不同類型雙面光伏組件發電性能的實證研究*

胡振球，曾 飛，林榮超，曾嬋娟，劉書強，黃瑜頌，蔡夢杰

廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東 佛山 528300

0 引言

雙面光伏組件是一種正面和背面可以同時發電的新型高效光伏組件[1]。近年來，雙面組件的生產技術日益成熟，市場化進程迅速加快，已成為主流的光伏發電產品，p型PERC、n型topcon、n型HJT等多種結構的太陽能電池均可制備成雙面組件[2]。據研究，雙面組件系統在不同環境下的發電性能有著很大的差別，相對于傳統單面組件，雙面組件系統在安裝傾角、安裝高度、容配比、支架設計等方面都應做特殊的設計[3]。在不同的使用環境下，雙面組件的產品選型、安裝角度設計、運行維護、逆變器等設備的配置等都存在差異。在大規模應用、推廣雙面組件的同時，如何準確、快速地評估雙面組件的發電性能成為業內的熱點問題。

陳建國[4]、陸煒等[5]對雙面系統進行了理論建模分析；馬少華[6]、肖志剛[7]、裴駿等[8]則在戶外不同場景下進行了實證測試。研究表明，雙面組件可以顯著提高光伏系統的發電性能。目前，對于雙面光伏組件的發電量增益的實證評估研究方法不盡相同，缺乏不同類型雙面組件的發電能力對比。對此，在佛山市順德區建設了一個光伏組件實證研究平臺，在平臺中可以采用多通道I-V特性測試儀配合自動切換裝置，用最大功率在線測量的方法計算雙面組件的直流發電量，考察p型PERC、n型topcon、n型HJT三種雙面組件在磚地、鋁箔、白漆三種不同反射材料下的系統能效比，從而評估組件的發電特性。

1 實證平臺搭建

在佛山市順德區的廣東質檢院順德基地樓頂搭建了一個小型實證場。平臺采用混凝土基礎、不銹鋼可調支架，共6個方陣，每個方陣可安裝2塊光伏組件，每塊組件均單獨接入1臺微逆變器，再并入電網，同時安裝1套氣象采集系統，監測輻照強度、環境溫度、濕度、風速風向等數據。實證平臺外觀如圖1所示。實證平臺的地面為磚地，為研究雙面光伏組件在不同背面反射率下的發電性能，還在磚地上鋪設了鋁膜、白漆薄膜兩種材料，用于模擬不同的反射場景，并用晶體硅輻射計同時測量雙面光伏組件正面和背面的輻照強度，計算不同材料在不同時間的反射率。

圖1 實證平臺外觀照片

三種雙面光伏組件的反射率隨時間的變化曲線如圖2所示。鋁箔、白漆兩種材料的反射率均明顯高于磚地，其中鋁箔的反射率最高，而且中午時段的反射率最高。這主要是因為鋁箔的反射以鏡面反射為主，而白漆和磚地的反射以漫反射為主。計算9：00～15：00不同材料的反射率平均值，磚地為25.8%，白漆為38.9%，鋁箔為52.6%。

圖2 不同背面材料反射率曲線

2 發電性能評價方法

使用組件能效比（performance ratio, PR）評價雙面組件的發電性能，計算公式如下：

式中：PR為組件能效比；E為評估周期發電量，kW·h；P0為光伏組件額定功率，kW；Hi為光伏方陣面輻射量，kW·h/m2；G為標準測試條件輻照度，kW/m2。

由于微逆變器的轉換效率具有較高的不確定性，實證研究中一般使用高精度的直流電表采集組件的直流發電量，但組件的工作狀態依然受微逆變器MPPT追蹤效率的影響，因此直流電表記錄的發電量仍存在一定誤差。對此，文章采用多通道I-V特性測試儀測量實時發電功率，再積分計算每塊組件的直流發電量，以最大限度地反映組件的真實發電特性。在測試過程中，使用特制裝置實現組件在并網發電和離網測試兩種運行狀態的自動切換，具體過程如下。

（1）光伏組件切換裝置與多通道I-V特性測試儀通信，接收其控制命令。

（2）切換裝置的IN接口正負極連接被測組件，OUT接口連接微逆變器，IV接口連接多通道I-V特性測試儀。切換裝置和多通道I-V特性測試儀均為6個通道，可同時連接6塊光伏組件。

（3）I-V特性測量時，由多通道測試儀發送命令，切換裝置將組件開路，測量其I-V特性曲線，記錄最大功率及其他電學參數，同時記錄輻照強度、組件背板溫度等數據，在30 s內完成測試。

（4）I-V特性測試完畢后，由多通道I-V特性測試儀發送命令，切換裝置將組件接入微逆變器，使組件并網發電。

（5）設置并網狀態的時間間隔，使切換裝置自動運行，然后重復步驟（3）、（4）。

自動切換裝置的電路接線如圖3所示。

圖3 自動切換裝置電路圖

通過在線式I-V特性測量，用組件最大功率積分計算直流發電量，可以避免微逆變器MPPT追蹤效率可能帶來的誤差；采用切換裝置自動切換組件的狀態，可以使組件在測試時處于離網開路狀態，其余時段處于并網狀態，從而盡可能地模擬組件的實際使用過程，因此具有較高的可靠性。

3 實證數據分析

選用主流組件廠家生產的p型單面、p型PERC雙面、n型topcon雙面、n型HJT雙面四種組件各5塊，充分曝曬，正面的曝曬輻照量為88 kW·h/m2，背面的曝曬輻照量為65 kW·h/m2。在四種型號的組件中挑選功率最穩定、EL無隱裂的樣品各1塊，安裝在實證系統上，研究其發電性能。

四種組件的性能參數如表1所示，其中的最大功率Pmax、開路電壓Voc、短路電流Isc、填充因子FF均由銘牌提供，均為正面參數；雙面率BiFi衰減至穩定后在實驗室用AAA瞬態模擬器測試計算得出。

表1 組件樣品電學參數

四種組件分別在磚地、白漆、鋁箔三種反射面材料下運行7個晴天，然后使用多通道I-V特性測試儀配合自動切換裝置測量其直流發電量E，使用總輻射表記錄總輻照量Hi，利用式（1）計算PR值（P0為選用組件的銘牌標稱功率）。不同反射面材料、不同類型雙面組件的PR值分布如圖4所示，計算得到的四種組件的PR值的平均值如表2所示。

圖4 不同反射面材料下，不同組件的PR值分布

表2 四種組件的PR值平均值

由上述結果可知，p型單面組件在三種反射面材料下的PR值均在90%左右，反射材料的不同會影響PR值，這是因為地面反射會提高組件的背板溫度。三種雙面組件的發電性能相對單面組件都有較大的提升。在同一種反射材料下，p型PERC雙面、n型topcon雙面、n型HJT雙面三種組件的PR值依次升高，表明不同類型雙面組件的發電性能有所差別，而且HJT雙面組件的表現最優異；對于同一種雙面組件，反射率越高的反射面材料，其PR值也越高，反射面為鋁箔時，HJT雙面組件的PR值達132.43%，比單面組件的發電量增加近42%。

4 結束語

文章研究了p型PERC、n型topcon、n型HJT三種不同類型雙面組件在磚地、鋁箔、白漆三種不同反射面材料下的發電性能。為了避免微逆變器MPPT追蹤可能導致的影響，采用多通道I-V特性測試儀配合切換裝置使被測組件自動切換運行狀態，通過在線式最大功率測量的方法計算直流發電量，用PR值評估組件發電特性。研究表明，該方法能很好地用于組件實證研究，而且HJT雙面組件的表現優于其余兩種組件，在鋁箔作為反射面材料的情況下，發電量比單面組件可提高近42%。