双面光伏组件与光伏跟踪系统相结合的应用研究

沈有国，王士涛，李彩霞，俞正明

(1. 青海黄河新能源工程建设分公司，西宁 810003；2. 哈尔滨工业大学控制科学与工程系，哈尔滨 150001；3. 江苏中信博新能源科技股份有限公司，昆山 215331)

0 引言

双面光伏组件是一种能降低光伏发电系统成本、提升光伏发电系统发电效率的高效产品，已经越来越广泛地被应用于全球大型光伏发电项目中。光伏跟踪器是一种采用智能化控制技术的设备，能驱动光伏组件一直朝向太阳方向，以获得最佳的发电角度，从而极大地提升光伏发电系统的发电量。全球大型光伏发电项目中，光伏跟踪器的使用比重也在逐年增加。

多数情况下，对于双面光伏组件的发电性能的研究通常针对的是固定式安装，而对双面光伏组件与光伏跟踪系统相结合的应用研究、对动态运转的光伏跟踪系统上双面光伏组件背面特性的研究较为缺乏，而当前双面光伏组件和光伏跟踪系统的结合已逐渐成为大型光伏电站的标配组合，因此对双面光伏组件与光伏跟踪系统相结合的应用研究是极其有意义的[1]。本文在哈尔滨工业大学威海实证基地(下文简称“哈工大实证基地”)和常州实证基地，针对双面光伏组件和光伏跟踪系统进行了多种类的实证测试，分析了在不同安装形式、不同安装位置、不同地面类型等条件下双面光伏组件的发电特性。

1 应用跟踪技术的双面光伏组件

与传统的采用固定式安装技术的光伏电站相比，通常采用平单轴跟踪技术可为光伏电站带来15%～20%的发电量提升，在一些太阳能资源丰富的低纬度地区，采用平单轴跟踪技术的光伏电站发电量甚至能比采用固定式安装技术的光伏电站的发电量多22%。因此，从光伏发电项目整体来看，虽然跟踪技术会增加项目的初期投入成本，但也将缩短项目的资金回收期，带来更高的投资回报率[2]。若将平单轴跟踪技术与双面光伏组件相结合，考虑到环境因素的影响，通常可在此前15%～20%的发电量提升的基础上，进一步给光伏电站带来约5%～10%的发电量提升。

2 哈工大实证基地的实证研究

在位于山东威海的哈工大实证基地对双面光伏组件与光伏跟踪系统相结合的应用进行了发电数据的研究，包括双面光伏组件发电量相对于单面光伏组件发电量的提升比例研究，以及双面光伏组件在不同高度、不同地面类型时的发电数据研究，同时也重点对人工智能光伏跟踪系统的控制器进行了功能验证。实证基地的实验研究测试环境如图1 所示。

图1 实证基地的实验研究测试环境Fig. 1 Experimental research test environment of demonstration base

本文测试严格控制发电端的组件和设备性能的一致性，将对比测试条件进行较大的差异化设计。例如地面铺白膜以提高背景反射率、设计高达15%(指垂直高度差比水平距离)的大坡度使发电量差异更明显，从而可以获得存在显著差异的采用人工智能和非人工智能光伏跟踪系统的光伏组件的发电量数据[3]。

2.1 采用人工智能和非人工智能光伏跟踪系统的光伏组件发电量对比

通常光伏跟踪系统是跟随太阳运行轨迹进行运转，而由于早、晚的太阳高度角低，会对光伏阵列中东、西向光伏组件产生阴影遮挡。对此加入传统的逆跟踪算法，使光伏跟踪系统朝太阳运行轨迹相反的方向运行，以减小阴影遮挡，从而降低发电量损失，如图2 所示。

图2 传统的逆跟踪算法Fig. 2 Common tracking algorithm

平坦地形情况下，光伏跟踪系统可以通过逆跟踪算法规避阴影。而对于复杂的起伏地形，传统的逆跟踪算法既不能充分利用太阳辐照资源，又会使光伏阵列内部形成阴影，从而导致每天的早、晚都会存在部分发电量损失；且地形坡度越大，遮挡越严重，发电量损失越多。因此，对传统的逆跟踪算法进行优化是非常必要的。

人工智能跟踪算法采用人工智能全地形跟踪策略，基于整个光伏电站发电量最大的原则，对传统的逆跟踪算法进行优化，通过对全地形所布局的光伏跟踪器进行建模，使光伏阵列内的光伏跟踪器运行至不同角度，且在相应角度时既能减小阴影遮挡的影响，同时又能充分利用太阳辐照资源，达到提升采用传统的逆跟踪算法时光伏组件发电量的目的。

人工智能跟踪算法是通过分析地形起伏及跟踪系统排布对传统的逆跟踪算法进行优化，规避光伏阵列间的阴影，以最大化利用太阳辐照资源，如图3 所示。

分别将单面和双面光伏组件采用人工智能光伏跟踪系统时比其采用非人工智能光伏跟踪系统时的发电量提升情况进行统计，结果如图4 所示。由于5 月26 日为阴天下雨天气，系统未发电，所以图中无数据。

图4 2019 年5 月，2 种光伏组件采用人工智能光伏跟踪系统比采用非人工智能光伏跟踪系统的发电量提升情况对比Fig. 4 Comparison of power generation enhancement of two PV modules adopting artificial intelligence and non-artificial intelligence PV tracking system in May，2019

2019 年5 月的天气大多晴好，从图4 的数据可以看出，采用人工智能光伏跟踪系统时与采用非人工智能光伏跟踪系统时相比：1)双面光伏组件的发电量提升范围为0～5.5%，5 月全月发电量平均提升4.1%；2)单面光伏组件的发电量提升范围为0～5.0%，5 月全月的发电量平均提升3.4%。

选取5 月20 日作为典型晴天数据，绘制双面光伏组件和单面光伏组件分别采用2 种光伏跟踪系统时的发电功率曲线，如图5 所示。

图5 晴天时，双面光伏组件与单面光伏组件分别采用2 种光伏跟踪系统时的发电功率对比Fig. 5 Comparison of generated power of bifacial PV modules and single-sided PV modules with two PV tracking system respectively on sunny days

从图5 可以看出，对于15%的坡度起伏地形，在晴天的早、晚部分时间段，非人工智能光伏跟踪系统由于阴影遮挡，导致组件发电功率损失较明显；而人工智能光伏跟踪系统由于调整了每排组件的角度，规避了更多阴影遮挡。人工智能光伏跟踪系统使光伏组件保持了较优的发电状态，早、晚的组件发电功率曲线与非人工智能光伏跟踪系统相比也出现了明显的差异[4]。

2.2 不同背景反射率下双面光伏组件和单面光伏组件的发电量对比

在地面覆白膜的情况下，背景反射率通常为50%～60%，对比采用光伏跟踪系统的双面光伏组件、单面光伏组件的发电量，结果如图6 所示。

从图6 中可以看出，相对于单面光伏组件，多数时间下，双面光伏组件的发电量提升比例达到12%～18%，双面光伏组件的月均发电量提升比例为14%。

图6 地面覆白膜时，双面光伏组件和单面光伏组件的发电量对比Fig. 6 Power generation comparison of bifacial PV modules and single-sided PV modules on the white ground

在地面为土地的情况下，背景反射率大约为25%～30%，对比采用光伏跟踪系统的双面光伏组件、单面光伏组件的发电量，结果如图7 所示。

图7 地面为土地时，双面光伏组件和单面光伏组件的发电量对比Fig. 7 Power generation comparison of bifacial PV modules and single-sided PV modules on the land

从图7 中可以看出，相对于单面光伏组件，大多数时间下，双面光伏组件的发电量提升比例为8%～12%，双面光伏组件的月均发电量提升比例为9.8%。

本实证基地测试场地的地面覆盖率GCR=47.6%，略微偏高，而实际采用光伏跟踪系统的光伏电站的GCR约为33%～45%。因此，实际光伏电站的发电量提升值也会比图4 所显示的再高一些，推断双面光伏组件的背面辐射增益情况如图8 所示。

从图8 可以看出，大型地面光伏电站的地面通常是土地、草地、沙漠、戈壁、雪地，且地面颜色越浅，背景反射率越高，则光伏组件的背面发电量也越高；光伏组件背面的发电量增益和背景反射率通常成线性比例关系。

图8 双面光伏组件的背面辐射增益Fig. 8 Irradiation gain on the back of bifacial PV module

2.3 不同安装高度下双面光伏组件背面接收的辐射量对比

5 月时，在地面覆白膜的情况下，不同安装高度下双面光伏组件背面接收的辐射量对比情况如图9 所示。

图9 地面覆白膜时，不同安装高度下双面光伏组件背面接收的辐射量对比Fig. 9 Comparison of radiation received by back of bifacial PV module at different installation heights on the white ground

从图9 的测试数据可以看出，5 月期间，在地面覆白膜的情况下，安装高度为2.15 m 的双面光伏组件背面接收的辐射量比安装高度为1.5 m 的双面光伏组件背面接收的辐射量平均高出7.4%。

7 月时，地面恢复为常规土地，不同安装高度时的双面光伏组件背面接收的辐射量对比情况如图10 所示。

图10 地面为土地时，不同安装高度下双面光伏组件背面接收的辐射量对比Fig. 10 Comparison of radiation received by back of bifacial PV module at different installation heights on land

从图10 的测试数据可以看出，7 月时，地面为常规土地的情况下，安装高度为2.15 m 的双面光伏组件背面接收的辐射量比安装高度为1.5 m 的双面光伏组件背面接收的辐射量平均高出2.3%。

综上所述，在相同的辐照度下，双面光伏组件背面的反射背景颜色越浅，背景反射率越高，组件背面的发电效率越高；双面光伏组件的安装高度越高，即其最低点离地越高，组件背面的发电效率越高。合理的安装方式可以使双面光伏组件发挥最大的发电优势，提高单位面积的发电量。

3 常州实证基地的实证研究

在江苏常州的常州实证基地，对双面光伏组件或单面光伏组件分别与固定式、每2 块组件垂直放在平单轴支架上的形式（下文简称“平单2P”)、每1 块组件垂直放在平单轴支架上的形式（下文简称“平单1P”)的不同组合形式的发电数据进行了对比研究，并对2 种光伏组件的安装形式、双面光伏组件的安装位置进行了数据分析。

“双面光伏组件+平单2P”和“单面光伏组件+平单2P”的形式如图11 所示，“双面光伏组件+平单1P”的形式如图12 所示，“双面光伏组件+固定式”和“单面光伏组件+固定式”的形式如图13 所示。

图11 “双面光伏组件+平单2P”和“单面光伏组件+平单2P”的形式Fig.11 Form of “bifacial PV module+ horizontal single axis tracker with 2P”and“single-sided PV module + horizontal single axis tracker with 2P”

图12 “双面光伏组件+平单1P”的形式Fig. 12 Form of “bifacial PV module + horizontal single axis tracker with 1P”

图13 “双面光伏组件+固定式”和“单面光伏组件+固定式”的形式Fig. 13 Form of“bifacial PV module + fixed mounted”and“single-sided PV module + fixed mounted”

以下测试对比数据来源于2020 年5～6 月近1 个月时间的测试。常州实证基地采用的组件厂家与哈工大实证基地的不同，且两地的太阳辐射资源也不同，因此相同类型测试得到的测试数据对比结果会存在一定差异。

3.1 不同安装形式的双面光伏组件和单面光伏组件的发电量对比

采用不同安装形式时的双面光伏组件和单面光伏组件的发电量情况如图14 所示。

图14 在不同安装形式下，双面光伏组件和单面光伏组件的发电量情况Fig. 14 Power generation of bifacial PV modules and singlesided PV modules under different installation forms

从图14 可以看出：

1)都采用平单2P 形式时，双面光伏组件的发电量比单面光伏组件的发电量提升了5.6%；都采用固定式时，双面光伏组件的发电量比单面光伏组件的发电量多1.3%。

2)“双面光伏组件+平单2P”形式的发电量比“双面光伏组件+固定式”形式的发电量多17%，“单面光伏组件+平单2P”形式的发电量比“单面光伏组件+固定式”形式的发电量多12.2%。

3)“双面光伏组件+平单1P”形式的发电量比“双面光伏组件+固定式”形式的发电量多16.0%。

4)“双面光伏组件+平单2P”形式的发电量比“双面光伏组件+平单1P”形式的发电量多0.8%。

“双面光伏组件+平单2P”形式的发电功率比“双面光伏组件+平单1P”形式提升的比例，结果如图15 所示，20 天共计1077 组发电功率的对比数据。

从图15 可以看出，多数情况下，平单2P 上的双面光伏组件的发电功率高于平单1P 上的，整体发电量测试结果也是平单2P 上的双面光伏组件发电量比平单1P 上的高0.8%。

图15 “双面光伏组件+平单2P”的发电功率比“双面光伏组件+平单1P”的发电功率的提升情况Fig. 15 Power increase of “bifacial PV module+ horizontal single axis tracker with 2P”compared with“bifacial PV module + horizontal single axis tracker with 1P”

3.2 不同安装位置的双面光伏组件的发电量对比

由于双面光伏组件位于外侧、安装位置较高时能获得更好的背面辐射量，因此，同一种安装形式时，采用不同安装位置的双面光伏组件发电量会有所差异，结果如图16 所示。

图16 同一种安装形式下，双面光伏组件采用不同安装位置时的发电量差异Fig. 16 Under same installation mode，difference of power generation of bifacial PV modules with different installation positions

同一种安装形式下，双面光伏组件采用不同安装位置时的发电功率也不同，对20 天共计1077 组的发电功率数据进行对比，对比数据如图17 所示。

从图17 可以看出，采用“双面光伏组件+平单1P”形式下，外侧组件与内侧组件的发电功率差异约在1.5%以内；而采用“双面光伏组件+平单2P”形式下，西侧组件与东侧组件的发电功率差异约在5%以内。

图17 同一种安装形式下，双面光伏组件采用不同安装位置时的发电功率对比Fig. 17 Under same installation mode，difference of power of bifacial PV modules with different installation positions

从数据来看，采用“双面光伏组件+平单2P”形式时，在全天的运行过程中，由于东侧和西侧的双面光伏组件在多数时间存在位置高度差异，导致功率差异较大；若将东侧和西侧的双面光伏组件进行串联发电，必然会导致较严重的电性能匹配损失，所以在“双面光伏组件+平单2P”形式下，东侧和西侧的组件建议不进行串联。

4 总结

本文通过在山东威海和江苏常州的实证基地进行测试，验证了双面光伏组件在不同安装形式、不同地面类型、不同安装位置下的发电规律，为双面光伏组件与光伏跟踪系统相结合的实际应用提供了参考依据。提升背景反射率、抬高组件离地高度都能有效增加采用光伏跟踪系统的双面光伏组件的发电量。相比固定式安装形式，双面光伏组件采用光伏跟踪系统能有更明显的发电能力提升。对于常见的平单2P 和平单1P 形式，不同的安装位置下双面光伏组件的发电特性存在差异；尤其是平单2P 形式，位于东侧和西侧的双面光伏组件的发电差异较大，因此，在此种形式下，组件分组串时东侧和西侧的组件应当分开串联。