含双面光伏组件光伏发电系统的设计研究

2019-06-11林洋新能源研究院吴诗芹

太阳能 2019年5期

林洋新能源研究院 ■ 吴诗芹

0 引言

近年为了解决能源环境问题，各国政府不遗余力的大力推动清洁无污染的光伏发电技术，使其在全球范围内得到了快速发展。然而，由于光伏发电的光电转换效率低，作为一种新能源利用方式，其发电成本要高于火电等常规发电技术，光伏发电平价上网还有一段路要走。为降低光伏发电系统的综合成本，转换效率更高、单位面积功率更大、性能优异、可靠性高的双面光伏组件逐步成为光伏行业关注的热点，并在光伏发电系统中得到实际应用。

然而，双面光伏组件在大规模光伏发电系统中实际应用的时间并不长，大多缺乏设计应用经验。林洋新能源研究院(下文简称“林洋”)在不同地区建设了多个实证电站，研究比较了双面光伏组件在不同场景、不同安装方式下的发电性能。本文针对双面光伏组件在光伏发电系统中的应用，通过一些实证结果阐述了此类光伏发电系统在设计时的原则，以期给使用双面光伏组件进行系统设计的工程技术人员提供一些参考。

1 双面光伏组件的类型及特点

目前，双面光伏组件有两条技术路线，即n型双面光伏组件和p型双面光伏组件。双面光伏组件按照使用的电池类型主要可以分为3类[1]，分别是：n-PERT双面光伏组件、n-HIT双面光伏组件和p-PERC双面光伏组件。各类型双面光伏组件的具体特点如表1所示。

与传统光伏组件只能利用正面入射的光照不同，双面光伏组件的背面也具备光电转换的能力。表征双面光伏组件的主要参数除了转换效率之外，还有一个重要的指标是双面率(Bifaciality)，即背面效率与正面效率的百分比。

n-PERT双面光伏组件具有少子寿命高、无光致衰减效应、弱光响应佳、温度系数低的特点；且其双面率可达到90%，远高于p-PERC双面光伏组件，背面发电量增益更高。在有限的安装面积中，n-PERT双面光伏组件能提供更高的电力输出。

n-HIT双面光伏组件结合了晶体硅光伏组件和硅基薄膜光伏组件的优点，此类组件具有结构对称、低温制造工艺、开路电压高、温度特性好、光照稳定性好、双面发电等特点[1-2]。

表1 双面光伏组件的类型及特点

p-PERC双面光伏组件生产线只需基于现有生产线进行少量技术改造，基本不增加额外成本，性价比较高。与组件正面超过20%的光电转换效率相比，其背面可吸收光线的区域有限，转换效率在10%～15%之间。

2 含双面光伏组件的光伏发电系统的设计

2.1 组件安装倾角的选择

组件的安装倾角是影响发电量的重要因素。采用固定式安装的光伏发电系统一般按光伏组件全年倾斜面上接收到的辐照量最大，即全年发电量最大来选择组件的安装倾角，该倾角即为最佳安装倾角[3]。

本文以林洋安徽安庆某实证电站为例进行对比分析。该项目采用285 W双面光伏组件，离地高度为1.0 m，分别采用10°、22°(最佳倾角)、45°倾角布置。组件在不同倾角下的发电量测试结果如表2所示。

试验表明：1)在组件安装高度为0.5 m的情况下，相对于最佳倾角22°，倾角为10°时，组件发电量减少了5.49%；倾角为45°时，组件发电量减少了2.03%。在组件安装高度为1.0 m的情况下，相对于最佳倾角22°，倾角为10°时，组件发电量减少了2.03%；倾角为45°时，组件发电量减少了3.19%。由此可知，双面光伏组件在最佳倾角时的发电量最大。2)当倾角均为10°时，相对于最佳倾角22°，安装高度为0.5 m的组件发电量较安装高度为1.0 m的组件发电量减少的多。由此可说明，当安装高度增加时，由于双面光伏组件背面接收反射辐射的原因，部分补偿了由倾角带来的发电量损失。3)当倾角均为45°时，相对于最佳倾角22°，安装高度为0.5 m的组件发电量较安装高度为1.0 m的组件发电量减少的少。由此可知，倾角增大使双面光伏组件背面接收反射辐射的效果变差。

表2 不同倾角条件下的组件发电量比较

2.2 组件安装高度的选择

双面光伏组件如果离地面太低，背面将不能接收反射辐射；而随着组件安装高度升高，其背面接收的反射辐射也会随之变化。组件最低点离地越高，组件与地面之间的空间越大，其背面可接收周围反射辐射的面积越大，背面的发电量也越多。由表2可以得出，在最佳倾角22°时，组件的安装高度由0.5 m增至1.0 m时，其发电量约增加2.6%。

下文以林洋山东某实证电站的测试结果为例进行分析。两组光伏组件的装机容量均为50.04 kW，均采用正面功率为290 W的双面光伏组件，且倾角均为当地最佳倾角28°，安装高度分别为1.0 m和2.0 m。不同安装高度下的组件发电量测试结果如表3所示。

表3 不同安装高度下的组件发电量比较

测试结果显示，当组件安装高度为2.0 m时，比安装高度为1.0 m的组件发电量增加2.82%，该值比表2中最佳倾角为22°时，组件安装高度由0.5 m增至1.0 m时发电量增加的比例更大。这说明组件的安装高度越高，增加的发电量越多。但随着组件安装高度的增加，所需支架材料也会增多，组件承受的风荷载也将增大，安装和维护更加不方便。所以，经过技术经济性比较，认为组件的安装高度不宜超过2.0 m。

2.3 光伏组件-逆变器容配比的选择

光伏组件的峰值功率是指在标准测试条件(STC)下组件的额定最大输出功率。在实际工况下，大部分时间段光伏组件的输出功率都低于该组件标定的峰值。逆变器的额定功率一般是指逆变器交流侧输出的额定功率。光伏组件-逆变器容配比(下文简称“容配比”)即指光伏组件功率和逆变器功率之比。

光伏组件与逆变器功率匹配的一般原则是根据当地的太阳辐射、气温等外部条件，在不造成发电量损失的前提下，尽可能充分利用逆变器的容量[4]。

在西藏、青海等高海拔无电地区，电子元器件受高海拔条件的影响大，逆变器必须降容使用，因此，这些地区的容配比小于1。在海拔不超过1000 m的地区，不需要考虑逆变器降容的问题，常规的设计思路为容配比等于1。而在太阳能资源较差的东部地区，辐照度基本达不到STC要求的1000 W/m2，且受温度等因素影响，光伏组件大部分时间的输出功率达不到标称功率，逆变器基本为非满负荷运行，大部分时间处于容量浪费状态。因此，越来越多的专家提出可通过容配比大于1来提高此类地区的项目收益[5]。

由于双面光伏组件的背面也具备光电转换的能力，根据研究结果，在不同反射背景条件下，双面光伏组件比传统单面光伏组件的发电量可增加10%～30%。而且背景颜色越浅，背景反射率越高，双面光伏组件的发电量提升越多[2，6-8]。

因此，对于采用双面光伏组件的光伏发电系统，容配比要综合考虑组件的安装地理位置、场地背景反射条件等多种因素。总的来说，双面光伏组件的容配比必须考虑组件背面增发电量的影响。相较于应用传统光伏组件的设计，应用双面光伏组件的设计的容配比应降低。

2.4 组件的支架设计

光伏支架主要分为固定式支架、倾角手动可调式支架和跟踪式支架(平单轴/斜单轴/双轴)等[4，9]。1)固定式支架由于具有成本相对较低、后期维护量小等优点，应用比较广泛。2)倾角手动可调式支架的成本稍高，运维工作量较固定式支架大，但是通过在不同的季节调整组件倾角可以增加系统的发电量。3)跟踪式支架能够很好地控制组件的朝向或倾角，甚至可同时调节两者，能够进一步增加发电量。但跟踪式支架的成本较高，后期维护工作量较大。

根据有关文献报道，与相同容量配置的固定式光伏发电系统相比，采用平单轴跟踪式支架的光伏发电系统的年发电量可提高约15%，采用斜单轴跟踪式支架的光伏发电系统的年发电量可提高约20%，采用双轴跟踪式支架的光伏发电系统的年发电量可提高37%～50%[9-10]。另外，文献[11]提出了一种适用于山地、滩涂、渔塘等地的柔性支架，其采用在两固定点之间张拉预应力钢绞线的方式，将光伏组件固定在张紧于两柱间的钢绞线上；两固定点采用钢性基础提供反力，可实现10～30 m大间距，以满足不同地形的需要。

传统的光伏支架系统设计主要考虑支架自重，以及在风荷载、雪荷载、施工检修荷载、地震作用等不同荷载组合影响下，支架满足强度、刚度和整体稳定性要求，并符合抗震、抗风、防腐等条件，满足30年的使用寿命要求，便于安装和维修且造价合理[9-12]。

由于双面光伏组件的正面和背面均具有光电转换能力，为了尽可能地利用太阳光，必须考虑避免支架檩条对组件背面遮挡的影响。因此，双面光伏组件的支架檩条必须位于组件边缘。同时，还应尽可能避免其他电气设备(如组串式逆变器)等对组件背面造成遮挡。

3 问题与建议

由于双面光伏组件正反两面都可以接收太阳光从而发电，因此其应用场景更加广泛，比如其可以用作围墙、隔音墙等垂直安装。垂直安装的双面光伏组件不仅可减少占地面积、节省安装空间、降低安装成本，而且组件表面不易积尘、不积雨雪、自洁能力强[13-14]。但是垂直安装的双面光伏组件与采用最佳倾角安装的双面光伏组件相比，在不同方位、不同场景条件下发电量降低的比例是多少，目前还缺乏系统的研究。

若双面光伏组件应用于跟踪系统时其增加的发电量比例是多少？双面光伏组件一般不带边框，其应用于跟踪系统时是否会造成组件隐裂？诸如此类问题还有待于进一步研究。