雙面光伏反射聚光發電裝置的研究

袁全紅

(廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞 523083)

近年來，晶體硅組件發電效率提升緩慢，平均每年約提高0.5%。與此同時，雙面光伏發電技術發展迅速，雙面組件在光伏發電市場的占比也快速上升。2019 年下半年，中國約30%的公用事業規模項目使用了雙面太陽能組件。雖然玻璃價格上漲影響了市場占比的增幅，2020 年雙面組件市場占比為29.7%，是2019 年的2 倍多。隨著玻璃供應的改善，預計2023 年，單雙面組件市場占比相當[1]。

雙面組件正反(背)兩面均可接收太陽光發電。單晶光伏組件正面轉換效率一般為18%～22%。雙面光伏組件(用玻璃或透明背板封裝)背面的光電轉換效率是正面的60%～90%，但由于背面光照強度低，因此背面發電量較少。如單晶n 型雙面光伏組件的正面轉換效率為18.34%，背面轉換效率為15.59%，組件綜合轉換效率達到19.90%。雙面光伏組件在草地條件下發電量比單面組件可提高8%～10%，在雪地條件下發電量能提高30%[2-3]。雙面光伏發電關鍵是要能提高背面光照強度，才能真正發揮其優勢。如果能針對雙面太陽電池組件，開發出背面聚光裝置，就能大幅度提高組件的發電量[4]。

目前關于雙面光伏反射裝置的研究尚不多見。李大虎等[5]設計了一種方位角跟蹤反射裝置，通過仿真得出冬季和夏季單軸跟蹤下雙面電池日發電量比固定式雙面電池分別提高39.8%和53.1%。侯慧等[6]設計了一種雙軸跟蹤反射裝置，并通過仿真得出冬季和夏季比固定式單面電池分別提高93%和94%，比雙軸跟蹤雙面電池日發電量分別提高30.4%和15.5%。

1 雙平面鏡反射的分析

如圖1 所示，設PV 板的長度為L，水平放置，在其下方左右兩邊各放置一塊傾斜的平面鏡MS 和M'S'，太陽光線通過左邊平面鏡M 和S 點反射后，剛好到達光伏板背面的最左邊和最右邊，而通過右邊平面鏡M'和S'點反射后，剛好到達光伏板背面的最右邊和最左邊。整套光伏板發電裝置采用2 自由度實時追蹤(即太陽的高度角和方位角)，光伏板始終與太陽光垂直，則兩塊平面鏡的反射光線始終剛好覆蓋光伏板背面。

圖1 雙平面鏡反射原理圖

設平面鏡最低點S 與PV 板的高度差為h，平面鏡的傾角為a，鏡面有效反射區為MS 和M'S'，設長度均為l。平面鏡光線的入射角為r，光伏板背面的入射角為b。則各幾何參數關系如下：

幾何聚光比p為系統的光線入射面與光線接收面的面積比，由于此處平面鏡反射光線是平行光，所以也等于光線入射面l與光線接收面長度L 之比。反射光的光學聚光比P是指光線接收面與光線入射面的平均輻照度之比，由于光伏板背面反射光線是平行光，所以其入射角b相同，P也等于幾何聚光比p與反射系數h和cos(b)的乘積,所以滿足如下關系：

可見，平面鏡高度h越低，平面鏡的傾角a 越小，光學聚光比P越大。但是，由于空間的限制，h不能太大。取L=5 dm，h=0.9，h=0～2L，通過MATLAB 編程，可以得出反射光線強度隨h的變化規律，如圖2 所示。

圖2 反射各參數隨高度h的變化曲線

由圖2 可以看出：當h從0 增大到2L時，平面鏡的傾角a基本為線性變化，從45°下降到13.3°；反射鏡長度l從0 升到4.6 dm，光線反射強度P則從0 升到1.44。

2 平面鏡聚光發電裝置的設計

雙平面鏡聚光發電裝置如圖3 所示，整個裝置由旋轉底座，電池板和反射鏡支架和電動推桿3 大部分組成。

圖3 雙平面鏡聚光發電裝置立體圖

旋轉底座左側下方的轉動軸安裝在地面的固定軸套內，右側的紅色步進電機驅動滾輪使底座轉動，可對太陽的方位角g進行跟蹤，如圖4(a)所示[7]。步進電機轉角b1為:

式中：R1為滾輪相對底座轉動軸轉動的半徑；R2為滾輪半徑。

電池板和平面鏡都固定安裝在田字架上面，平面鏡反射光線剛好覆蓋光伏板背面。田字架的前邊鉸接在底座的支撐架上，后邊通過一個電動推桿的升降，可對太陽的高度角q進行跟蹤，如圖4 所示。設電動推桿與底座支撐架的前后距離為B，則電動推桿高度H與“田字”架傾角q的關系如下：

圖4 雙平面鏡聚光發電裝置

本裝置結構簡單，安裝方便。反射鏡除平面玻璃鏡外，也可采用鍍膜鋁板。鍍膜鋁板反射效率90%以上，更輕便，易拆裝。三角形底板的中心設有單片機控制器，設定好當地的經度和緯度，控制器就能自動計算出每天某一時刻太陽的方位角和高度角，再輸出控制信號，驅動滾輪使底座轉動，并控制電動推桿的升降。由于兩塊平面鏡相對電池組件的位置始終不變，因此，采用一套雙軸實時跟蹤系統就可以實現光伏電池板和反射鏡同時對太陽光進行跟蹤。

3 反射裝置的發電仿真與實驗

為了驗證反射鏡聚光的發電效果，可建立太陽電池發電的工程數學模型，并對發電量進行仿真分析[8-9]。

3.1 太陽電池的等效電路

太陽電池工程數學模型的等效電路如圖5 所示。光伏電池的實際電流是Iph，它的大小與太陽電池板的有效表面積以及實際光照強度相關。ID為電路中二極管中流過的暗電流，RS是光伏電池等效串聯電阻，Rsh為旁漏電阻。一般Rsh→∞，Ish→0，可得到太陽電池四參數模型[10]。

圖5 太陽電池的等效電路

式中：I0為二極管反向飽和電流，A；n為二極管理想因子；U為負載電壓，V；Ut為光伏電池熱電壓，V；Ut=qk/T，k為玻爾茲曼常數；q為電子的電荷量；T為太陽電池溫度，K。

一般利用具有代表性的點來求解方程(1)，以獲得光伏電池特性曲線，如：

其中，短路電流ISC、開路電壓UOC、峰值電流Im和峰值電壓Um由產品銘牌給出，聯立式(7)～(10)，可求解太陽電池的四參數I0、Rs、n和U。

根據以上方程式，可以建立太陽電池發電的Simulink 數學模型，如圖6 所示。

圖6 光伏電池發電的Simulink模型

輸入參數為S、T、Sr、Tr共4 個。S為太陽光輻射強度，T為實測溫度，Sr為太陽光標準輻射強度1 000 W/m2，Tr為標準室溫25 ℃。示波器輸出參數為三個：U、I和P，分別為太陽電池電壓、電流和功率，以便于觀察分析結果。

3.2 太陽電池發電仿真模型

由于目前市場上雙面組件的面積都較大，一般在1.6 m×1.0 m 以上，做實驗不方便。故可選用尺寸較小的單面組件，選用星火公司BSF-50W 單面組件，設定該組件參數Uoc=21.6 V，Isc=3.05 A，Um=18 V，Im=2.78 A，即可進行發電量仿真計算。

當T=51 ℃,S為543 W/m2時的仿真計算，其峰值電流Im為1.63 A，峰值電壓為15 V，峰值功率Pm為24.4 W。電池板發電功率P-I響應曲線如圖7 所示。

圖7 電池板發電功率P-I響應曲線

3.3 反射太陽能發電裝置發電實驗

為了驗證仿真結果，溫度計采用順科達工業紅外測溫儀，太陽光輻照度采用欣寶SM206 太陽能輻射測量儀，太陽能MTTP 充電控制器采用悠昊600W-MTTP 充電控制器(自帶電流、電壓實時顯示功能)，按照圖1 安裝實驗裝置。為便于實驗，可只安裝了一面反射鏡。分別測量不同條件下電池組件的發電量，數據見表1。

表1 電池組件的發電參數對比

電池組件正面朝上的3 組數據是為了驗證Simulink 模型的準確性，此時不用反射鏡；而背面朝上的3 組數據是為了驗證平面鏡反射光線的發電效果，此時要用反射鏡。表中，Um、Im為測量值，Pm測量=Um×Im；Pm計算值為工程數學模型Simulink 的仿真結果。

由表1 可以看出，當電池組件正面朝上時，最大發電功率的測量值比Simulink 仿真計算值低6%～10%，主要原因是充電控制器的MTTP 具有一定延遲性，尚未達到最大功率；此外太陽能輻射測量儀的靈敏度高，測量時由于受云層和氣流影響，數值隨外界條件變化波動頻繁；或者組件表面灰塵可能會影響發電功率，使其略有下降。

當電池組件背面朝上時，最大發電功率測量值與Simulink 仿真計算值相比低40.7%～49.0%。

根據圖1 實驗裝置的實際參數，當設定平面鏡反射系數h為0.9 時，則通過單個平面鏡反射后，組件背面反射光線強度為：

即組件背面朝上時，反射光強度和發電功率比正面都低37%。組件正面朝上時，實驗誤差低6.4%～10%。這與背面朝上時，最大發電功率的測量值比計算值偏低40.7%～49.0%的情況是基本吻合的。

如果光伏發電裝置采用雙面鏡反射，據上述數據推論，背面發電系數可達正面的1.26 倍。如果背面發電功率是正面的80%，則背面發電功率可增加1倍，從而實現發電量倍增。

為了驗證平面鏡反射的效果，定制了尺寸為55 cm×55 cm 的PERC 雙面光伏組件。在標準光照條件下，正面、背面額定功率分別為50.8 和40.4 W，背面發電率為正面的80%。2021 年12 月8 號，在戶外3 種太陽光直射條件下，實測發電功率對比數據見圖8。圖中，正面為單正面發電(遮擋背面)；雙面為不遮擋背面，有地面漫反射；反射1 采用單塊亞克力鏡片反射；反射2 采用單塊玻璃鏡片反射。

圖8 三種戶外環境條件實測發電功率對比柱狀圖

在三種戶外環境條件下，背面發電功率(遮擋正面)均為0，正面發電功率分別為35.0、36.2 和28.4 W。

在以上三種戶外環境條件下，雙面發電功率分別為36.8、38.0 和30.1 W。分別比單正面發電功率(遮擋背面)高5.1%、5%和6%。

采用單塊亞克力鏡片反射后，雙面發電功率分別為50.0、51.8 和40.3 W。分別比單正面發電(遮擋背面)提高了43.1%、43.4%和41.8%。

采用單塊玻璃鏡片反射后，雙面發電功率分別為51.0、52.2 和41.5 W，分別比正面提高了45.7%、44.2%和46.1%，可見采用反射鏡后，發電功率都能夠大幅提高，而且玻璃鏡片比亞克力鏡片的效果略好。實驗中亞克力鏡片易變形，散射后反射強度降低，需要襯背支撐。此外，如果出現云霧，反射后發電功率會大幅下降。

4 小結

通過MATLAB 編程，可以得出反射光線各參數隨高度差h的變化規律。平面鏡最低點S 與PV 組件高度差h越低，a 越小，光學聚光比P越大。但是由于實際安裝空間限制，h不能太大。

設計了一套雙平面鏡聚光發電裝置，可以整體實現光伏板和平面鏡對太陽的實時二維跟蹤。

建立的Simulink 模型仿真結果與實驗測量值基本吻合。雙面鏡反射后背面發電系數可達正面的1.26 倍，如果背面發電率為80%以上，則可實現電池組件發電量倍增。如果前后方向也增加雙面鏡反射，則背面發電量會進一步增大。

通過雙玻雙面電池板戶外實測，采用單塊亞克力鏡片或玻璃鏡片反射后均比正面發電功率大幅提高，且玻璃鏡片反射效果比亞克力鏡片略好。

本雙平面鏡聚光發電裝置簡單緊湊，易于控制。相對于雙軸實時追蹤系統只需要添加兩塊平面鏡和簡單支架，就能大幅提高發電量，成本低，性價比高。如果采用易于拆裝的鍍鋁或亞克力反射鏡，更加輕便低廉，可在廣大太陽能資源豐富的地區推廣。