光伏双面跟踪发电系统的发电特性研究

吴芳和，黄圭成，王士涛，李彩霞

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014；2.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提升光伏发电系统发电效率的高效光伏产品，因此越来越广泛地应用于全球大型光伏发电项目中。根据国际上多个研究机构对双面光伏组件的市场分析和预测，预计2025年晶体硅光伏组件市场中，双面光伏组件的占比有望达到50%。相较于单面光伏组件只能正面发电，双面光伏组件的背面还能接收地面反射光、天空散射光，并可将其转换为电能，产生背面的发电量增益。光伏跟踪器也是一种能大幅提升光伏发电系统发电效率的光伏产品，其基于智能控制与机械传动技术，通过驱动光伏组件使其始终处于太阳直射光线入射角度为最佳角度的位置，以提高光伏组件的光电转换效率，从而提升光伏发电系统的发电能力[1]。

当前，双面光伏组件和光伏跟踪器已逐渐成为大型光伏电站的标准配置，但现有的研究大多数是对二者进行独立研究，主要是针对双面光伏组件的发电特性进行研究，或针对光伏跟踪器对光伏组件光电转换效率提升的研究，而对于双面光伏组件安装于动态运行的光伏跟踪器上时的发电特性的研究却不多。基于此，本文在现有的针对双面光伏组件发电特性研究的基础上，通过分别对双面光伏组件与水平单轴光伏跟踪器相结合的光伏发电系统(下文简称为“光伏双面跟踪发电系统”)和单面光伏组件与固定式光伏支架相结合的光伏发电系统(下文简称为“光伏单面固定发电系统”)进行建模和发电量仿真，从地面覆盖率(ground coverage ratio，GCR)、光伏组件安装高度、地面反射率这3个参数的角度对光伏双面跟踪发电系统的发电特性进行研究分析。

1 双面光伏组件与光伏跟踪器的结合

1.1 双面光伏组件技术

相较于单面光伏组件只能正面发电，双面光伏组件是对采用的太阳电池技术进行了改进，使太阳电池背面也具备将接收的太阳辐照量转换成电能的能力。单面光伏组件与双面光伏组件接收太阳光线的示意图如图1所示。

图1 单面光伏组件和双面光伏组件接收太阳光线的示意图Fig.1 Schematic diagram of single-sided PV modules and bifacial PV modules receiving sunlight

一些长期的实验性质的研究表明，与单面光伏组件相比，在均采用“最佳安装倾角+固定式光伏支架”安装形式的情况下，双面光伏组件的发电量增益能达到5%～10%；而在晴天时，双面光伏组件的发电量增益甚至可能达到30%以上。但由于在实际的光伏发电项目中，太阳辐照资源、光伏组件安装环境、双面率等因素与测试情况相比都会有变化，因此实际的双面光伏组件的发电量增益值可能还会更高[2]。

1.2 光伏跟踪器技术

光伏跟踪器技术通常是根据经纬度，利用天文学算法计算出光伏发电项目所在地的太阳高度角和太阳方位角，再根据时间、光伏阵列参数计算出光伏跟踪器的跟踪目标角度，以驱动光伏支架达到该目标角度位置，然后通过传感器反馈当前光伏支架的实际角度位置，但要确保实际角度和目标角度之间的差值始终保持在一定精度范围内。

根据旋转轴的数量不同，光伏跟踪器可分为单轴光伏跟踪器和双轴光伏跟踪器。单轴光伏跟踪器是通过1个旋转轴跟随太阳轨迹，主要是对太阳位置进行跟踪，使光伏组件始终保持正面朝向太阳；双轴光伏跟踪器是通过2个旋转轴跟踪太阳轨迹，可同时对太阳方位角及太阳高度角进行跟踪，使太阳直射光始终垂直入射到光伏组件的正面[3]。其中，按照旋转轴和水平面之间是否存在角度差，可将单轴光伏跟踪器分为水平单轴光伏跟踪器和斜单轴光伏跟踪器。

水平单轴光伏跟踪器因具有稳定的产品性能、可适用于大部分太阳辐照资源丰富的地区、优异的发电量提升能力和较低的成本等优势，已成为大型地面光伏发电项目中应用最为广泛的光伏跟踪器类型。

1.3 光伏双面跟踪发电系统发电特性的影响因素

光伏双面跟踪发电系统的发电特性主要受GCR、光伏组件安装高度及地面反射率等因素的影响。

1.3.1GCR

光伏阵列之间的间距(下文简称为“光伏阵列间距”)是根据光伏阵列尺寸，以及所在地冬至日真太阳时(09:00～15:00)期间，前、后光伏阵列之间无遮挡的情况进行设计。光伏阵列间距越大，到达地面的太阳辐照量就越多，从而可被双面光伏组件背面利用的太阳辐照量也越多。

通常用GCR来代表光伏阵列间距的大小，GCR的值即为光伏阵列上光伏组件总面积与光伏阵列占地面积的比值。光伏阵列的占地面积主要由其所在地的纬度、光伏组件的排布形式决定。根据项目经验，GCR的值通常是在20%～60%之间。

1.3.2 光伏组件安装高度

在光伏双面跟踪发电系统中，光伏组件的安装高度是指当光伏跟踪器处于水平位置时对应的光伏组件的对地高度。双面光伏组件下方的地面是其背面的最佳反射区和视角区，即为有效辐照区域，在该区域，地面反射的太阳辐照量大部分能被双面光伏组件的背面利用；而在其他地面区域，因光伏组件的视角范围小，导致地面反射的太阳辐照量不能被充分利用。因此，双面光伏组件离地面越高，越有利于地面反射的太阳辐照量的有效利用。

1.3.3 地面反射率

由于双面光伏组件背面接收的太阳辐照量主要是来自地面反射的太阳辐照量，因此地面反射率是影响双面光伏组件背面发电量的主要因素之一。光伏发电项目中常见的地面类型的地面反射率如表1所示[4]。

表1 常见的地面类型的地面反射率Table 1 Ground albedo of common ground types

2 光伏双面跟踪发电系统的仿真分析

由于水平单轴光伏跟踪器是大型地面光伏发电项目中应用最广泛的光伏跟踪器类型，本文分别对双面光伏组件与水平单轴光伏跟踪器相结合的光伏双面跟踪发电系统和单面光伏组件与固定式光伏支架相结合的光伏单面固定发电系统进行光伏发电系统建模和发电量仿真，以获取地面反射率、光伏组件安装高度、GCR这3个参数组合变换时光伏双面跟踪发电系统的发电特性。

2.1 模型的建立

本文选用PVsyst软件进行仿真模拟。该软件具备强大的三维建模能力，可对双面光伏组件等建模，并模拟光伏双面跟踪发电系统和光伏单面固定发电系统的发电量情况。

利用PVsyst软件对双面光伏组件建模，背面太阳电池采用和正面太阳电池相同的单二极管模型，通过双面率可计算得到双面光伏组件背面接收的有效太阳辐照量，并将其加入到双面光伏组件正面可有效利用的太阳辐照量中，以此得到双面光伏组件可有效利用的总太阳辐照量，然后将其转换为光伏发电系统的发电量。

建模的基本假设条件为：1)假设太阳光线漫反射各向同性；2)假设来自每个地面点的太阳光线反射各向同性；3)发电量情况基于单二极管模型计算，即将光伏组件背面接收的太阳辐照量转换至光伏组件正面接收的太阳辐照量中，以双面光伏组件接收的总太阳辐照量进行发电量计算。

双面光伏组件背面接收的太阳辐照量主要来自于地面反射光和天空散射光。其中，地面反射光部分，根据地面接收到的太阳辐照量、地面反射率、光伏阵列角度(即光伏组件实时跟踪角度)、光伏阵列间距，可计算得到有效辐照区域的面积及该部分双面光伏组件背面接收的有效太阳辐照量。天空散射光部分，是通过对地面的每个地面点进行积分，计算得到双面光伏组件背面接收的来自不同方向的散射光的太阳辐照量。

为计算得到双面光伏组件背面接收的太阳辐照量，PVsyst软件中引入了传热学中的视角因子(view factor，VF)。视角因子是随着太阳位置的变化，对到达光伏组件表面的所有方向上的有效太阳光线进行积分的结果，代表地上每一个地面点接收的太阳光线的属性，其值由光伏组件的几何形状、排布形式决定。双面光伏组件的正面和背面均有各自的视角因子，而通常的建模分析软件中容易忽略双面光伏组件正面接收的这部分太阳辐照量，实际上，在计算双面光伏组件正面接收的太阳辐照量时，应当考虑正面的视角因子，也就是说，在采用单面光伏组件的光伏发电系统中，也不应忽略这部分太阳辐照量[5]。PVsyst软件中的视角因子模型如图2所示。

图2 PVsyst软件中的视角因子模型Fig.2 View factor model in PVsyst software

双面光伏组件背面单位有效面积接收的太阳辐照量Ir的计算式为：

式中：Ig为双面光伏组件接收的来自地面反射的太阳辐照量；VFr为到达双面光伏组件背面的有效太阳光线的视角因子；Sg为地面接收太阳辐照的有效辐照区域；Smr为双面光伏组件背面的有效面积。

双面光伏组件正面单位有效面积接收的太阳辐照量If的计算式为：

式中：VFf为到达双面光伏组件正面的有效太阳光线的视角因子；Smf为双面光伏组件正面的有效面积。

2.2 仿真数据

选择中纬度(36°N、120°E)、太阳能资源Ⅲ类地区，对地面反射率、光伏组件安装高度、GCR这3个参数组合变换时光伏双面跟踪发电系统的发电特性进行研究。其中，对光伏双面跟踪发电系统的发电量情况进行了多组参数的建模仿真，分别对以下3组参数进行组合变换，并模拟不同参数组合状况下光伏双面跟踪发电系统的发电量。

3组参数的设置方式为：

1)GCR分 别 设 置 为20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%，其 中，40%、50%均为GCR的典型值；

2)光伏组件的安装高度分别设置为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 m，其中，1.5 m为光伏组件安装高度的典型值；

3)地面反射率分别设置为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，其 中，20%、30%均为地面反射率的典型值。

基于项目经验，选择光伏组件安装倾角为30°、GCR=46.9%、光伏组件最低点离地高度为0.5 m的光伏单面固定发电系统的发电量作为基准，对比不同参数组合下光伏双面跟踪发电系统与光伏单面固定发电系统的发电量情况，得到不同参数组合下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例情况。下文将对此进行详细分析。

2.2.1GCR对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响

GCR越小，则表示光伏阵列间距越大，光伏双面跟踪发电系统的发电量就越高。结合光伏组件安装高度、地面反射率等参数的变化，对GCR分别为60%、40%、20%时光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例情况进行分析研究。

GCR=60%属于GCR取较大值的情况，这代表光伏阵列间距很小。当GCR=60%时，不同地面反射率及不同光伏组件安装高度下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线如图3所示。

从图3可以看出，当GCR=60%时，在地面反射率相同的情况下，当光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m时，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例之间的差值约为0.2%～1.5%；而当地面反射率从20%升至80%且光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m时，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例在3%～13%之间。

图3 当GCR=60%时，不同地面反射率及不同光伏组件安装高度下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线Fig.3 When GCR = 60%，power generation gain ratio curve of PV bifacial tracking power generation system under different ground albedo and different installation height of PV modules

GCR=40%属于GCR取常规值的情况，具有普遍代表性。当GCR=40%时，不同地面反射率及不同光伏组件安装高度下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线如图4所示。

图4 当GCR=40%时，不同地面反射率及不同光伏组件安装高度下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线Fig.4 When GCR = 40%，power generation gain ratio curve of PV bifacial tracking power generation system under different ground albedo and different installation height of PV modules

从图4可以看出，当GCR=40%时，在地面反射率相同的情况下，当光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m时，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例之间的差值约为1%～4%；而当地面反射率从20%升至80%且光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m时，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例在9%～25%之间。

GCR=20%属于GCR取较小值的情况，这代表光伏阵列间距较大。当GCR=20%时，不同地面反射率及不同光伏组件安装高度下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线如图5所示。

图5 当GCR=20%时，不同地面反射率及不同光伏组件安装高度下光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线Fig.5 When GCR = 20%，power generation gain ratio curve of PV bifacial tracking power generation system under different ground albedo and different installation height of PV modules

从图5可以看出，当GCR=20%时，在地面反射率相同的情况下，当光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m时，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例之间的差值约为1%～5%；而当地面反射率从20%升至80%且光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m时，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例在14%～35%之间。

通过综合分析图3～图5的3组发电量增益比例曲线可以发现，当GCR从60%降至20%时，在地面反射率从20%升至80%且光伏组件安装高度从1.2 m增至2.0 m的情况下，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例从3%～13%增加至14%～35%，发电量提升明显。因此，减小GCR的取值，即增加光伏阵列间距，可大幅提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例。

综合分析图3～图5还可以看出，当GCR取值较大时，图3中7条发电量增益比例 曲线的增长趋势较为相似，均呈平缓增长趋势；而当GCR取值较小时，图5中7条发电量增益比例曲线的增长趋势存在差异，此时地面反射率越高，发电量增益比例曲线的坡度越明显，即代表发电量增益比例的增幅越大。

以上述9种光伏组件安装高度为基础，每种光伏组件安装高度在不同地面反射率及不同GCR情况下的数据为1组柱状图，分析不同GCR对光伏双面跟踪发电系统发电量增益比例的影响，具体如图6所示。为反映光伏阵列间距是从小到大逐渐增加的，因此图中横坐标轴上GCR的值按照从大到小的顺序排列。

图6 在9种光伏组件安装高度下，不同GCR对光伏双面跟踪发电系统发电量增益比例的影响Fig.6 Influence of different GCR on the power generation gain ratio of PV bifacial tracking power generation system under the nine kinds of PV module installation heights

从图6可以看出，在每种光伏组件安装高度下，随着地面反射率值的增加和GCR值的减小，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例均呈锯齿状升高趋势；而在光伏组件安装高度和地面反射率都一定的情况下，随着GCR值的减小，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例呈上升趋势。由此可知，GCR的变化对光伏双面跟踪发电系统发电量增益比例的影响很明显。这是因为GCR值的减小意味着光伏阵列间距的增加，使地面接收的有效太阳辐照量显著增加，从而使反射到双面光伏组件背面的太阳辐照量也显著增加。

整体来看，GCR值的变化对双面光伏组件的发电量增益有明显的影响，因此，GCR属于影响光伏双面跟踪发电系统发电特性的敏感参数。

2.2.2 光伏组件安装高度对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响

在地面反射率分别为20%、50%、80%且GCR不同的情况下，分析不同光伏组件安装高度对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响，具体如图7所示。为反映光伏阵列间距是从小到大逐渐增加的，因此图中横坐标轴GCR的值按照从大到小的顺序排列；此外，图中3组不同颜色的曲线分别表示不同的地面反射率。

从图7可以看出，在地面反射率为20%(较低)的情况下，当光伏组件安装高度在1.2～2.0 m之间时，9条光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线几乎重合；而在地面反射率为80%(较高)的情况下，当光伏组件安装高度在1.2～2.0 m之间时，9条光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例曲线存在明显差异。

综上所述，在地面反射率较小的情况下，增加光伏组件安装高度对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响不大；而在地面反射率较高的情况下，增加光伏组件安装高度对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例存在一定影响。在其他参数均不变的情况下，增加光伏组件的安装高度能够小幅提升光伏双面跟踪发电系统的发电量。

图7 在地面反射率分别为20%、50%、80%且GCR不同的情况下，不同光伏组件安装高度对光伏双面跟踪发电系统发电量增益比例的影响Fig.7 When ground albedo is 20%，50% and 80% respectively and GCR is different，influence of different installation heights of PV modules on the power generation gain ratio of PV bifacial tracking power generation system

2.2.3 地面反射率对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响

在光伏组件安装高度分别为1.2、1.6、2.0 m且GCR不同的情况下，分析不同地面反射率对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响，具体如图8所示。为反映光伏阵列间距是从小到大逐渐增加的，因此图中横坐标轴GCR的值按照从大到小的顺序排列。

图8 在光伏组件安装高度分别为1.2、1.6、2.0 m且GCR不同的情况下，不同地面反射率对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响Fig.8 When installation height of PV modules is 1.2，1.6 and 2.0 m respectively and GCR is different，influence of different ground albedo on the power generation gain ratio of PV bifacial tracking power generation system

从图8可以看出，在光伏组件安装高度分别为1.2、1.6、2.0 m的情况下，当GCR=60%时，随着地面反射率的增加，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例在8%～18%的区间内变化；当GCR=20%时，随着地面反射率的增加，光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例在19%～41%的区间内变化。

综上所述，在GCR=20%(取值较小)时，增加地面反射率能大幅增加光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例；而在GCR=60%(取值较大)时，增加地面反射率可在一定程度上增加光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例。由此可知，增加地面反射率能提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例。

3 结论

本文对采用双面光伏组件与水平单轴光伏跟踪器相结合的光伏发电系统(下文简称为“光伏双面跟踪发电系统”)和采用单面光伏组件与固定式光伏支架相结合的光伏发电系统(下文简称为“光伏单面固定发电系统”)进行了建模和发电量仿真，以光伏单面固定发电系统为基准，对地面覆盖率(GCR)、光伏组件安装高度、地面反射率这3个参数组合变换时对光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例的影响进行了研究分析，得到以下结论：

1)减小GCR的值，即增加光伏双面跟踪发电系统中的光伏阵列间距，可以使更多的太阳光线到达地面并反射至双面光伏组件的背面，从而能有效提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例，因此GCR属于影响光伏双面跟踪发电系统发电特性的敏感参数。

2)在地面反射率高的地区，提高光伏双面跟踪发电系统中的光伏组件安装高度，可在一定程度上提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例；在地面反射率低的地区，提高光伏组件安装高度对于光伏双面跟踪发电系统发电量增益比例的影响不大。

3)在GCR值较小时，增加光伏双面跟踪发电系统的地面反射率，能有效增加地面带来的太阳辐照量，从而提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例；因此在GCR值偏小的光伏发电项目中，改善地面反射率能有效提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例。

总体而言，在其他参数保持不变的情况下，增加地面反射率或减小GCR值(即增加光伏阵列间距)，均能有效增加光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例；同时，在其他参数保持不变的情况下，既增加地面反射率又减小GCR值，能大幅增加光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例；在其他参数保持不变的情况下，增加光伏组件安装高度仅能小幅提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例。

针对实际的光伏发电项目而言，当其地表类型的地面反射率较高时，为有效提升光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例，建议减小GCR值(即增加光伏阵列间距)；而当其地表类型属于地面反射率高、GCR值较小(即光伏阵列间距偏大)时，建议适当增加双面光伏组件的安装高度，这样可在一定程度上增加光伏双面跟踪发电系统的发电量增益比例。期望本文的研究成果可为该类光伏发电项目的实际应用提供参考。