双面光伏反射聚光发电装置的研究

袁全红

(广东科技学院机电工程学院，广东东莞 523083)

近年来，晶体硅组件发电效率提升缓慢，平均每年约提高0.5%。与此同时，双面光伏发电技术发展迅速，双面组件在光伏发电市场的占比也快速上升。2019 年下半年，中国约30%的公用事业规模项目使用了双面太阳能组件。虽然玻璃价格上涨影响了市场占比的增幅，2020 年双面组件市场占比为29.7%，是2019 年的2 倍多。随着玻璃供应的改善，预计2023 年，单双面组件市场占比相当[1]。

双面组件正反(背)两面均可接收太阳光发电。单晶光伏组件正面转换效率一般为18%～22%。双面光伏组件(用玻璃或透明背板封装)背面的光电转换效率是正面的60%～90%，但由于背面光照强度低，因此背面发电量较少。如单晶n 型双面光伏组件的正面转换效率为18.34%，背面转换效率为15.59%，组件综合转换效率达到19.90%。双面光伏组件在草地条件下发电量比单面组件可提高8%～10%，在雪地条件下发电量能提高30%[2-3]。双面光伏发电关键是要能提高背面光照强度，才能真正发挥其优势。如果能针对双面太阳电池组件，开发出背面聚光装置，就能大幅度提高组件的发电量[4]。

目前关于双面光伏反射装置的研究尚不多见。李大虎等[5]设计了一种方位角跟踪反射装置，通过仿真得出冬季和夏季单轴跟踪下双面电池日发电量比固定式双面电池分别提高39.8%和53.1%。侯慧等[6]设计了一种双轴跟踪反射装置，并通过仿真得出冬季和夏季比固定式单面电池分别提高93%和94%，比双轴跟踪双面电池日发电量分别提高30.4%和15.5%。

1 双平面镜反射的分析

如图1 所示，设PV 板的长度为L，水平放置，在其下方左右两边各放置一块倾斜的平面镜MS 和M'S'，太阳光线通过左边平面镜M 和S 点反射后，刚好到达光伏板背面的最左边和最右边，而通过右边平面镜M'和S'点反射后，刚好到达光伏板背面的最右边和最左边。整套光伏板发电装置采用2 自由度实时追踪(即太阳的高度角和方位角)，光伏板始终与太阳光垂直，则两块平面镜的反射光线始终刚好覆盖光伏板背面。

图1 双平面镜反射原理图

设平面镜最低点S 与PV 板的高度差为h，平面镜的倾角为a，镜面有效反射区为MS 和M'S'，设长度均为l。平面镜光线的入射角为r，光伏板背面的入射角为b。则各几何参数关系如下：

几何聚光比p为系统的光线入射面与光线接收面的面积比，由于此处平面镜反射光线是平行光，所以也等于光线入射面l与光线接收面长度L 之比。反射光的光学聚光比P是指光线接收面与光线入射面的平均辐照度之比，由于光伏板背面反射光线是平行光，所以其入射角b相同，P也等于几何聚光比p与反射系数h和cos(b)的乘积,所以满足如下关系：

可见，平面镜高度h越低，平面镜的倾角a 越小，光学聚光比P越大。但是，由于空间的限制，h不能太大。取L=5 dm，h=0.9，h=0～2L，通过MATLAB 编程，可以得出反射光线强度随h的变化规律，如图2 所示。

图2 反射各参数随高度h的变化曲线

由图2 可以看出：当h从0 增大到2L时，平面镜的倾角a基本为线性变化，从45°下降到13.3°；反射镜长度l从0 升到4.6 dm，光线反射强度P则从0 升到1.44。

2 平面镜聚光发电装置的设计

双平面镜聚光发电装置如图3 所示，整个装置由旋转底座，电池板和反射镜支架和电动推杆3 大部分组成。

图3 双平面镜聚光发电装置立体图

旋转底座左侧下方的转动轴安装在地面的固定轴套内，右侧的红色步进电机驱动滚轮使底座转动，可对太阳的方位角g进行跟踪，如图4(a)所示[7]。步进电机转角b1为:

式中：R1为滚轮相对底座转动轴转动的半径；R2为滚轮半径。

电池板和平面镜都固定安装在田字架上面，平面镜反射光线刚好覆盖光伏板背面。田字架的前边铰接在底座的支撑架上，后边通过一个电动推杆的升降，可对太阳的高度角q进行跟踪，如图4 所示。设电动推杆与底座支撑架的前后距离为B，则电动推杆高度H与“田字”架倾角q的关系如下：

图4 双平面镜聚光发电装置

本装置结构简单，安装方便。反射镜除平面玻璃镜外，也可采用镀膜铝板。镀膜铝板反射效率90%以上，更轻便，易拆装。三角形底板的中心设有单片机控制器，设定好当地的经度和纬度，控制器就能自动计算出每天某一时刻太阳的方位角和高度角，再输出控制信号，驱动滚轮使底座转动，并控制电动推杆的升降。由于两块平面镜相对电池组件的位置始终不变，因此，采用一套双轴实时跟踪系统就可以实现光伏电池板和反射镜同时对太阳光进行跟踪。

3 反射装置的发电仿真与实验

为了验证反射镜聚光的发电效果，可建立太阳电池发电的工程数学模型，并对发电量进行仿真分析[8-9]。

3.1 太阳电池的等效电路

太阳电池工程数学模型的等效电路如图5 所示。光伏电池的实际电流是Iph，它的大小与太阳电池板的有效表面积以及实际光照强度相关。ID为电路中二极管中流过的暗电流，RS是光伏电池等效串联电阻，Rsh为旁漏电阻。一般Rsh→∞，Ish→0，可得到太阳电池四参数模型[10]。

图5 太阳电池的等效电路

式中：I0为二极管反向饱和电流，A；n为二极管理想因子；U为负载电压，V；Ut为光伏电池热电压，V；Ut=qk/T，k为玻尔兹曼常数；q为电子的电荷量；T为太阳电池温度，K。

一般利用具有代表性的点来求解方程(1)，以获得光伏电池特性曲线，如：

其中，短路电流ISC、开路电压UOC、峰值电流Im和峰值电压Um由产品铭牌给出，联立式(7)～(10)，可求解太阳电池的四参数I0、Rs、n和U。

根据以上方程式，可以建立太阳电池发电的Simulink 数学模型，如图6 所示。

图6 光伏电池发电的Simulink模型

输入参数为S、T、Sr、Tr共4 个。S为太阳光辐射强度，T为实测温度，Sr为太阳光标准辐射强度1 000 W/m2，Tr为标准室温25 ℃。示波器输出参数为三个：U、I和P，分别为太阳电池电压、电流和功率，以便于观察分析结果。

3.2 太阳电池发电仿真模型

由于目前市场上双面组件的面积都较大，一般在1.6 m×1.0 m 以上，做实验不方便。故可选用尺寸较小的单面组件，选用星火公司BSF-50W 单面组件，设定该组件参数Uoc=21.6 V，Isc=3.05 A，Um=18 V，Im=2.78 A，即可进行发电量仿真计算。

当T=51 ℃,S为543 W/m2时的仿真计算，其峰值电流Im为1.63 A，峰值电压为15 V，峰值功率Pm为24.4 W。电池板发电功率P-I响应曲线如图7 所示。

图7 电池板发电功率P-I响应曲线

3.3 反射太阳能发电装置发电实验

为了验证仿真结果，温度计采用顺科达工业红外测温仪，太阳光辐照度采用欣宝SM206 太阳能辐射测量仪，太阳能MTTP 充电控制器采用悠昊600W-MTTP 充电控制器(自带电流、电压实时显示功能)，按照图1 安装实验装置。为便于实验，可只安装了一面反射镜。分别测量不同条件下电池组件的发电量，数据见表1。

表1 电池组件的发电参数对比

电池组件正面朝上的3 组数据是为了验证Simulink 模型的准确性，此时不用反射镜；而背面朝上的3 组数据是为了验证平面镜反射光线的发电效果，此时要用反射镜。表中，Um、Im为测量值，Pm测量=Um×Im；Pm计算值为工程数学模型Simulink 的仿真结果。

由表1 可以看出，当电池组件正面朝上时，最大发电功率的测量值比Simulink 仿真计算值低6%～10%，主要原因是充电控制器的MTTP 具有一定延迟性，尚未达到最大功率；此外太阳能辐射测量仪的灵敏度高，测量时由于受云层和气流影响，数值随外界条件变化波动频繁；或者组件表面灰尘可能会影响发电功率，使其略有下降。

当电池组件背面朝上时，最大发电功率测量值与Simulink 仿真计算值相比低40.7%～49.0%。

根据图1 实验装置的实际参数，当设定平面镜反射系数h为0.9 时，则通过单个平面镜反射后，组件背面反射光线强度为：

即组件背面朝上时，反射光强度和发电功率比正面都低37%。组件正面朝上时，实验误差低6.4%～10%。这与背面朝上时，最大发电功率的测量值比计算值偏低40.7%～49.0%的情况是基本吻合的。

如果光伏发电装置采用双面镜反射，据上述数据推论，背面发电系数可达正面的1.26 倍。如果背面发电功率是正面的80%，则背面发电功率可增加1倍，从而实现发电量倍增。

为了验证平面镜反射的效果，定制了尺寸为55 cm×55 cm 的PERC 双面光伏组件。在标准光照条件下，正面、背面额定功率分别为50.8 和40.4 W，背面发电率为正面的80%。2021 年12 月8 号，在户外3 种太阳光直射条件下，实测发电功率对比数据见图8。图中，正面为单正面发电(遮挡背面)；双面为不遮挡背面，有地面漫反射；反射1 采用单块亚克力镜片反射；反射2 采用单块玻璃镜片反射。

图8 三种户外环境条件实测发电功率对比柱状图

在三种户外环境条件下，背面发电功率(遮挡正面)均为0，正面发电功率分别为35.0、36.2 和28.4 W。

在以上三种户外环境条件下，双面发电功率分别为36.8、38.0 和30.1 W。分别比单正面发电功率(遮挡背面)高5.1%、5%和6%。

采用单块亚克力镜片反射后，双面发电功率分别为50.0、51.8 和40.3 W。分别比单正面发电(遮挡背面)提高了43.1%、43.4%和41.8%。

采用单块玻璃镜片反射后，双面发电功率分别为51.0、52.2 和41.5 W，分别比正面提高了45.7%、44.2%和46.1%，可见采用反射镜后，发电功率都能够大幅提高，而且玻璃镜片比亚克力镜片的效果略好。实验中亚克力镜片易变形，散射后反射强度降低，需要衬背支撑。此外，如果出现云雾，反射后发电功率会大幅下降。

4 小结

通过MATLAB 编程，可以得出反射光线各参数随高度差h的变化规律。平面镜最低点S 与PV 组件高度差h越低，a 越小，光学聚光比P越大。但是由于实际安装空间限制，h不能太大。

设计了一套双平面镜聚光发电装置，可以整体实现光伏板和平面镜对太阳的实时二维跟踪。

建立的Simulink 模型仿真结果与实验测量值基本吻合。双面镜反射后背面发电系数可达正面的1.26 倍，如果背面发电率为80%以上，则可实现电池组件发电量倍增。如果前后方向也增加双面镜反射，则背面发电量会进一步增大。

通过双玻双面电池板户外实测，采用单块亚克力镜片或玻璃镜片反射后均比正面发电功率大幅提高，且玻璃镜片反射效果比亚克力镜片略好。

本双平面镜聚光发电装置简单紧凑，易于控制。相对于双轴实时追踪系统只需要添加两块平面镜和简单支架，就能大幅提高发电量，成本低，性价比高。如果采用易于拆装的镀铝或亚克力反射镜，更加轻便低廉，可在广大太阳能资源丰富的地区推广。