反光材料對采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站發電性能的影響分析

潘少峰，陸 煒，索博鵬，田介花，陸文俊，趙蓓蓓

(江蘇林洋能源股份有限公司， 啟東 226200)

0 引言

近幾年，高效太陽電池發展迅猛，自2016年以來，具有雙面發電功能的雙面太陽電池和雙面光伏組件更是如雨后春筍般出現在光伏行業。但相對于單面光伏組件而言，雙面光伏組件的成本較高。如何使雙面光伏組件在系統應用端得到最大化利用，從而降低度電成本、提高電站的投資回報率，成為采用雙面光伏組件的光伏電站投資者關注的問題。

吳翠姑等[1]通過實驗對比了雙面光伏組件在不同背景環境下的發電量輸出特性，結果顯示，背景環境的反射率越高，雙面光伏組件背面的發電量就越大，尤其在白石子背景環境下，雙面光伏組件的發電量增益高達20%。BRENNAN等[2]研究了不同地面背景的光譜反射率，結果顯示，雪地背景在波長為0～800 nm范圍內的反射率最高；對于應用于屋頂的反光材料，鋁箔背景在波長為0～500 nm范圍內的反射率最高，白橡膠背景在波長為500～800 nm范圍內的反射率最高。馬少華等[3]認為雙面光伏組件在雪地背景下的發電效率最高，光伏發電系統能效(PR)高達108.2%。

目前雙面光伏組件已廣泛應用于光伏發電項目中，尤其是較多應用在分布式光伏項目中的工商業屋頂。而在雙面光伏組件的背景環境中使用反光材料，可以增加組件的發電量。本文分析了屋頂采用不同反光材料時，背景環境對雙面光伏組件背面發電量的影響。

1 雙面光伏組件

光伏行業一直致力于太陽電池結構的優化，以提升電池對光能的吸收和轉化，而使電池背面發電就是其中一種優化方法。采用此方法的太陽電池的背面電極采用與正面相同的柵線結構，使電池前后表面都能吸收光線，形成一種雙面電池結構。目前可量產的雙面太陽電池結構主要有異質結 (HJT)、鈍化發射極及背面全部擴散 (PERT)和發射極及背面鈍化(PERC)這3種技術[4-5]。

雙面太陽電池和單面太陽電池相比，其最大的優勢在于背面可發電。目前市場上雙面光伏組件主要是以玻璃代替不透明背板，以實現雙面太陽電池的雙面發電特性。因此，如何提高電池背面的受光量就成為關鍵技術。而影響雙面光伏組件背面發電量的因素主要包括背景反射率、組件下沿離地高度、安裝角度、行間距、組件背面陰影和遮擋等。本文僅對背景反射率對背面發電量的影響進行研究。

2 反光材料

可使用在屋頂的反光材料有防水卷材、外墻涂料、反光薄膜等。當屋頂光伏電站的屋頂采用不同反光材料作為背景時，其對雙面光伏組件背面發電量的影響也會不同。本文選取2種防水卷材和3種外墻涂料作為背景材料，并對其反射率進行了分析。

2.1 防水卷材

本文選取了KD防水卷材和DQ防水卷材進行分析。KD防水卷材為聚烯烴納米合金防水隔熱自粘卷材。DQ防水卷材為POH-TY納米合金冷屋面防水隔熱防穿刺自粘卷材。

背景反射率的高低是由背景材料的性質決定的，而不同的材料在不同光譜波段會有不同的反射率。因此對作為背景材料的2種防水卷材的反射率進行了測試，測試結果如圖1所示。

圖1 2種防水卷材的反射率Fig.1 Reflectivity of two kinds of waterproof rolls

由圖1可知，當波長為500～900 nm時，DQ防水卷材的反射率在90%以上，KD防水卷材的反射率在80%左右。BRENNAN等[2]的研究表明，晶硅材料對370～1100 nm波段的光波的光電轉換效率最高，可達80%以上。因此，雙面晶硅太陽電池若與上述2種防水卷材相結合，可進一步提高電池的轉換效率。

2.2 外墻涂料

外墻涂料已廣泛應用在建筑行業，主要功能是保護建筑物外墻、提升建筑物美觀，以及滿足一些特殊要求。由于白色背景的反射率相對較高，可以達到80%～90%[2]，因此本文選擇3款市場上適用于建筑外墻和水泥屋頂的白漆進行研究，分別為CG白漆、DLS白漆和QH白漆。CG白漆和QH白漆均由丙烯酸樹脂、顏填料等制成，DLS白漆為乳膠漆。

3 反光材料實驗

3.1 實驗概況

本次實驗選擇安徽省安慶市某工廠的屋頂(117.03°E，30.52°N)，測試場景包括水泥背景、KD防水卷材背景、DQ防水卷材背景、CG白漆背景、DLS白漆背景和QH白漆背景這6種場景。每種場景均安裝容量為29.73 kW的n型雙面光伏組件(以下簡稱“雙面光伏組件”)，均采用同一型號的30 kW逆變器，組件安裝傾角均為18°，組件下沿離地高度均為0.4 m。此外，在同一屋頂安裝逆變器、組件傾角、組件下沿離地高度與雙面光伏組件均相同，并采用水泥背景、容量為98.56 kW的常規單晶硅光伏組件(以下簡稱“單面光伏組件”)作為對照組，數據采集周期為2017年6月1日～2018年1月31日。

3.2 實驗結果分析

對2017年6月1日～2018年1月31日期間單面光伏組件與水泥背景、KD防水卷材背景、DQ防水卷材背景、CG白漆背景、DLS白漆背景及QH白漆背景下的雙面光伏組件的每kW月發電量情況進行了統計，結果如表1所示。然后對6種場景下的雙面光伏組件相對于單面光伏組件的每kW月發電量增益進行了對比，結果如表2所示。

由表2可知，數據采集周期內，相較于單面光伏組件，雙面光伏組件的每kW月發電量增益的均值在水泥背景下為9.3%，在KD防水卷材背景下為12.8%，在DQ防水卷材背景下為21.4%，在CG白漆背景下為15.4%，在DLS白漆背景下為13.9%，在QH白漆背景下為15.6%。由表2還可以看出，每月的發電量增益的高低還與當月的光照資源相關，呈現夏季高、冬季低的趨勢。

表1 不同背景下光伏組件的每kW月發電量情況Table 1 Monthly per kW power generation of PV modules under different backgrounds

表2 不同場景下雙面光伏組件較單面光伏組件的每kW月發電量增益Table 2 Monthly per kW power generation gain of bifacial PV modules compared with single-sided PV modules under different backgrounds

將不同背景下雙面光伏組件且發電量增益最高時(7月)與該背景下月發電量增益最低時(1月)的差值繪制成柱狀圖，具體如圖2所示。

圖2 不同背景下雙面光伏組件月發電量增益的最高值與最低值的差值情況Fig.2 The difference between the maximum value and the minimum value of monthly power generation gain of bifacial PV modules under different backgrounds

由圖2可知，2種防水卷材背景下，雙面光伏組件的月發電量增益差值相對較大，DQ防水卷材與KD防水卷材背景下的月發電量增益差值分別為9.4%和8.9%；水泥背景和白漆背景下的月發電量增益差值相對較小，在5.4%～6.9%之間。

4 投資收益對比

雙面光伏組件的背景采用反光材料時，可以增加其發電量，從而提高采用雙面光伏組件的光伏電站的收益，但是反光材料的使用也會增加項目成本。下文針對采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站使用上述幾種反光材料時的投資收益情況進行分析。

為了測算與實際光伏電站規模相近的屋頂光伏電站的投資情況，將上文位于安徽省安慶市的屋頂光伏電站中每種情況下的光伏組件容量都假設為3 MW，但雙面光伏組件相較于單面光伏組件在不同背景下的每kW月發電量增益均值仍采用上文中的數據。電站所發電力采用“自發自用、余量上網”模式，“自發自用”的比例為90%，電價為協議電價0.68元/kWh(當地峰谷平均電價的80%)；“余量上網”的比例為10%，電價為當地脫硫煤電價0.3693元。項目資金中，30%為自有資金，70%為貸款。表3為水泥背景下采用單面光伏組件與6種背景下采用雙面光伏組件的電站投資收益情況。

表3 不同背景下的屋頂光伏電站投資收益Table 3 Investment income of rooftop PV power station under different backgrounds

由表3可以看到，采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站在水泥、防水卷材和白漆背景下的投資收益率均在8%以上。其中，水泥背景下的投資收益率為8.33%；2種防水卷材的投資收益率相差較大，在DQ防水卷材背景下，采用雙面光伏組件的電站的每kW月發電量增益均值高達21.4%，投資收益率為9.17%，投資回收期為9.3年；而在KD防水卷材背景下，采用雙面光伏組件的電站的每kW月發電量增益均值為12.8%，投資收益率比其他5種背景下都低，僅為8.05%。雖然白漆的初始投資相對較低，但是與在DQ防水卷材背景下相比，在白漆背景下采用雙面光伏組件的電站的每kW月發電量增益均值僅在13.9%～15.6%之間，投資收益率在8.35%～8.66%之間，比在DQ防水卷材背景下低，投資回收期也比在DQ防水卷材背景下長；而且相較于防水卷材，白漆的耐候性較差，在投資收益期內需要再次涂刷。因此，盡管DQ防水卷材初始投資較高，但其反射率高、發電量增益高、耐候性好，且投資收益率比其他背景時都好，投資回收期最短，是反光材料的最佳選擇。

5 結論

本文通過研究2種防水卷材和3種白漆作為反光材料時對采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站的發電量的影響，得到以下結論：

1)光譜反射率測試結果顯示，在500～900 nm波段，DQ防水卷材的反射率均在90%以上。

2)相較于水泥背景下的單面光伏組件，KD防水卷材背景下的雙面光伏組件每kW月發電量增益均值為12.8%；DQ防水卷材背景下的雙面光伏組件每kW月發電量增益均值為21.4%。

3)3種白漆背景下的雙面光伏組件每kW月發電量增益均值在13.9%～15.6%之間。

4)對比雙面光伏組件在某背景下的月發電量增益情況，DQ防水卷材背景下雙面光伏組件發電量增益最高月份與最低月份的差值為9.4%，KD防水卷材背景下的差值為8.9%，水泥背景和白漆背景下的差值在5.4%～6.9%之間。

5)通過對比不同反光材料的技術經濟性后發現，DQ防水卷材的反射率高，發電量增益效果好，耐候性佳，最終的投資收益最好且投資回收期最短。