单面和双面光伏组件最佳安装倾角的设计对比研究

马竞涛

(隆基乐叶光伏科技有限公司，西安 710049)

0 引言

随着双面光伏组件与单面光伏组件制造成本差距的快速缩小，根据《中国光伏产业发展路线图(2020年版)》，双面光伏组件的市场占有率在2020年已攀升至30%以上。第1～3批“光伏领跑者”项目大量采用了双面双玻光伏组件技术，由此拉开了双面光伏组件时代的序幕[1]。大部分应用场景中，双面光伏组件的背面发电量增益可达到3%～10%[2]，基于目前市场上单面、双面光伏组件的市场价差，光伏发电项目采用双面光伏组件时的内部收益率明显高于其采用单面光伏组件时的，越来越多的光伏发电项目通过采用双面光伏组件来降低光伏发电系统的度电成本[3]。

当光伏发电系统的支架运行方式选择固定支架时，光伏组件的最佳安装倾角一般是根据光伏发电系统所在地的气象数据及光伏组件布置方式等边界条件来计算可使光伏发电系统达到最大发电量的倾角[4]，其最佳安装倾角设计的本质目的是为达到发电量产出和系统建设投资的综合效益最大化，即达到最低度电成本。由于双面光伏组件具有背面发电量增益的特性[5]，在采用固定支架时，单面光伏组件和双面光伏组件的安装倾角设计存在一定差异。

为了使研究结果具有典型性，本文选取中国境内宁夏回族自治区中卫市中宁县、山东省滨州市沾化区、江西省新余市3个地区分别作为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类太阳能资源区及不同地面反射率的项目代表地，通过PVsyst软件建模，对不同项目地光伏发电系统分别采用单面光伏组件和双面光伏组件时达到最大发电量的安装倾角进行分析设计，以期为今后采用固定支架形式的光伏发电系统的最佳安装倾角设计提供模型参考。

1 项目的边界条件

引入气象软件Meteonorm 7.2中3个典型项目地的典型年气象数据[6]。地面反射率为光照经过地面反射后的反射辐照值与入射辐照值的比值[7]，本文基于3个项目地的实际情况，宁夏回族自治区中卫市中宁县光伏发电项目(下文简称为“宁夏中宁项目”)的地表为典型戈壁滩，则地面反射率取25%；山东省滨州市沾化区光伏发电项目(下文简称为“山东沾化项目”)的地表为浅色土壤与绿色植被，则地面反射率取20%；江西省新余市光伏发电项目(下文简称为“江西新余项目”)的地表为暗色土壤与深绿色植被，其地面反射率取15%。

3个项目地的地理位置、太阳辐照量及地面反射率信息如表1所示。

表1 3个项目地的基本信息Table 1 Basic information of three project sites

常用于模拟光伏发电系统发电量的仿真软件有RETScreen、PV*SOL、PVsyst等，目前由于PVsyst软件的发电量模拟结果具有很高的准确性，其被投资人和承包商广泛认可[8]。因此本文采用PVsyst软件进行仿真研究。

本文选择的3个地点的光伏发电项目设计方案均依据实际已建或在建项目背景设计。光伏发电项目模型的电气设计：采用72片版型(太阳电池尺寸为166 mm×166 mm)的450 W单面和双面PERC单晶硅光伏组件(下文分别简称为“单面光伏组件”及“双面光伏组件”)，各为468块，总容量均为210.6 kW；光伏组件安装方式为双排竖装布置，采用固定支架，光伏组件最低点离地高度均采用大部分省份的农光互补项目要求的2.5 m；光伏发电系统配置1台9路MPPT设备，采用18路输入的196 kW组串式逆变器。为了排除不同模型可能存在的由于逆变器容量不足而限电的影响，每串光伏组串由24块光伏组件组成，18串光伏组串接入1台组串式逆变器。

基于以上光伏发电项目模型，采用Meternorm7.2中各项目地的气象数据，通过PVsyst软件V6.8.5版本进行相关数据仿真分析。

2 不同项目地不同光伏组件安装倾角的发电量对比研究

2.1 宁夏中宁项目不同光伏组件安装倾角时的发电量对比

基于前文所述光伏发电项目的边界条件，建立宁夏中宁项目单面光伏组件及双面光伏组件安装倾角仿真模型，采用固定支架，光伏阵列前后排间距采用中宁地区冬至日09:00～15:00时间段光伏阵列前后排不遮挡且光伏组件正面累计接收太阳辐照量最大时的标准间距12 m。对宁夏中宁项目采用不同光伏组件安装倾角时，单面光伏组件和双面光伏组件的首年发电小时数进行模拟，结果如表2所示。

从表2可以看出：宁夏中宁项目采用单面光伏组件时，安装倾角在31°时光伏发电系统的首年发电小时数达到最高，说明发电量达到最大值；此后随着光伏组件安装倾角进一步变大，光伏发电系统的发电量逐渐减小；即31°为单面光伏组件的最佳安装倾角。当采用双面光伏组件进行仿真时，安装倾角为36°时光伏发电系统的首年发电小时数达到最高，说明发电量达到最大值，即36°为双面光伏组件的最佳安装倾角。双面与单面光伏组件的最佳安装倾角相差5°，基于该项目地25%的地面反射率，可计算得出此项目采用单面光伏组件时和采用双面光伏组件时的发电量差异在5.95%～7.07%之间；且随着光伏组件安装倾角增大，双面光伏组件的背面发电量增益逐渐增大。

表2 宁夏中宁项目在不同光伏组件安装倾角时的模拟结果Table 2 Simulation results of Ningxia Zhongning project at different installation inclination angles of PV modules

2.2 山东沾化项目不同光伏组件安装倾角时的发电量对比

与宁夏中宁项目原则相同，建立山东沾化项目单面光伏组件及双面光伏组件安装倾角仿真模型，采用固定支架，光伏阵列前后排间距采用沾化地区冬至日09:00～15:00时间段光伏阵列前后排不遮挡且光伏组件正面累计接收太阳辐照量最大时的标准间距10 m。对山东沾化项目采用不同光伏组件安装倾角时，单面光伏组件和双面光伏组件的首年发电小时数进行模拟，结果如表3所示。

表3 山东沾化项目在不同光伏组件安装倾角时的模拟结果Table 3 Simulation results of Shandong Zhanhua project at different installation inclination angles of PV modules

从表3可以看出：山东沾化项目采用单面光伏组件时，安装倾角在27°时光伏发电系统的首年发电小时数达到最高，说明发电量达到最大值；此后随着光伏组件安装倾角进一步变大，光伏发电系统的发电量随之减小；即27°为单面光伏组件的最佳安装倾角。当采用双面光伏组件进行仿真时，安装倾角为31°时光伏发电系统的首年发电小时数达到最高，发电量达到最大值，即31°为双面光伏组件的最佳安装倾角。双面与单面光伏组件的最佳安装倾角相差4°，基于该项目地20%的地面反射率，可计算得出此项目采用单面光伏组件时和采用双面光伏组件时的发电量差异在5.04%～6.23%之间，且随着光伏组件安装倾角增大，双面光伏组件的背面发电量增益逐渐增大。

2.3 江西新余项目不同光伏组件安装倾角时的发电量对比

与另外2个项目原则相同，建立江西新余项目单面光伏组件及双面光伏组件安装倾角仿真模型，采用固定支架，光伏阵列前后排间距采用新余地区冬至日09:00～15:00时间段光伏阵列前后排不遮挡且光伏组件正面累计接收太阳辐照量最大时的标准间距8 m。对江西新余项目采用不同光伏组件安装倾角时，单面光伏组件和双面光伏组件的首年发电小时数进行模拟，结果如表4所示。

表4 江西新余项目在不同光伏组件安装倾角时的模拟结果Table 4 Simulation results of Jiangxi Xinyu project at different installation inclination angles of PV modules

从表4可以看出：江西新余项目采用单面光伏组件时，安装倾角为15°时光伏发电系统的首年发电小时数达到最高，说明发电量达到最大值；此后随着光伏组件安装倾角进一步变大，光伏发电系统的发电量随之减小；即15°为单面光伏组件的最佳安装倾角。当采用双面光伏组件进行仿真时，安装倾角为17°时光伏发电系统的首年发电小时数达到最高，说明发电量达到最大值，即17°为单面光伏组件的最佳安装倾角。单面与双面光伏组件之间的最佳安装倾角相差2°，基于该项目地15%的地面反射率，可计算得出此项目采用单面光伏组件时和采用双面光伏组件时的发电量差异在3.33%～4.13%之间，且随着光伏组件安装倾角增大，双面光伏组件的背面发电量增益逐渐增大。

2.4 小结

通过对3个项目地光伏发电项目分别采用单面和双面光伏组件时年发电小时数最大情况下的安装倾角，即最佳安装倾角的对比分析可以发现，由于双面光伏组件具有背面可接收一定光照并发电的特性，其最佳安装倾角一般比单面光伏组件的最佳安装倾角略高，单面光伏组件和双面光伏组件最佳安装倾角差值的绝对值与双面光伏组件背面发电量增益值呈正相关。

但需要注意的是，实际光伏发电项目进行系统设计时，虽然光伏组件安装倾角的设计一般遵循系统发电量最大的原则，但仍需结合不同安装倾角导致的不同支架成本进行综合考虑。

3 结论

本文以国内3个典型太阳能资源项目地作为代表，对这3个项目地光伏发电系统分别采用单面光伏组件和双面光伏组件时发电量最大的安装倾角，即最佳安装倾角进行了仿真模拟分析。研究结果表明：双面光伏组件的最佳安装倾角往往高于单面光伏组件的，因此，当一般光伏电站的光伏组件产品选型从单面光伏组件更换为双面光伏组件时，可考虑调高光伏组件安装倾角，以达到更高的发电量收益；而且随着双面光伏组件的最佳安装倾角与单面光伏组件的最佳安装倾角之间的差值增大，双面光伏组件背面发电量增益越大。期望本研究结果能为光伏发电系统设计及光伏组件产品选型提供参考。