不同类型双面光伏组件发电性能的实证研究*

胡振球，曾 飞，林荣超，曾婵娟，刘书强，黄瑜颂，蔡梦杰

广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528300

0 引言

双面光伏组件是一种正面和背面可以同时发电的新型高效光伏组件[1]。近年来，双面组件的生产技术日益成熟，市场化进程迅速加快，已成为主流的光伏发电产品，p型PERC、n型topcon、n型HJT等多种结构的太阳能电池均可制备成双面组件[2]。据研究，双面组件系统在不同环境下的发电性能有着很大的差别，相对于传统单面组件，双面组件系统在安装倾角、安装高度、容配比、支架设计等方面都应做特殊的设计[3]。在不同的使用环境下，双面组件的产品选型、安装角度设计、运行维护、逆变器等设备的配置等都存在差异。在大规模应用、推广双面组件的同时，如何准确、快速地评估双面组件的发电性能成为业内的热点问题。

陈建国[4]、陆炜等[5]对双面系统进行了理论建模分析；马少华[6]、肖志刚[7]、裴骏等[8]则在户外不同场景下进行了实证测试。研究表明，双面组件可以显著提高光伏系统的发电性能。目前，对于双面光伏组件的发电量增益的实证评估研究方法不尽相同，缺乏不同类型双面组件的发电能力对比。对此，在佛山市顺德区建设了一个光伏组件实证研究平台，在平台中可以采用多通道I-V特性测试仪配合自动切换装置，用最大功率在线测量的方法计算双面组件的直流发电量，考察p型PERC、n型topcon、n型HJT三种双面组件在砖地、铝箔、白漆三种不同反射材料下的系统能效比，从而评估组件的发电特性。

1 实证平台搭建

在佛山市顺德区的广东质检院顺德基地楼顶搭建了一个小型实证场。平台采用混凝土基础、不锈钢可调支架，共6个方阵，每个方阵可安装2块光伏组件，每块组件均单独接入1台微逆变器，再并入电网，同时安装1套气象采集系统，监测辐照强度、环境温度、湿度、风速风向等数据。实证平台外观如图1所示。实证平台的地面为砖地，为研究双面光伏组件在不同背面反射率下的发电性能，还在砖地上铺设了铝膜、白漆薄膜两种材料，用于模拟不同的反射场景，并用晶体硅辐射计同时测量双面光伏组件正面和背面的辐照强度，计算不同材料在不同时间的反射率。

图1 实证平台外观照片

三种双面光伏组件的反射率随时间的变化曲线如图2所示。铝箔、白漆两种材料的反射率均明显高于砖地，其中铝箔的反射率最高，而且中午时段的反射率最高。这主要是因为铝箔的反射以镜面反射为主，而白漆和砖地的反射以漫反射为主。计算9：00～15：00不同材料的反射率平均值，砖地为25.8%，白漆为38.9%，铝箔为52.6%。

图2 不同背面材料反射率曲线

2 发电性能评价方法

使用组件能效比（performance ratio, PR）评价双面组件的发电性能，计算公式如下：

式中：PR为组件能效比；E为评估周期发电量，kW·h；P0为光伏组件额定功率，kW；Hi为光伏方阵面辐射量，kW·h/m2；G为标准测试条件辐照度，kW/m2。

由于微逆变器的转换效率具有较高的不确定性，实证研究中一般使用高精度的直流电表采集组件的直流发电量，但组件的工作状态依然受微逆变器MPPT追踪效率的影响，因此直流电表记录的发电量仍存在一定误差。对此，文章采用多通道I-V特性测试仪测量实时发电功率，再积分计算每块组件的直流发电量，以最大限度地反映组件的真实发电特性。在测试过程中，使用特制装置实现组件在并网发电和离网测试两种运行状态的自动切换，具体过程如下。

（1）光伏组件切换装置与多通道I-V特性测试仪通信，接收其控制命令。

（2）切换装置的IN接口正负极连接被测组件，OUT接口连接微逆变器，IV接口连接多通道I-V特性测试仪。切换装置和多通道I-V特性测试仪均为6个通道，可同时连接6块光伏组件。

（3）I-V特性测量时，由多通道测试仪发送命令，切换装置将组件开路，测量其I-V特性曲线，记录最大功率及其他电学参数，同时记录辐照强度、组件背板温度等数据，在30 s内完成测试。

（4）I-V特性测试完毕后，由多通道I-V特性测试仪发送命令，切换装置将组件接入微逆变器，使组件并网发电。

（5）设置并网状态的时间间隔，使切换装置自动运行，然后重复步骤（3）、（4）。

自动切换装置的电路接线如图3所示。

图3 自动切换装置电路图

通过在线式I-V特性测量，用组件最大功率积分计算直流发电量，可以避免微逆变器MPPT追踪效率可能带来的误差；采用切换装置自动切换组件的状态，可以使组件在测试时处于离网开路状态，其余时段处于并网状态，从而尽可能地模拟组件的实际使用过程，因此具有较高的可靠性。

3 实证数据分析

选用主流组件厂家生产的p型单面、p型PERC双面、n型topcon双面、n型HJT双面四种组件各5块，充分曝晒，正面的曝晒辐照量为88 kW·h/m2，背面的曝晒辐照量为65 kW·h/m2。在四种型号的组件中挑选功率最稳定、EL无隐裂的样品各1块，安装在实证系统上，研究其发电性能。

四种组件的性能参数如表1所示，其中的最大功率Pmax、开路电压Voc、短路电流Isc、填充因子FF均由铭牌提供，均为正面参数；双面率BiFi衰减至稳定后在实验室用AAA瞬态模拟器测试计算得出。

表1 组件样品电学参数

四种组件分别在砖地、白漆、铝箔三种反射面材料下运行7个晴天，然后使用多通道I-V特性测试仪配合自动切换装置测量其直流发电量E，使用总辐射表记录总辐照量Hi，利用式（1）计算PR值（P0为选用组件的铭牌标称功率）。不同反射面材料、不同类型双面组件的PR值分布如图4所示，计算得到的四种组件的PR值的平均值如表2所示。

图4 不同反射面材料下，不同组件的PR值分布

表2 四种组件的PR值平均值

由上述结果可知，p型单面组件在三种反射面材料下的PR值均在90%左右，反射材料的不同会影响PR值，这是因为地面反射会提高组件的背板温度。三种双面组件的发电性能相对单面组件都有较大的提升。在同一种反射材料下，p型PERC双面、n型topcon双面、n型HJT双面三种组件的PR值依次升高，表明不同类型双面组件的发电性能有所差别，而且HJT双面组件的表现最优异；对于同一种双面组件，反射率越高的反射面材料，其PR值也越高，反射面为铝箔时，HJT双面组件的PR值达132.43%，比单面组件的发电量增加近42%。

4 结束语

文章研究了p型PERC、n型topcon、n型HJT三种不同类型双面组件在砖地、铝箔、白漆三种不同反射面材料下的发电性能。为了避免微逆变器MPPT追踪可能导致的影响，采用多通道I-V特性测试仪配合切换装置使被测组件自动切换运行状态，通过在线式最大功率测量的方法计算直流发电量，用PR值评估组件发电特性。研究表明，该方法能很好地用于组件实证研究，而且HJT双面组件的表现优于其余两种组件，在铝箔作为反射面材料的情况下，发电量比单面组件可提高近42%。