不同安装方式时双面光伏组件发电系统的理论建模分析

苏州中康电力开发有限公司 ■ 陈建国 张国民

0 引言

近年来，我国光伏产业迅速发展，应用规模逐渐扩大，装机容量自2015年起已稳居世界第一，在我国能源转型中发挥着越来越重要的作用。截至2018年，光伏累计装机容量已达到了1.74亿kW。但光伏规模化发展的背后也存在一些问题，如光伏电站建设成本高、市场竞争力不强、补贴需求不断扩大等。因此，早在2015年，国家能源局联合相关部门就提出了实施光伏发电“领跑者”计划和建设“领跑者”基地，并在每年实行光伏专项扶持计划。“领跑者”计划主要是通过建设先进技术光伏发电示范基地、新技术应用示范工程等方式，通过市场支持和试验示范，以点带面，加快促进光伏发电技术进步和产业升级，推进光伏发电成本下降、电价降低、补贴减少，最终实现平价上网[1]。

传统的光伏组件是单面发电，称为常规光伏组件；而随着技术的进步，双面光伏组件的发展前景被行业广泛看好。双面光伏组件的正面和背面都能发电，当太阳光照射双面光伏组件时，会有部分光线被周围的环境反射到组件背面，被组件背面吸收，从而对电池的光电流和效率产生一定的贡献[2]。

相关文献对常规光伏组件在不同安装方式时的辐射量进行了研究分析[3-4]，但却缺乏对于双面光伏组件正面和背面辐射量情况的研究。为了推动双面光伏组件的市场应用，国外一些知名研究机构，如瑞士的PVsyst光伏软件实验室、美国桑迪亚实验室、法国电力集团EDF、康斯坦茨国际太阳能研究中心、荷兰能源研究中心ECN，都研发了针对双面光伏组件背面辐射量计算和发电量预测的数学模型。其中，瑞士的PVsyst光伏软件实验室研发的PVsyst仿真软件在光伏领域较为领先，其双面光伏发电仿真模型在行业内的应用较为广泛[5-7]。

本文以青海格尔木市的太阳能资源为基础，使用PVsyst仿真软件进行建模，对“固定倾角+常规光伏组件”“固定倾角+双面光伏组件”“平单轴跟踪+常规光伏组件”“平单轴跟踪+双面光伏组件”4种类型的光伏发电系统进行了组件辐射接收量、不同场景反射率的辐射增益、发电量及度电成本的分析，并对固定倾角和平单轴跟踪安装方式下采用双面光伏组件的发电增益比例进行了比较，同时分析了可能存在的限光损失。

1 光伏组件的安装方式

随着“领跑者”基地示范项目的大规模建设，度电成本成为各投资商关注的焦点，目前光伏组件的安装方式主要有固定倾角式、季节可调式和自动跟踪式3种。其中，固定倾角式在地面光伏电站和工商业屋顶的应用最为普遍；季节可调式的运行维护成本相对较高，市场占有率较小；自动跟踪式虽然成本相对较高，但随着技术的不断突破，其可靠性得到大幅提高，成本逐渐下降，光伏发电系统效率逐渐提升，使此种方式在部分地区已得到大面积推广。

“领跑者”基地示范项目对技术先进性和系统效率的要求较高。采用自动跟踪式的光伏组件可有效提高发电量，降低度电成本，增加光伏电站收益；随着电池效率的不断提高，若将自动跟踪式与双面光伏组件相结合，必会在“领跑者”基地示范项目中得到重视和应用。

2 采用平单轴跟踪时的光伏单元间距计算模型

自动跟踪式主要分为平单轴跟踪、斜单轴跟踪和双轴跟踪。平单轴跟踪是通过调节光伏组件的角度，使组件时刻与太阳入射角保持垂直，从而实现组件发电量最大。假设平单轴跟踪的跟踪范围为常规的 -45°～45°，按照 GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》，以冬至日太阳时09:00～15:00光伏组件无阴影遮挡为最小间距。经查询，格尔木冬至日太阳时09:00的太阳光线方位角β为-42.6042°、高度角α为16.603°，若此时想让光伏组件与太阳入射角垂直，光伏组件的倾角需要达到73.4°，但该角度已超过了平单轴跟踪的跟踪范围。因此，冬至日09:00时，格尔木的最大跟踪角度停留在45°，也就是说，此时光伏组件的最大倾角为45°。

以采用南北轴向平单轴跟踪的光伏支架为例，计算支架单元的东西间距。图1为光伏方阵内的任意4个支架单元(俯视图)，若光伏支架上的组件采用纵向双排安装，常规光伏组件的长度一般为1.64 m、纵向安装的组件的间距为0.04 m，那么光伏支架单元的宽度为3.32 m。据此条件，相邻2个支架单元的东西间距可根据图1中的模型进行计算。

图1 平单轴跟踪光伏支架的间距计算模型(轴向南北向，太阳光线的方位角为β）

根据上述数据，冬至日09:00时光伏组件的最大倾角为45°，此时每个支架单元的单块光伏组件最高点与最低点的垂直距离H=3.32cos45°= 2.34 m；太阳入射光线在水平面的投影距离L=H/tanα=7.873 m；L的东西向分量=7.873 cos(90°-β)=5.32 m；相邻支架单元的东西间距=5.32+3.32cos45°=7.677 m。因此，实际建设时可采取8 m间距。

通过PVsyst仿真软件对上述间距的平单轴跟踪光伏支架模型进行光伏方阵阴影验证，如图2所示。当间距为8 m时，冬至日09:00～15:00时不存在阴影遮挡，因此，该间距是合理的。如果实际土地面积有限，可适当减小间距，并采用逆跟踪技术，可减少阴影损失。

图2 PVsyst模型阴影分析

3 案例分析

3.1 参数配置

将固定倾角式、平单轴跟踪2种安装方式与常规光伏组件、双面光伏组件进行搭配，组成4种不同的光伏发电系统配置，并通过PVsyst仿真软件进行了仿真对比。

根据软件计算的最佳倾角，固定倾角以37°安装；平单轴跟踪支架的跟踪范围设置为-45°～45°。为了便于分析，在仿真时将4种光伏发电系统的容量均设置为528 kW，均采用500 kW的集中式逆变器；96个组串，组件数量为1920块，每20块组件为1个组串；1个固定式光伏支架上双排安装2个组串，1个平单轴跟踪支架安装1个组串。

采用“固定倾角+常规光伏组件”时，相邻光伏支架的南北间距取冬至日09:00～15:00无阴影遮挡的最小间距7.6 m。采用“固定倾角+双面光伏组件”时，组件尺寸比常规组件略大，相邻光伏支架的南北间距取7.63 m。采用平单轴跟踪支架时，东西向间距取8 m，并采用逆跟踪技术。具体参数如表1所示。

为了便于进行比较和分析，对于固定倾角和平单轴跟踪安装方式下采用双面光伏组件的光伏发电系统，在PVsyst仿真软件中，将地面的场景反射率分别设置为30%、40%、50%和60%这 4种情况，对应表2中的情况1～情况4；其余参数均设置为常量，比如双面发电系数为0.85、组件最低点的离地高度为1.5 m、组件背面的遮挡率为5%(主要为草木、直流线缆、拉杆连接件等遮挡)、背面不均匀光线带来的电流失配损失率假设为软件默认值的10%，组件透光率为零。双面光伏组件的透光率是指电池片空隙的透光率，其与玻璃和EVA封装胶膜材料的透光率有关，目前这个数据很难得到准确值，因此在不影响横向比较的情况下，都假设为零。

表1 项目配置信息

表2 固定倾角或平单轴跟踪安装下采用双面光伏组件的光伏发电系统的参数设置

3.2 格尔木市太阳辐射资源分析

青海省格尔木市的地理坐标为36.42°N、94.9°E，海拔2809 m，年太阳辐射量为6969.96 MJ/m2，年日照时数达3059 h，全年水平面的直接辐射量达1319.8 kWh/m2，直接辐射比为0.68，具体参数如表3所示。根据QX/T 89-2008《太阳能资源评估方法》，按照太阳能资源丰富程度等级划分，该市属于资源最丰富带。

3.3 平单轴跟踪与固定倾角安装时光伏组件正面接收的辐射量对比

光伏组件正面接收的辐射量与组件的安装方式有很大关系。PVsyst仿真软件的结果表明，格尔木市采用平单轴跟踪安装时光伏组件正面接收的全年辐射量达2569.07 kWh/m2，比固定倾角安装时的全年辐射量2288 kWh/m2提升了12.26%。

表3 格尔木市的气象资源数据分析

图3为2种安装方式下光伏组件正面各月接收的辐射量对比。1～2月与10～12月属于冬季，平单轴跟踪安装时光伏组件正面接收的辐射量小于固定倾角安装时的辐射量；但在其他月份却正好相反，尤其是在夏初的5月和6月，平单轴跟踪安装时光伏组件正面接收的辐射量增益超过40%。

3.4 平单轴跟踪和固定倾角安装时双面光伏组件背面接收的辐射量对比

双面光伏组件背面接收的辐射主要是来自太阳直接辐射到达地面后的反射辐射，以及大气中的散射辐射和直接辐射等，并受到光伏方阵前后距离、组件最低点离地高度、场景反射率等影响。由于入射到地面的直接辐射的占比较大，因此当光伏支架固定后，在不同的地面场景反射率时，组件背面接收的辐射量不同。

图4为采用固定倾角与平单轴跟踪安装时，场景反射率分别为30%、40%、50%、60%时组件背面接收的辐射量情况，此辐射量已考虑了组件背面的遮挡影响。

图3 平单轴跟踪与固定倾角安装时光伏组件正面接收的辐射量对比

图4 2种安装方式下，不同场景反射率时组件背面辐射增益对比

在固定倾角安装方式下，当场景反射率为30%时，组件背面接收的辐射量为236.37 kWh/m2；当场景反射率提高到40%时，组件背面接收的辐射量增加了28.24%，达到303.14 kWh/m2；当场景反射率继续增加到50%时，组件背面接收的辐射量在场景反射率为40%时的基础上增加了22%，达到369.91 kWh/m2；当场景反射率增至60%时，组件背面接收的辐射量比50%时又增加了约18%。由此可见，场景反射率对于双面光伏组件的辐射量增益是非常明显的。

在平单轴跟踪方式下，当场景反射率为30%时，组件背面接收的辐射量为163.17 kWh/m2；当场景反射率提高到40%时，组件背面接收的辐射增加了28.22%，达到209.29 kWh/m2；当场景反射率继续增加到50%时，组件背面接收的辐射量比场景反射率为40%时增加了22%，达到255.42 kWh/m2；当场景反射率增加至60%后，增益约为18%。

图5为采用固定倾角与平单轴跟踪两种安装方式时地面接收的辐射量情况。对于固定倾角式，全年到达地面的辐射量为993 kWh/m2；而平单轴跟踪式为929.14 kWh/m2，比固定倾角式下降约6.9%。夏季，采用固定倾角式时地面接收辐射量的优势较为明显，而冬季采用平单轴跟踪方式的优势较为明显。主要原因可能是因为夏季太阳高度角较高，为了保证与太阳光线垂直，组件的跟踪倾角相对较小，如此会造成相邻平单轴跟踪支架之间的距离减小，来自于大气中的太阳辐射无法有效到达地面，致使到达地面的辐射量下降；而到了冬季，太阳高度角较低，采用平单轴跟踪方式的组件倾角较大，如此地面接收辐射量的可能性就大幅增加。因此综合来说，采用平单轴跟踪方式时地面接收的辐射量较低，会影响组件背面的有效辐射接收，从而间接影响了双面光伏组件的发电增益。

图5 2种安装方式时地面接收的辐射量对比

3.5 常规光伏组件采用平单轴跟踪和固定倾角2种安装方式时的发电情况对比

在分析不同安装方式下双面光伏组件的发电增益之前，需要先进行常规光伏组件的发电增益模拟。根据PVsyst仿真软件的模拟结果，常规光伏组件采用固定倾角安装时全年发电量约为979 MWh，而使用平单轴跟踪安装方式时全年发电量约为1118 MWh，比固定倾角安装时提升了14%；而二者的系统效率PR基本上差异很小，分别为81%和82%，具体数据如表4所示。这说明采用平单轴跟踪方式后，全年发电量会增加，但是系统效率PR不一定会提升。

表4 平单轴跟踪和固定倾角安装时常规光伏组件的发电情况对比

3.6 双面光伏组件采用平单轴跟踪和固定倾角2种安装方式时的发电情况对比

双面光伏组件背面辐射量的增加与具体的场景、安装方式密切相关，通过上文的分析可知，双面光伏组件在固定倾角和平单轴跟踪安装方式下，其背面辐射量增益存在一定差异。总体而言，采用平单轴跟踪方式时，60%的场景反射率与30%的场景反射率的辐射量差异比约为45%。若采用常规光伏组件，平单轴跟踪方式比固定倾角时的发电量可提升14%；但采用双面光伏组件后，由于平单轴跟踪安装时组件背面辐射量增益低于固定倾角时，其正面、背面总的提升比例下降为9%～11%左右。因此，“平单轴跟踪+双面光伏组件”与“固定倾角+双面光伏组件”相比，前者的主要优势是来自于组件正面的发电量。图6为不同安装方式下，场景反射率不同时双面光伏组件全年的发电量情况。

图6 固定倾角与平单轴跟踪安装方式下双面光伏组件全年的发电量情况

3.7 采用平单轴跟踪方式时双面光伏组件和常规光伏组件的发电量对比

当场景反射率为30%时，“平单轴跟踪+双面光伏组件”的全年发电量为1174 MWh，相对于“平单轴跟踪+常规光伏组件”的发电量提升了5%。其中1～8月的月均提升比例约为5.7%，而冬季的提升幅度不太明显。具体如图7所示。

图7 场景反射率为30%、采用平单轴跟踪方式时，双面光伏组件和常规光伏组件的发电量对比

综上所述，采用固定倾角式时到达地面的辐射量比采用平单轴跟踪方式时有一定的提升。“固定倾角+双面光伏组件”与“固定倾角＋常规光伏组件”的发电量提升比例(定义为“A”)，随着场景反射率的增加而增加，当场景反射率为30%时，提升比例为8%；场景反射率为60%时，提升比例为15%。而“平单轴跟踪+双面光伏组件”与“平单轴跟踪+常规光伏组件”的发电量提升比例(定义为“B”)相对较低，当场景反射率30%，提升比例仅为5%；场景反射率为60%时，提升比例为9%。具体如图8所示。

图8 不同场景反射率下，不同安装方式时2种光伏组件的发电量提升比例

3.8 逆变器直流侧限光损失

逆变器的运行工况和其工作温度息息相关，表5为SG-500集中式逆变器在不同温度范围时的运行情况。当环境温度低于50 ℃，逆变器可长期运行于1.1倍过载工况；当环境温度达到55℃，逆变器可保证额定功率输出；当环境温度高于65 ℃，逆变器进入保护模式。

表5 不同温度范围下的逆变器运行工况说明

由于采用双面光伏组件比常规光伏组件有较大的发电量提升，因此在设计时需要选择适合双面光伏组件的逆变器。如果直流侧的光伏出力超过了逆变器允许的最大输入功率，就会产生限光损失。

在PVsyst仿真软件的设置界面可输入上述逆变器的运行条件，经过仿真后可得到不同场景反射率下采用固定倾角及平单轴跟踪时双面光伏组件发电系统的限光损失，如表6和表7所示。对于固定倾角，当场景反射率为30%时，光伏发电系统全年的限光损失为597.9 kWh，仅占全年发电量的0.06%；当场景反射率增加至60%时，限光损失为0.29%。从仿真数据可知，限光损失仅发生在个别月份。

表6 不同场景反射率下，采用固定倾角时双面光伏组件发电系统的限光损失

表7 不同场景反射率下，采用平单轴跟踪时双面光伏组件发电系统的限光损失

从表7的数据可以看出，由于平单轴跟踪方式时组件背面接收的辐射量增益比固定倾角时小，因此，光伏发电系统限光损失的占比特别小。

3.9 光伏发电系统性能对比

对上述4种类型的光伏发电系统进行总结：常规光伏组件采用固定倾角安装时倾角为37°，采用平单轴跟踪时的跟踪安装方式范围为-45°～45°；双面光伏组件采用固定倾角或平单轴跟踪安装方式时的场景反射率为30%～60%。不同安装方式下光伏发电系统的发电量和系统效率如表8所示。

表8 4种类型的光伏发电系统的发电量和系统效率对比

由表8可知，在固定倾角或平单轴跟踪方式下，采用双面光伏组件比常规光伏组件平均提升发电量10%以上。其中，“平单轴跟踪+双面光伏组件”的光伏发电系统比“固定倾角+常规光伏组件”的光伏发电系统发电量提升了约23%。该数据是基于格尔木市的太阳能资源进行的软件仿真结果，可能与实际的发电数据有些偏差，产生偏差的原因主要是现场辐射数据和历史统计辐射数据的差异，以及软件对于双面光伏组件发电仿真模型有局限等原因。

4 度电成本(LCOE)分析

国内外学者针对尽早实现光伏平价上网的目标，对多个光伏电站的LCOE开展了研究[8-11]，其中，文献[11]给出了常规光伏电站中LCOE的计算方法。本文对于不同安装方式下的光伏发电系统的LCOE按式(1)进行计算：

式中，n为光伏电站寿命期25年内的某一年；I0为项目的初始投资；VR为固定资产的残值；An为第n年的运营成本；Dn为第n年的折旧；Pn为第n年的利息；Yn为第n年的发电量；i为折现率，银行贷款利率取6.5%，贷款比例取50%，贷款年限为5年。

双面光伏组件的成本一般比常规光伏组件高0.1～0.15元/Wp，平单轴跟踪支架的成本比固定倾角支架高0.4～0.6元/Wp。

光伏发电系统的投资费用和LCOE的计算结果如表9所示。“固定倾角+双面光伏组件”与“平单轴跟踪+双面光伏组件”，场景反射率为60%时，二者的LCOE均比“固定倾角+常规光伏组件”有所降低，即“固定倾角+双面光伏组件”可降低16.7%，“平单轴跟踪+双面光伏组件”可降低14%。

表9 投资费用和LCOE计算值

5 结论

本文对格尔木市的太阳能资源进行了初步分析，在此基础上使用PVsyst仿真软件对光伏场址区域的辐射量进行了模拟计算，对比分析了固定倾角、平单轴跟踪2种安装方式对光伏组件实际接收的辐射量和发电量的影响，并重点对常规光伏组件、双面光伏组件采用固定倾角和平单轴跟踪安装方式时的发电增益进行了比较。仿真结果表明，固定倾角或平单轴跟踪方式下采用双面光伏组件的光伏发电系统，比采用常规光伏组件的系统平均提升发电量10%以上，其中，“平单轴跟踪+双面光伏组件”比“固定倾角+常规光伏组件”发电量约提升了23%；且当场景反射率为60%时，其度电成本可降低14%，在降本增效方面具有较大的技术价值。