高的反射率，因此冬季雙面光伏組件的背面可以獲得更多的反射光；此外，水生植物會吸收大部分入射到水體里的光線，冬季水體中的水生植物較少，所以透射回水面的光線較多。而夏季太陽高度角高，水面對入射角高的光線反射率低，且夏季水生植物較多，返射回水面的光線較少，所以夏季時雙面光伏組件比單面光伏組件的發電量增益小。

2.2 農光互補光伏電站

該農光互補光伏電站位于山東省冠縣，采用功率為290 W的 n型雙面單晶硅光伏組件(以下簡稱“雙面光伏組件”)，組件傾角為28°，組件下沿離地高度為2 m。附近以同一安裝傾角和同一下沿離地高度安裝280 W單面單晶硅光伏組件(以下簡稱“單面光伏組件”)作為對照組。2個測試組選用的逆變器、匯流箱、電纜均為同一型號，逆變器容量為50 kW。

該光伏電站的地面會隨季節產生變化，冬季以黃土為主，春季和夏季以草地為主，秋季為枯草。季節不同地面反射率也不同，雙面光伏組件較單面光伏組件的發電量增益也隨之變化。

通過統計2018年5月～2019年4月這1年的發電量數據發現，雙面光伏組件較單面光伏組件的年均發電量增益為11.96%。雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益如圖4所示。

圖4 農光互補光伏電站中雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益Fig.4 Monthly power generation gain of bifacial PV module compared to single-sided PV module in the agricultural PV complementation power station

從圖4可以看出，6月的發電量增益最高，達到了15%，隨后逐月遞減，到次年2月有一個陡升。這是因為7月之前草的覆蓋率較少，地面主要以土地為主，土地的反射率要高于草地，所以發電量增益較多；7月以后雜草逐漸茂盛，地面反射率降低，發電量增益減少；10月草地變黃，地面反射率變高，發電量增益變高；但是進入冬季后陽光較差，發電量增益下降，1月最低，只有10%；由于2月場區內下雪，雪地反射率較高，使2月的發電量增益變高，達到了13%。

圖5 7月、8月和1月時光伏電站的地面情況Fig.5 Ground of PV power station in July，August and January

圖5展示了光伏電站場區內7月、8月和1月的地面情況。由圖可以看到，7月時，草還未完全覆蓋地面，場區內有大片裸露的土地；8月時場區內已經完全被草地覆蓋；1月時場區內的草已經完全枯黃。

3 不同支架類型時雙面光伏組件發電量的實證研究

用于實證研究的光伏電站位于安徽省淮北市，采用功率為295 W 的n型雙面光伏組件，支架類型為平單軸跟蹤支架和固定支架2種。平單軸跟蹤支架的跟蹤角度為-60°～60°，支架高度為3.5 m；固定支架的傾角為25°，支架高度為2.6 m。背景分別為土地和白色農業大棚2種。在同一區域內有功率為285 W的單面光伏組件作為對照組。2個測試組中的逆變器、匯流箱和電纜均為同一型號，逆變器容量為50 kW。

圖6為白色大棚背景下采用平單軸跟蹤支架時雙面光伏組件的布置情況。

圖6 白色大棚背景下采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件的布置情況Fig.6 Arrangement of bifacial PV module with flat single-axis tracker mount under white greenhouse background

通過統計2018年4月～2019年3月這1年的發電量數據發現，在土地背景下，采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件(以下簡稱為“平單軸+雙面光伏組件”)較采用固定支架的單面光伏組件(以下簡稱為“固定+單面光伏組件”)的年均發電量增益為20.17%；在白色大棚背景下，“平單軸+雙面光伏組件”較“固定+單面光伏組件”的年均發電量增益為23.2%。圖7為不同背景時，“平單軸+雙面光伏組件”較“固定+單面光伏組件”的月發電量增益情況。由圖7可知，“平單軸+雙面光伏組件”較“固定+單面光伏組件”的月發電量增益呈夏季高、冬季低的趨勢；且在白色大棚背景下的年均發電量增益比在土地背景下時高約3%。

圖7 不同背景時，“平單軸+雙面光伏組件”較“固定+單面光伏組件”的月發電量增益Fig.7 Under different backgrounds, the monthly power generation gain between bifacial PV module using flat singleaxis tracker mount with single-sided PV module using fixed mount

在白色大棚背景下，采用固定支架的雙面光伏組件(以下簡稱“固定+雙面光伏組件”)較“固定+單面光伏組件”的年均發電量增益為9.24%；在土地背景下，“固定+雙面光伏組件”較“固定+單面光伏組件”的年均發電量增益為7.34%。不同背景時，采用固定支架的雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益如圖8所示。

由圖8可知，在土地和在白色大棚背景下，“固定+雙面光伏組件”的發電量增益趨勢是一致的；而且由于白色大棚的背景反射率較高，布置于其上的雙面光伏組件的年均發電量增益比土地背景時多約2%。

圖8 不同背景時，采用固定支架的雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益Fig.8 Under different backgrounds, the monthly power generation gain between bifacial PV module with single-sided PV module using fixed mount

綜上所述，白色大棚的高背景反射率對提高雙面光伏組件的發電量有促進作用。但由于大棚表面的弧度對光線反射的方向性，雙面光伏組件的年均發電量增益只比其在土地背景下時高約2%～3%。

4 彩鋼瓦屋面上雙面光伏組件發電量的實證研究

彩鋼瓦屋面是分布式光伏電站的常用屋面類型。本實證的彩鋼瓦光伏電站位于安徽省安慶市某公司廠區的屋頂。為了研究不同顏色彩鋼瓦及組件安裝方式對發電量的影響，分別在白色和藍色彩鋼瓦上，采用平鋪及10°傾角鋪設雙面光伏組件，并以采用同樣方式鋪設在藍色彩鋼瓦上的單面光伏組件作為對照組；以2017年9月～2018年10月為測試周期，對不同的組合方式進行測試，具體如表1所示。

由表1可以看出，當雙面光伏組件平鋪于白色和藍色彩鋼瓦上時，二者的發電量增益相近，分別是4.69%和4.59%，這說明彩鋼瓦的顏色對雙面光伏組件的發電量增益影響不大。當雙面光伏組件以10°傾角鋪設在彩鋼瓦上時，白色彩鋼瓦上雙面光伏組件的發電量增益比藍色彩鋼瓦上的增加2.88%。這說明當雙面光伏組件背部可以接收更多光線時，背景反射率對雙面光伏組件發電量增益的影響程度就會加大。

表1 彩鋼瓦場景實證數據Table 1 Test Data of color steel tile

圖9為以10°傾角鋪設時，白色彩鋼瓦上的雙面光伏組件較藍色彩色鋼瓦上的單面光伏組件的月發電量增益。從圖中可以看到，雙面光伏組件的發電量增益隨季節而變化，呈夏季高、冬季低的趨勢。夏季6月的發電量增益最高，為10.56%；冬季11月最低，為6.96%。

圖9 以10°傾角鋪設時，白色彩鋼瓦上的雙面光伏組件較藍色彩鋼瓦上的單面光伏組件的月發電量增益Fig.9 Monthly power generation gain of double-sided PV module on white steel tile compared to bifacial PV module on blue steel tile with 10° tilt

圖10為雙面光伏組件在不同顏色彩鋼瓦上的鋪設情況。

5 發電量增益的模擬值與實際值對比

將光伏電站實證數據與模擬數據進行對比，通過實證數據校正模擬參數的設定，可使模擬數據更接近雙面光伏組件的實際發電情況，將為未來采用雙面光伏組件的光伏電站設計和投資提供可靠的參考。本文利用PVsyst軟件對上文幾種實證電站所涉及到的單面和雙面光伏組件的各月發電量進行模擬，并計算得到不同類型光伏電站中雙面光伏組件較單面光伏組件各月發電量增益的模擬值，然后與各月發電量增益的實際值進行對比。

5.1 水上光伏電站中雙面光伏組件的發電特性模擬

根據文獻[2]可以得到，水面的平均反射率約為7%，因此模擬時的背景反射率選擇7%。

圖11為水上光伏電站中雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益模擬值和實際值曲線。可以看出，模擬值與實際值在1月和12月偏差較大，實際值呈現較高的上升趨勢。這是由于冬天太陽高度角較低，水面反射率較高；在夏天正相反。因此，在模擬水上光伏電站雙面光伏組件的發電量時，可以把冬季的水面反射率設置為10%左右，從而可獲得較為準確的模擬結果。

5.2 農光互補光伏電站中雙面光伏組件的發電特性模擬

圖12為農光互補光伏電站中雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益的實際值與模擬值曲線。

圖12 農光互補光伏電站中雙面光伏組件較單面光伏組件月發電量增益的模擬值和實際值曲線Fig.12 In the agricaltural PV complementation power station,monthly simulated and actual power generation gain curves of bifacial PV module compared to single-sided PV module

從圖12可以看出，月發電量增益的實際值和模擬值趨勢相似，但數值差異較大。這是由于農光互補光伏電站的植物繁茂程度是隨季節改變的，所以地面反射率也隨季節變化，導致發電量增益實際值與模擬值相差較大。因此在模擬時為了獲得較為精確的模擬結果，需根據電站所在地植被的變化情況按月設定地面反射率。

5.3 采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件的發電特性模擬

圖13為白色大棚背景下，采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件較采用固定支架的單面光伏組件的月發電量增益模擬值與實際值曲線。

圖13 白色大棚背景下，采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件較采用固定支架的單面光伏組件的月發電量增益的模擬值和實際值曲線Fig.13 Under white greenhouse background，monthly simulated and actual power generation gain curves of bifacial PV module using flat single-axis tracker mount compared to single-sided PV module using fixed mount

由圖13可知，雙面光伏組件較單面光伏組件的月發電量增益模擬值與實際值的變化趨勢一致且相差不大，這說明模擬數據可以較好地反映實際情況。

5.4 彩鋼瓦屋面雙面光伏組件的發電特性模擬

根據文獻[3-4]可知，白色彩鋼瓦和藍色彩鋼瓦的反射率分別為70%～80%和25%～35%，因此在模擬時，白色彩鋼瓦和藍色彩鋼瓦的反射率分別取80%和25%。

表2為不同彩鋼瓦場景下雙面光伏組件較單面光伏組件的發電量增益模擬值和實際值，可看出二者相差較大。平鋪時，雙面光伏組件分別在白色和藍色彩鋼瓦上時的發電量增益模擬值相差很大，但實際值卻相差很小；以10°傾角鋪設時，雙面光伏組件在白色彩鋼瓦上的發電量增益模擬值大于實際值，在藍色彩鋼瓦上的發電量增益模擬值小于實際值。因此，模擬雙面光伏組件在彩鋼瓦屋面的情況時，需要參考實證數據進行修正。

表2 不同彩鋼瓦場景下，雙面光伏組件發電量增益模擬值和實際值Table 2 Simulated and actual power generation gain of bifacial PV module on steel tile

根據實際數據重新修正白色彩鋼瓦和藍色彩鋼瓦的反射率為50%和35%。表3為反射率修正后重新模擬的發電量增益模擬值和實際值情況。

表3 反射率修正后雙面光伏組件的發電量增益模擬值和實際值Table 3 Simulated and actual power generation gain of bifacial PV module with revised reflectivity

從表3可以看出，反射率修正后的模擬值和實際值相差在1%以下。

6 結論

本文通過多個實證電站獲得了雙面光伏組件在不同環境下的實際發電數據，并將其與PVsyst軟件模擬的數據進行比較，得到了以下結論：

1)在水上光伏電站，由于水面的反射特性，雙面光伏組件較單面光伏組件的年均發電量增益僅為5.39%。從月發電量增益來看，由于冬季太陽高度角較低，水面對陽光的反射率較高，因此冬季的發電量增益比夏季高，達到11%以上。

2)在農光互補光伏電站，雙面光伏組件較單面光伏組件的年均發電量增益可達11.96%。由于草地的顏色隨季節的變化而變化，因此，雙面光伏組件的發電量增益也隨之變化。裸露地面的反射率高，雙面光伏組件的發電量增益也較高；當地面草長的茂盛時，草地反射率較低，發電量增益也較低。

3)在土地背景下，采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件較采用固定支架的單面光伏組件的年均發電量增益為20.17%；而在白色大棚背景下，該增益為23.2%。

4)當雙面光伏組件平鋪于彩鋼瓦上時，彩鋼瓦的顏色對其發電量增益影響很小；當雙面光伏組件以一定傾角鋪設于彩鋼瓦上時，彩鋼瓦的顏色對其發電量增益的影響較大，白色彩鋼瓦可以獲得較高的發電量增益。

5)將雙面光伏組件發電量增益的模擬值與實際值對比后發現，選擇合適的反射率，可以使模擬值和實際值較接近。在水面環境下，模擬值和實際值在夏季較接近，而冬季偏差較大，主要是由于冬季水面反射率變化導致的。采用平單軸跟蹤支架的雙面光伏組件的發電量增益模擬值和實際值的趨勢一致。彩鋼瓦環境下，雙面光伏組件發電量增益的模擬值與實際值的偏差較大，修正背景反射率后，得到了較為接近實際值的模擬結果。