实际案例分析双面电池组件多发23.7%原因

文中基于PVsyst光伏设计软件，以杭州为模拟地点，并在三种不同的地面反射率环境下对双面发电光伏组件进行发电量模拟仿真并获得相关数据进行分析，组件的离地高度为0.5米，组件安装倾角为25度，朝向正南。结果表明，当在地面反射率为90%的环境下，双面发电光伏组件较单面组件的发电量增加23.7％左右，发电量增量最高，其次是地面反射率70%，发电量增量为16％；地面反射率为50%时，发电量增量为12%；地面反射率为30%时，发电量增量仅为7％。通过PVsyst软件模拟应用研究得出不同反射环境下的发电量数据，可为后续双面发电PV组件电站系统设计提供理论数据支持。

近年来光伏行业内不断涌现了新的技术和产品，其中最受瞩目的应当是双面电池组件，双面电池根据基底的不同，可以分为P型双面和N型双面，其中N型电池由于硅片少子寿命比较长、没有硼氧对引起的光致衰减，因此要优于P型电池。

目前最高效的晶硅太阳电池也都是采用了N型硅片，比如IBC，HIT，N型双面电池等。 图1列举了两种结构的电池，如代表性厂商、电池正面效率、电池背面效率、技术升级难度、单位价格和产品优势。从表可知，N型双面背面的转换效率已经达到了正面效率的90%。对于双面电池的封装技术可以采用双层玻璃+无边框结构，也可以采用透明背板+边框形式，但主流的结构还是双玻双面电池组件为主。

图1 双面发电产品

北半球的常规组件都是朝南以一定的角度安装，当组件处于最佳安装角度时，年平均接收的太阳光辐射量最大，常规组件系统发电量最大。而双玻双面发电组件的正、背面发电特性，可以适用在地面及周边建筑反射光及散射光较强的地区，如高纬度地区和多雪地区，使组件的正反两面的发电量达到最大化，同时也适用于光伏建筑一体化等特殊应用。另外安装方式上，不仅可以以传统的小于90度倾角安装，还可以东西向垂直安装，即一面朝东，另一面朝西，这样不论是上午还是下午都可以最大限度的接收太阳光。

双面发电组件安装位置的背景反射率决定了背面发电量的多少，只有背面尽量多的接收反射和散射光，背面增效才会增加。由于不同地区冬季降雪量不同，通常设计的系统最低点离地高度也不同，随着最低点离地高度的变化，组件背面接收的辐照度也随之变化，系统最低点离地越高，组件与地面之间的空间越大，组件背面可接收的周围反射面越大，背面的发电量也越多。因此组件背面的发电量主要是安装朝向、安装角度、地面反射率和离地高度共同作用的结果，需要我们根据发电量的提升情况来确定合适的安装方式。

目前国内外相关研究机构都对双面电池的发电性能进行了研究，根据国内华东理工大学袁晓博士的实验数据，双玻组件在实际运行中，与水泥地面安装的多晶组件相比，对不同地面的效率增益，双玻组件在刷涂白漆地面（反射率较高）发电量增益最大，铝箔次之，草坪（反射率较低）最低，而且都高于单面的常规单多晶组件，参考表1不同材质或环境的反射率系数。

表1 不同材质或类型的反射率系数

图2为来自不同地面反射物的光谱曲线，从图可知，雪地（Snow）、白色的沙地（White sand）、干草地（Dry grass）的地面反射光谱较好，混凝土（concrete）次之，沥青（asphalt）较差。

图2 太阳辐射光谱和来自不同地面反射物的光谱曲线

通过PVsyst软件可以对固定倾角安装方式的双面发电系统进行模拟，假设模拟的地点位于杭州，气象数据采用Meteonorm7.1数据。光伏阵列采用250W组件，背面的STC转换效率和正面的STC转换效率之比值在0.8-0.9之间可调，便于我们在模拟中进行对比。阵列安装倾角为25度，正南朝向，组件的最下沿离地的高度为0.5米，阵列间距采用冬至日上午9时和下午15时之间前后无阴影遮挡为最小间距。组件10片一串，共6串，接入至组串逆变器。

表1 33kW光伏系统设置参数

在系统模拟时，我们输入不同的地面反射率，如30%、50%、70%和90%，从图2可知，当地面反射率不断增加时，入射到地面的反射损失（即到达地面却未被反射的部分）不断增加，当反射率为30%，该值为348.29kWh/m^2，当地面反射率为90%时，该值为49.7 kWh/m^2。同时，从地面反射回大气的辐射损失逐渐下降，组件背面实际接收的辐射量逐渐增加。

图2 不同地面反射率的太阳辐射损失比较（单位:kWh/m^2）

图3为组件背面实际接收到的辐射量，从图可知，冬季12月、1月和2月份，当地面反射率增加时，组件背面实际接收的辐射量较小，这是由于冬季的地面的水平面总辐射量、散射辐射量在全年来说都是比较小的，因此被地面反射后到达组件背面的有效辐射也就较低。参考图4各个月份的水平面总辐射量和散射辐射量对比。

图3 组件背面实际所接收的辐射量（单位:kWh/m^2）

图4 该项目地的月度水平面总辐射量和散射直射分量对比

表2为取不同反射率和BF（Bificial Factory）时的系统发电量和首年系统PR对比，一般在理想情况下，地面反射率达到0.9时（如雪地），系统发电小时数可增加至1204h，系统PR可达到96%。图5为不同地面反射率时的月度发电量对比。

表2 不同反射率和BF时的发电量及系统PR

图5  不同地面反射率的月度发电量对比（单位：度）

与此同时，双面组件的发电量和其安装倾角有一定关系，因此对25度、30度和40度倾角进行对比，当安装倾角较大时，背面实际接收的辐射量是增加的，但是正面的辐射量并非最大，反而比25度倾角时有所降低，所以得到的发电量是降低的，最优的倾角、离地高度和阵列间距需要我们不断的调整和对比进行综合判断。

表3 不同安装倾角时的系统输出结果对比 （单位：kWh/m^2）

文献[7]对双面电池的研究进行了综述，文中对双面组件的离地高度和最佳倾角的关系进行了说明。如图6所示，当组件的倾角较低时，组件离地的高度应该增加可得到最佳的发电性能。当组件的倾角较大时，组件离地的高度应该减少，可获得较大的地面反射光和散射光，这样才可使得双面组件的整体出力达到最佳。

图6 组件离地高度和最佳倾角的关系

图7为组件离地高度对系统增益的影响，从图可知，当组件的离地高度从0.5m增加到1m时，系统的发电增益大概在5%左右，当然具体的项目需要根据实际去设计模拟。

图7  30度安装倾角，地面反射率50%，BF=71%

文中简单介绍了双面电池组件的相关内容，通过某33kW系统模拟不同地面反射率时的发电量，并和单面电池系统进行比较，结果表明，当在地面反射率为90%的环境下，双面发电光伏组件较单面组件的发电量增加23.7％左右，发电量增量最高，其次是地面反射率70%，发电量增量为16％；地面反射率为50%时，发电量增量为12%；地面反射率为30%时，发电量增量仅为7％。

文中通过3kW系统模拟应用研究得出了不同反射环境下的发电量均不相同，双面电池组件发电系统在设计时和传统的光伏组件也是有所不同，由于正反面均可发电，系统设计优化考虑的因素也比较多，如实际的安装环境、背景反射率（后期是否需要加装反射材料）、组件背面和正面效率的比值、组件下沿的离地高度、组件的安装倾角、安装方位角、前后间距、安装方式（垂直安装或传统固定倾角）等。另外，由于双面电池的整体出力比单面电池组件要高，所以还要考虑对应逆变器的额定输出功率大小，通过发电量模拟得到双面系统的全年出力和逆变器参数是否匹配，进而设计合理的双面组件系统容量。