双面光伏组件安装特点的模拟研究

李 诚，惠 星，平 悦

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.河北地质大学城市地质与工程学院，石家庄 050000)

0 引言

与传统光伏组件仅能利用正面进行发电相比，双面光伏组件的背面也具有同样的发电能力，但其背面主要接收总太阳辐射中的地面反射辐射和天空散射辐射。大量光伏发电项目和相关研究已经证明，在同等条件下，与采用传统光伏组件相比，采用双面光伏组件可以有效提升光伏发电系统的发电量约5%～25%。在国家实施的第3批光伏发电领跑基地项目中，双面光伏组件的装机容量占所有项目总装机容量的近50%。

影响双面光伏组件发电量增益的主要因素包括双面光伏组件背面接收的地面反射辐射量和天空散射辐射量，但接收的这2项辐射量主要受光伏发电项目现场条件的影响，尤其是地面反射辐射量；再加上这二者的值难以计算，因此在光伏发电项目开发前期，难以准确评估项目的实际发电效益。鉴于此，本文针对影响双面光伏组件背面接收的太阳辐射量的因素进行了研究，应用PVsyst软件，以采用前后排光伏组件固定间距、固定式光伏支架安装的光伏发电系统为例，以草地作为代表地表特征，对在不同安装高度和不同安装倾角条件下双面光伏组件背面接收的太阳辐射量的变化情况进行了模拟分析。

1 双面光伏组件的发电特性

双面光伏组件的正面主要是通过接收来自太阳的直接辐射、地面的反射辐射和天空的散射辐射进行发电；而背面则主要是通过接收地面的反射辐射、天空的散射辐射、后排光伏组件正面的反射辐射，以及夏季早晚时双面光伏组件背面接收的太阳直接辐射进行发电[1]。对于双面光伏组件的背面发电量而言，后排光伏组件正面的反射辐射和夏季早晚时双面光伏组件背面接收的太阳直接辐射微乎其微，可以忽略不计，因此，双面光伏组件背面的有效太阳辐射量主要为地面反射辐射和天空散射辐射之和[2]。双面光伏组件背面接收的太阳辐射示意图如图1所示。

2 双面光伏组件背面接收的太阳辐射量的模拟

图1 双面光伏组件背面接收的太阳辐射示意图Fig.1 Schematic diagram of solar radiation received on rear side of bifacial PV module

以位于陕西省的某光伏电站(35°34′15′N，109°43′29′E)为例，利用PVsyst软件对双面光伏组件在不同安装高度和不同安装倾角条件下，相对于单面光伏组件，其背面接收的太阳辐射量情况进行模拟分析。该光伏电站所在地的水平面年总太阳辐射量为1348 kWh/m2；电站采用370 Wp双面单晶硅光伏组件和175 kW组串式逆变器；采用固定式光伏支架。模拟分析以草地作为地表特征，则背景反射率为0.2；双面光伏组件的安装高度(按照光伏组件最低点距离地面的高度计算)范围选取0.6～3.0 m，步长为0.2 m，2个光伏阵列中心之间的间距固定为7 m不变；双面光伏组件的安装倾角范围选取20°～40°(模拟时以5°为一档进行分析)。本次研究选定的双面光伏组件安装高度和安装倾角范围基本涵盖了极大多数工程实例的应用情况。

模拟得到不同安装高度和不同安装倾角下双面光伏组件背面的有效太阳辐射量增益情况，如表1所示。双面光伏组件背面有效太阳辐射量增益值为双面光伏组件背面接收的有效太阳辐射量占项目所在地水平面太阳辐射量的比值。

表1 不同安装高度和不同安装倾角下双面光伏组件背面的有效太阳辐射量增益情况Table 1 Effective solar radiation gain at rear side of bifacial PV modules at different installation heights and different installation angles

从表1可以看出，在此光伏电站的边界条件下，在背景反射率为0.2、采用固定式光伏支架安装时，当双面光伏组件的安装高度为0.6～3.0 m、安装倾角为20°～40°时，其背面的有效太阳辐射量增益范围为4.61%～8.12%。

在不同安装高度和不同安装倾角下，双面光伏组件背面单位面积接收的有效太阳辐射量如图2所示。

从图2可以看出，在同样边界条件下，当双面光伏组件的安装高度不变时，双面光伏组件的安装倾角越大，其背面单位面积接收的有效太阳辐射量也越大。而当双面光伏组件的安装倾角不变时，当双面光伏组件的安装高度从0.6 m逐渐升高到3.0 m时，其背面单位面积接收的有效太阳辐射量也逐渐增大。

此外，从图2还可以看出，随着双面光伏组件的安装高度升高，其背面单位面积接收的有效太阳辐射量的变化的增加幅度在逐渐减缓。例如，当双面光伏组件的安装高度从2 m提高到3 m时，其背面单位面积接收的有效太阳辐射量的变化的增加幅度比双面光伏组件的安装高度从1 m提高到2 m时其背面单位面积接收的有效太阳辐射量的变化的增加幅度有所减小。

在不同安装高度和不同安装倾角下，双面光伏组件背面单位面积接收的地面反射辐射量如图3所示。

从图3可以看出，在同样边界条件下，当双面光伏组件的安装高度不变时，双面光伏组件的安装倾角越小，其背面单位面积接收的地面反射辐射量反而越大，这相当于地面反射辐射到双面光伏组件背面时的入射角越小，其背面接收的地面反射辐射量越大，与常识相符。

图3 在不同安装高度和不同安装倾角下，双面光伏组件背面单位面积接收的地面反射辐射量Fig.3 Ground reflected radiation received per unit area on rear side of bifacial PV modules at different installation heights and different installation angles

从图3还可以看出，当双面光伏组件的安装高度为0.6 m时，无论此时双面光伏组件的安装倾角为多少，双面光伏组件背面单位面积接收的地面反射辐射量基本相等。而当双面光伏组件的安装倾角不变时，随着双面光伏组件的安装高度从0.6 m逐渐升高到3.0 m，其背面单位面积接收的地面反射辐射量则逐渐增大。但随着双面光伏组件安装高度的升高，其背面接收的地面反射辐射量的变化的增加幅度会逐渐减缓。

综上所述，通过模拟可以得出，在双面光伏组件安装倾角一定的情况下，随着双面光伏组件的安装高度升高，其背面接收的有效太阳辐射量增大。

但上述模拟结果并不能清楚地反映出双面光伏组件背面接收的有效太阳辐射量的增大是由于地面反射辐射的变化导致的，还是由于天空散射辐射的变化导致的；另外，上述模拟结果也不能清楚反映出双面光伏组件在不同安装倾角条件下，其背面接收的地面反射辐射的变化和天空散射辐射的变化是否相同。为此，对双面光伏组件背面接收的有效太阳辐射量进行分离模拟，选取本研究中的最小安装倾角20°和最大安装倾角40°进行分析。双面光伏组件的安装倾角分别为20°和40°时其背面接收的各类太阳辐射量的对比如图4所示。

图4 安装倾角分别为20°和40°时双面光伏组件背面接收的各类太阳辐射量对比Fig.4 Comparison of various solar radiation received on rear side of bifacia PV modules when installation angle is 20° and 40°

从图4可以看出，当双面光伏组件的安装倾角为20°时，其背面接收的有效太阳辐射量几乎全部来自地面反射辐射量；而天空散射辐射量的占比很小，仅占背面有效太阳辐射量的约6%。即当双面光伏组件的安装倾角较小时，其背面接收的有效太阳辐射以地面反射辐射为主。当双面光伏组件的安装倾角为40°时，其背面接收的有效太阳辐射量中，地面反射辐射量的占比约为60%～80%，天空散射辐射量的占比约为32%，此时天空散射辐射量在组件背面接收的有效太阳辐射量中的占比较安装倾角为20°时的有所增大。即当双面光伏组件的安装倾角增大时，其背面接收的有效太阳辐射量中天空散射辐射量的占比会增加。

3 结论

本文采用PVsyst软件，以草地作为代表地表特征，对采用前后排光伏组件固定间距、固定式光伏支架安装方式时光伏电站中双面光伏组件的安装特点进行了模拟，重点分析了双面光伏组件背面接收的有效太阳辐射量的变化情况，得出以下结论：

1) 双面光伏组件安装高度的增加可有效提高其背面接收的有效太阳辐射量，但当双面光伏组件的安装高度增加到约为2 m时，若再提高其安装高度，其背面接收的有效太阳辐射量的增加幅度会减缓。

2) 在采用固定式光伏支架安装、背景反射率为0.2的情况下，双面光伏组件的安装高度为0.6～3.0 m、安装倾角为20°～40°时，其背面接收的有效太阳辐射量增益约为4.61%～8.12%。

3) 当双面光伏组件的安装高度相同时，双面光伏组件的安装倾角越大，其背面接收的有效太阳辐射量也越大。因此，采用双面光伏组件的光伏发电项目在进行方案比选时，应综合考虑双面光伏组件的安装倾角和背面有效太阳辐射量的增益情况。

4) 当双面光伏组件的安装倾角为20°时，其背面接收的有效太阳辐射量以地面反射辐射量为主，而来自于天空散射辐射量的占比仅约为6%；而当双面光伏组件的安装倾角为40°时，其背面接收的有效太阳辐射量中天空散射辐射量的占比比安装倾角为20°时的有所增大，约为32%。

需要说明的是，对于采用双面光伏组件的光伏发电系统来说，由于双面光伏组件背面接收的有效太阳辐射量的计算较为复杂、影响因素较多，且背景反射率存在不均性，而本文仅研究了一种类型的项目，因此本文的研究结果仅供设计参考。