基于PVsyst的單面與雙面光伏組件最佳安裝傾角對比

摘要：隨著光伏發電技術不斷進步，單面光伏組件與雙面光伏組件的價差不斷縮小。得益于發電量增益大，雙面光伏組件在實際項目中受到愈來愈多的青睞。當光伏發電項目采用單面或雙面光伏組件時，光伏組件的最佳安裝傾角成為一個重要的考慮因素。選取了3個太陽能資源等級地區，利用PVsyst對在這3個地區建設的光伏電站分別采用單面和雙面光伏組件時的安裝傾角與光伏電站首年發電量及光伏組件正面接收的太陽輻照量之間的關系進行了仿真模擬。得到以下結論：1）以光伏電站首年發電量最大為衡量標準時，雙面光伏組件的最佳安裝傾角大于或等于有陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角，但小于無陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角。2）就單面光伏組件而言，無陰影遮擋條件下增加光伏組件安裝傾角帶來的發電量增益高于有陰影遮擋安裝條件時。3）在無陰影遮擋情況下，在一定范圍內增大單面光伏組件的安裝傾角可以相應提升其發電量；相對于雙面光伏組件，無陰影遮擋的單面光伏組件通過適當提高其安裝傾角所獲得的發電量增益較小，且增大安裝傾角，光伏陣列之間的間距也需要相應增加，這會增大用地量，從而增加項目總成本。因此，在實際項目中，盡可能采用雙面光伏組件是一個較為理想的選擇。

關鍵詞：光伏電站；最佳安裝傾角；發電量；單面光伏組件；雙面光伏組件

中圖分類號：TM615文獻標志碼：A

0引言

隨著化石能源的日益枯竭和其使用所帶來的環境污染，可再生能源所具有的可再生性及其減緩氣候變化的能力得到了凸顯，各國政府不斷地出臺各種措施推動可再生能源擴大裝機規模。

依據國際能源署（IEA）的預測，中國的可再生能源裝機規模在2027年將接近1070 GW，其中，光伏發電和風電將會共占新增裝機容量90%的份額1。在國家政策不斷深化和行業技術不斷提升的背景下，雙面光伏組件的制造成本不斷下降，使其逐漸受到青睞。依據中國光伏行業協會發布的《中國光伏產業發展路線圖（2022—2023年）》，隨著光伏發電企業對雙面光伏組件發電量增益的不斷認可，雙面光伏組件的市場占比在2022年達到了40.4%|2]。

影響雙面光伏組件發電量的因素較多，包括地表反射率、方位角、光伏組件安裝傾角、光伏組件離地高度等。理論上而言，當所有影響因素均處于最佳水平時，相較于單面光伏組件，雙面光伏組件可帶來的最大發電量增益為30%3;但在大多數實際情況下，相較于單面光伏組件，雙面光伏組件可帶來的發電量增益為3%～10%[4。

當采用固定式光伏支架時，光伏組件的安裝傾角成為影響光伏發電量的關鍵因素，而最佳安裝傾角通常需根據項目的地理位置、周圍環境等因素來確定。提升光伏電站的發電量有助于降低其平準化度電成本（LCOE）？。馬競濤5研究發現，大多數情況下，雙面光伏組件的最佳安裝傾角會略大于單面光伏組件的最佳安裝傾角。Tahir等[6]研究發現，在多數情況下，相對于單面光伏組件，雙面光伏組件的安裝傾角每增加15°～20°可以降低8%～10%的LCOE。

為了使研究成果具有普適性，本文選取太陽能資源等級分別為A、B、C級的3個典型地區新疆維吾爾自治區的木壘哈薩克自治縣（下文簡稱為“新疆木壘縣”）、海南省文昌市（下文簡稱為“海南文昌市”）、湖南省祁陽市（下文簡稱為“湖南祁陽市”），利用PVsyst軟件對在這3個地區建設的光伏電站分別采用單面和雙面光伏組件時的安裝傾角與光伏電站首年發電量及光伏組件正面接收的太陽輻照量之間的關系進行仿真模擬。

1研究方法

1.1參數設置

1.1.1氣象數據

在光伏發電量模擬中，氣象數據的準確性至關重要。在商業投資中，高估太陽輻射量會導致預估發電量與實際發電量相差較大，從而引發投資失誤。PVsyst是行業內用于深入分析光伏發電系統的一個軟件，其功能強大，可用于光伏發電系統中的系統效率計算、發電量計算、陰影模擬等。PVsyst中提供了兩個主要的氣象數據庫，分別為NASA數據庫和Meteonorm數據庫。NASA數據庫通過衛星數據獲取大氣頂層數據，并通過各種模型計算得出地表輻射量。Meteonorm數據庫綜合分析衛星數據和當地氣象輻射觀測站數據后，通過差值算法得出當地典型氣象數據。在實際工程應用中，對于氣象條件較好、場地開闊的地區，NASA數據相對準確；然而對于中國南方等存在頻繁多云天氣的地區，NASA數據與實際數據存在較大差距。由于NASA數據是通過復雜的氣象模型計算得出的，其估算結果通常高于實際數據且偏差較大7。但基于某光伏電站的實際情況，利用Meteonorm數據庫對其發電量進行預測，結果顯示：預測的發電量與實際的發電量較為吻合。因此，本文以PVsyst 7.2.3中的Meteonorm 8數據庫進行下文的模擬分析。

1.1.2地表反射率

地表反射率的高低直接影響雙面光伏組件背面發電量增益的多少。地表顏色越淺且地形起伏越平緩的區域，其地表反射率越高，帶來的雙面光伏組件背面增益越大。本文選取的位于3個地區的3個光伏電站均屬于山地光伏電站，設定其地表環境均屬于淺綠色植被，在模擬時地表反射率均選擇20%。

1.1.3損失值設置

由于本文主要研究的是光伏組件安裝傾角與光伏電站發電量之間的關系，所以唯一變量為光伏組件安裝傾角。在模擬過程中，對于環境溫度、電氣失配、污染物等影響因素造成的發電量損失，3個光伏電站均選取PVsyst默認值。

1.1.4陰影設置

PVsyst中提供了一種快速確定光伏組件最佳安裝傾角的方法，就是通過模型計算出光伏組件在不同安裝傾角時接收的太陽輻照量，然后根據最大化接收太陽輻照量確定最佳安裝傾角。但該方式并未考慮光伏發電系統的陰影損失。

雖然依據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》可以計算出冬至日09：00～15：00期間無陰影遮擋情況下的光伏陣列前后排間距，但實際的光伏電站情況較為復雜，一般在早晚時分，光伏陣列前后排或左右排之間還是會受到一些陰影遮擋；并且當光伏電站周圍環境復雜時，光伏組件可能還會受到來自周圍環境的遮擋。因此，本文對單面光伏組件設定兩種情況：1）完全無陰影遮擋的情況，即無陰影遮擋的單面光伏組件，意味著在全年的任何時間點，光伏組件表面不存在任何陰影遮擋；2）依據GB 50797—2012計算出光伏陣列前后排間距且考慮周圍環境陰影遮擋，即有陰影遮擋單面光伏組件。由于在實際條件下雙面光伏組件受到的影響因素很復雜，包括：反射因子、雙面率，漫反射等。目前PVsyst暫時無法對雙面光伏組件進行3D仿真，在計算雙面光伏組件發電量時采用的是一個簡化的漫射模型，該模型忽略了邊緣效應、光伏組件內透光反射等影響光伏組件發電量的因素，且在該模型中設置離地高度后會自動考慮到陰影遮擋的影響，無法做到完全無陰影遮擋。因此，本文分析雙面光伏組件發電量時，僅分析其有陰影遮擋時的發電量情況。

1.2建立模型

本文所選的3個光伏電站既有正在建設的，也有已建設完成的。假設3個光伏電站的設計方式均為：光伏發電系統直流端裝機容量為196.2kW，交流端為175.2 kW，容配比1.12：1;光伏組件選用標稱功率為545 W的單面及雙面光伏組件；每20塊光伏組件串成1串，18串光伏組串接入1臺具有9路MPPT的175 kW逆變器；光伏陣列采用豎向雙排布置，即采用2行×10列的布置方式；采用固定式光伏支架；光伏組件的最低點離地高度為1.5 m。3個光伏電站的基本模擬信息如表1所示。

2模擬結果與分析

2.1新疆木壘縣光伏電站模擬結果與分析

依據GB 50797—2012計算得到新疆木壘縣光伏電站內光伏陣列前后排間距取8.2 m。對不同光伏組件安裝傾角下不同陰影遮擋條件時光伏電站的首年發電量進行模擬，得到該光伏電站光伏組件最佳安裝傾角與首年發電量之間的關系，具體如圖1所示。

由圖1可知：

1）無論是有陰影遮擋的單面光伏組件還是無陰影遮擋的單面光伏組件，亦或是雙面光伏組件，均在最大首年發電量時對應1個最佳安裝傾角；且隨著光伏組件安裝傾角的增大，光伏電站首年發電量先增加然后逐漸降低。

2）無陰影遮擋單面光伏組件在最佳安裝傾角時的光伏電站首年發電量比有陰影遮擋單面光伏組件的值大，增幅為2.9%，增益約為10 MWh;無陰影單面光伏組件的最佳安裝傾角角度大于有陰影遮擋時的值，二者相差4。

3）在相同光伏組件安裝傾角下，相較于兩種陰影遮擋條件下的單面光伏組件，雙面光伏組件有明顯的發電量增益；且當雙面光伏組件采用最佳安裝傾角37°時，光伏電站首年發電量會比有陰影遮擋的單面光伏組件采用最佳安裝傾角34°時高出約20 MWh。而相較于無陰影遮擋的單面光伏組件，在最佳安裝傾角下，雙面光伏組件的發電量仍會有約10 MWh的增加，但此時無陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角會相較于雙面光伏組件的略微上升。

對于無陰影遮擋的單面光伏組件而言，其最佳安裝傾角是根據光伏組件正面接收的太陽輻照量來確定的。因此，下文僅對有陰影遮擋的單面和雙面光伏組件的安裝傾角與其正面接收的太陽輻照量的關系進行分析，分析結果如表2所示。

結合圖1和表2可知：光伏電站首年發電量最大時，對應有陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角為34°，雙面光伏組件的為37°，但在這兩個安裝傾角下，有陰影遮擋的單面和雙面光伏組件正面接收的太陽輻照量都不是最大值，且首年發電量最大時的最佳安裝傾角均小于正面接收的太陽輻照量最大時的角度。當有陰影遮擋的單面光伏組件和雙面光伏組件均采用首年發電量最大時的安裝傾角時，后者正面接收的太陽輻照量比前者的提升了6 kWh/m2，這表明雙面光伏組件的正面發電量也會有一定的增益。

2.2海南文昌市光伏電站模擬結果與分析

依據GB 50797—2012計算得到海南文昌市光伏電站內光伏陣列前后排間距取5.9 m。對不同光伏組件安裝傾角下不同陰影遮擋條件時光伏電站的首年發電量進行模擬，得到該光伏電站光伏組件最佳安裝傾角與首年發電量之間的關系，具體如圖2所示。

由圖2可知：

1）當雙面光伏組件的安裝傾角為7°時，光伏電站的首年發電量達到最大值，為249.66MWh;隨著安裝傾角的增大，光伏電站的首年發電量先增加然后逐漸降低。

2）當雙面光伏組件達到最佳安裝傾角時，其所帶來的光伏電站首年發電量比達到最佳安裝傾角時單面光伏組件的大，其中，相較于采用有陰影遮擋的單面光伏組件，其增幅達3.1%左右，增益約為7.51 MWh;相較于采用無陰影遮擋的單面光伏組件，其增幅達2.1%左右，增益約為5.15 MWh。

3）對于單面光伏組件而言，在無陰影遮擋情況下，其安裝傾角為11°時，光伏電站首年發電量達到峰值，即11為該情況下的最佳安裝傾角；而在有陰影遮擋情況下，其安裝傾角為6時，首年發電量達到峰值，即6°為該情況下的最佳安裝傾角；兩種最佳安裝傾角相差5°。

4）無陰影遮擋單面光伏組件在最佳安裝傾角時的光伏電站首年發電量比有陰影遮擋時的值大，增幅為0.97%，增益約為2.36 MWh。

海南文昌市光伏電站有陰影遮擋的單面和雙面光伏組件的最佳安裝傾角與其正面接收太陽輻照量的關系如表3所示。

結合圖2和表3可知：相較于有陰影遮擋的單面光伏組件和雙面光伏組件在光伏電站首年發電量最大時對應的最佳安裝傾角，兩種光伏組件正面接收的太陽輻照量最大時對應的安裝傾角角度均有一定程度的提高；同時，當有陰影遮擋的單面光伏組件和雙面光伏組件均采用首年發電量最大時的安裝傾角時，后者正面接收的太陽輻照量比前者的提升了1 kWh/m2，這意味著雙面光伏組件的正面發電量也會有一定程度的提升。

2.3湖南祁陽市光伏電站模擬結果與分析

依據GB 50797—2012計算得到湖南祁陽市光伏電站內光伏陣列前后排間距取6.2 m。對不同光伏組件安裝傾角下不同陰影遮擋條件時光伏電站的首年發電量進行模擬，得到該光伏電站光伏組件最佳安裝傾角與首年發電量之間的關系，具體如圖3所示。

由圖3可知：

1）當雙面光伏組件的安裝傾角為8°時，光伏電站的首年發電量達到最大值，為186.49MWh;雖然有陰影遮擋的單面光伏組件在安裝傾角為8°時，光伏電站的首年發電量達到最大值，但相較于此種狀態下的單面光伏組件，采用雙面光伏組件時，光伏電站的首年發電量增幅為3.15%，增益達到5.7MWh。

2）無陰影遮擋的單面光伏組件的安裝傾角為13°時，光伏電站首年發電量達到最大值，為181.90 MWh;且采用此種光伏組件時，光伏電站首年發電量相較于采用有陰影遮擋的單面光伏組件增幅為0.61%，增益約為1.11 MWh。

湖南祁陽市光伏電站有陰影遮擋的單面和雙面光伏組件的安裝傾角與其正面接收太陽輻照量的關系如表4所示。

由圖3、表4可知：以光伏電站首年發電量最大為衡量標準時，有陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角與雙面光伏組件的最佳安裝傾角均為8°，但該安裝傾角小于以光伏組件正面接收的太陽輻照量最大為衡量標準時的角度；當以光伏組件正面接收的太陽輻照量最大為衡量標準時，這兩種光伏組件的最佳安裝傾角均為13°。

2.4小結

綜上可知，對于單面光伏組件而言，以首年發電量最大為衡量標準時，無陰影遮擋下的光伏組件最佳安裝傾角角度會大于有陰影遮擋下的值。由于雙面光伏組件可以利用背面發電，由此帶來的發電量增益使其首年發電量整體高于采用單面光伏組件時。以光伏電站首年發電量最大為衡量標準時，雙面光伏組件的最佳安裝傾角大于或等于有陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角，但小于無陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角。通過對單面和雙面光伏組件在首年發電量最大和正面接收的太陽輻照量最大時對應的安裝傾角進行對比發現：首年發電量最大時對應的安裝傾角所對應的正面接收的太陽輻照量并不一定是最大值。

在無陰影遮擋情況下，在一定范圍內增大光伏組件的安裝傾角可以相應提升其發電量；相對于雙面光伏組件，無陰影遮擋的單面光伏組通過適當提高其安裝傾角所獲得的發電量增益較小，且增大安裝傾角光伏陣列之間的間距也需要相應增加，這會增大用地量，從而增加項目總成本。因此，在實際項目中，采用雙面光伏組件是一個較為理想的選擇。

3結論

本文選取了3個太陽能資源等級地區，利用PVsyst對在這3個地區建設的光伏電站分別采用單面和雙面光伏組件時的最佳安裝傾角與光伏電站首年發電量及光伏組件正面接收的太陽輻照量之間的關系進行了仿真模擬。得到以下結論：

1）以光伏電站首年發電量最大為衡量標準時，雙面光伏組件的最佳安裝傾角大于或等于有陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角，但小于無陰影遮擋的單面光伏組件的最佳安裝傾角。

2）首年發電量最大時對應的安裝傾角所對應的正面接收的太陽輻照量并不一定是最大值；就單面光伏組件而言，無陰影遮擋條件下增加光伏組件安裝傾角帶來的發電量增益高于有陰影遮擋安裝條件時。

3）在無陰影遮擋情況下，在一定范圍內增大光伏組件的安裝傾角可以相應提升其發電量；相對于雙面光伏組件，無陰影遮擋的單面光伏組通過適當提高其安裝傾角所獲得的發電量增益較小，且增大安裝傾角，光伏陣列之間的間距也需要相應增加，這會增大用地量，從而增加項目總成本。因此，在實際項目中，采用雙面光伏組件是一個較為理想的選擇。

上述研究結果對于光伏發電項目的實際應用具有重要指導意義，可以為決策者在決定光伏組件安裝傾角時提供參考，以最大程度地提高光伏電站發電效率。

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COMPARISON OF OPTIMAL INSTALLATION ANGLES FORSINGLE-SIDED AND BIFACIAL PV MODULESBASED ON PVsyst

Liu Hongyu，Li Bobin

（Hunan Xiangan New Energy Technology Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

Abstract：With the continuous progress of PV power generation technology，the price difference betweensingle-sided PV modules and bifacial PV modules is constantly narrowing.Thanks to the large power generationgain，bifacial PV modules are increasingly favored in practical projects.When single-sided or bifacial PVmodules are used in PV power generation projects，the installation angle of the PV modules becomes animportant consideration factor.This paper selects three regions with different levels of solar energy resourcesand uses PVsyst to simulate the relationship between the optimal installation angle of single-sided and bifacialPV modules used in PV power stations constructed in these three regions，the first year power generation ofPV power stations，and the amount of solar radiation received from the front of PV modules.Thefollowingconclusion can be drawn：1）When using the maximum first year power generation of PV power stations asthe measurement standard，the optimal installation angle of bifacial PV modules is higher than or equal to theoptimal installation angle of single-sided PV modules with shading，but lower than the optimal installation angleof single-sided PV modules without shading.2）As for single-sided modules，increasing the installation angleof PV modules under unshaded conditions brings a higher power generation gain than under shaded installationconditions.3）In the absence of shading，increasing the installation angle of PV modules within a certain rangecan correspondingly increase their power generation.Compared to bifacial PV modules，single-sided PV moduleswithout shading can achieve smaller power generation gains by appropriately increasing their installation angle.Increasing the installation angle also requires a corresponding increase in the spacing between PV arrays，whichwill increase land use and thus increase the total project cost.Therefore，in practical projects，using bifacial PVmodules as much as possible is a more ideal choice.

Keywords：PV power stations;optimal installation angle;power generation capacity;single-sidedPVmodules;bifacial PV modules