晶硅双面发电是目前【qián】高效电【diàn】池【chí】研【yán】究的【de】重要方向之一，双面电池组件它具有光致衰减小、弱光响【xiǎng】应好、温度系【xì】数低等优势，正面和反【fǎn】面均【jun1】具有把光【guāng】能转【zhuǎn】换成【chéng】电能的能【néng】力，与传统的单面发电光伏组件相比，双面发电的组件输出【chū】功率更【gèng】大，从而可【kě】降低其在光【guāng】伏系统应用中【zhōng】的【de】度电成本。
文【wén】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【fā】电光伏组件进行发电量【liàng】模拟【nǐ】仿真并获得相关【guān】数据进【jìn】行分析【xī】，组【zǔ】件的离地高【gāo】度为0.5米【mǐ】，组件安装倾角为25度，朝向【xiàng】正南。结果表【biǎo】明，当在地面反【fǎn】射【shè】率【lǜ】为90%的环境下【xià】，双面发【fā】电【diàn】光伏【fú】组件较单【dān】面组件【jiàn】的发电【diàn】量增加23.7%左【zuǒ】右，发电量增量最高，其次【cì】是地面反射【shè】率70%，发电【diàn】量增量【liàng】为16%;地【dì】面反射率为50%时，发电量【liàng】增量为12%;地面【miàn】反射率为【wéi】30%时，发电【diàn】量增量仅为7%。通过PVsyst软件模【mó】拟应【yīng】用研【yán】究得出不同反射环境下【xià】的发电【diàn】量数据，可【kě】为【wéi】后续双面发电【diàn】PV组件电站系【xì】统【tǒng】设计提供理论数【shù】据支持。
双面电池组件介绍
近【jìn】年来【lái】光伏行业内不断【duàn】涌现【xiàn】了新的技术和产品，其【qí】中最【zuì】受瞩目的应当是双面电【diàn】池【chí】组件，双【shuāng】面电池【chí】根据基底的不同【tóng】，可以分为P型双面和N型双面【miàn】，其中N型电池由于【yú】硅【guī】片少子寿命比较长、没有硼氧对引起的光【guāng】致衰减，因此要优于P型电池。
目前最高效的晶硅【guī】太阳电池也都是采用了N型硅片【piàn】，比【bǐ】如IBC，HIT，N型双面【miàn】电池等。 图1列举了两【liǎng】种【zhǒng】结构的电【diàn】池，如代表性【xìng】厂【chǎng】商、电池正面效【xiào】率、电【diàn】池背面效率、技术升级难度、单位价格和【hé】产【chǎn】品优势【shì】。从表可知，N型双面背【bèi】面的转换效率已经【jīng】达到了正面效【xiào】率的90%。对于双面电池的封装技【jì】术【shù】可以采用【yòng】双层【céng】玻【bō】璃+无边框结构【gòu】，也可以采用透明背板+边框【kuàng】形式，但主流的结构还是双玻【bō】双面电池组件为主。
图1 双面发电产品
北半球的常【cháng】规组件【jiàn】都是朝南以一定的角度安装，当组件处【chù】于最佳安【ān】装【zhuāng】角度时，年平均【jun1】接收的太阳光辐射量最大，常规组件系统发电量最大。而双【shuāng】玻【bō】双面发电【diàn】组件的正、背【bèi】面发电特性【xìng】，可以适用在地面及【jí】周边建筑反射光及散射光较强的【de】地区，如高【gāo】纬【wěi】度【dù】地区和多雪地【dì】区【qū】，使组件的正反两面的发电量【liàng】达【dá】到【dào】最大化，同时也适【shì】用于光【guāng】伏建筑一体化等【děng】特殊应用。另外安装【zhuāng】方式【shì】上，不仅【jǐn】可以以传统的小于【yú】90度倾角安装，还可以东【dōng】西【xī】向垂直安【ān】装，即一面朝东，另一【yī】面朝西，这样【yàng】不论是上午还【hái】是下午都【dōu】可以最大【dà】限度的接【jiē】收太阳光【guāng】。
双【shuāng】面发电组【zǔ】件【jiàn】安装【zhuāng】位置【zhì】的背景反射率决定了背面发电量【liàng】的多少，只有背面【miàn】尽量多【duō】的【de】接收【shōu】反射和散【sàn】射光，背面增效才【cái】会【huì】增加。由【yóu】于【yú】不同地【dì】区冬季降雪【xuě】量不同，通常设计的系【xì】统【tǒng】最低点离地高度【dù】也不同，随着最低点离地高度的变【biàn】化【huà】，组件背面接收的辐照度也随之变化，系统【tǒng】最低点离地越高，组件与地面之间的【de】空间越大，组件背面可接收的【de】周围反【fǎn】射【shè】面越大【dà】，背面的发【fā】电量也【yě】越【yuè】多【duō】。因此【cǐ】组件背【bèi】面【miàn】的【de】发电量主【zhǔ】要是安装朝向、安【ān】装角度【dù】、地面反射率和离地高度共同作用的结果【guǒ】，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【jiū】机【jī】构【gòu】都对双面电池的发电性能进行了研【yán】究，根据国内【nèi】华【huá】东理【lǐ】工大学【xué】袁【yuán】晓博【bó】士的【de】实验数据【jù】，双玻组件在实际运行中，与水泥地面安装【zhuāng】的多晶组【zǔ】件相比【bǐ】，对不同地面的效率增【zēng】益，双玻组件【jiàn】在刷【shuā】涂白漆地面(反射率【lǜ】较高)发电量增益【yì】最【zuì】大【dà】，铝箔次之，草坪(反射【shè】率较低)最【zuì】低【dī】，而且都高于单面的常规单多晶组件，参考表1不【bú】同材质或环境的反射率【lǜ】系数。
表1 不同材质或类型的反射率系数
图2为来自【zì】不【bú】同地面【miàn】反射物的光谱【pǔ】曲线，从图可知，雪【xuě】地(Snow)、白色的【de】沙地(White sand)、干草地(Dry grass)的地面反射光谱较好，混凝【níng】土(concrete)次之【zhī】，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
双面电池组件的发电量模拟
通过PVsyst软件可以对【duì】固定倾角安装【zhuāng】方式【shì】的双面发电系【xì】统进行模拟，假设模拟的【de】地点【diǎn】位【wèi】于【yú】杭州【zhōu】，气象【xiàng】数据采用Meteonorm7.1数据。光伏阵列采用250W组件，背面的STC转换【huàn】效率和正面的【de】STC转换【huàn】效率之【zhī】比值在0.9-21.9之间可调，便于【yú】我们在模拟中进行对比【bǐ】。阵列安装倾角【jiǎo】为25度，正南【nán】朝向，组件的最下沿离地的高度为0.5米，阵【zhèn】列间距采用【yòng】冬至日上午【wǔ】9时和下午15时之【zhī】间【jiān】前后无【wú】阴影遮挡为最小间距【jù】。组件10片【piàn】一串，共6串【chuàn】，接入至组串逆变器。
表1 33kW光伏系统设置参数
在【zài】系统模拟时，我们输入不【bú】同的【de】地【dì】面反射率，如30%、50%、70%和90%，从图2可知，当地面反射率【lǜ】不断增加时，入射【shè】到地【dì】面的反射损失(即到【dào】达地面【miàn】却未被反射的部分)不断增加，当反射【shè】率为【wéi】30%，该【gāi】值【zhí】为348.29kWh/m^2，当地面反射率为90%时，该值为49.7 kWh/m^2。同时【shí】，从地面反射回大【dà】气的辐射【shè】损失【shī】逐渐下降，组件背面实际【jì】接收【shōu】的辐射【shè】量【liàng】逐渐增【zēng】加。
图2 不同地【dì】面反射率的太【tài】阳辐射损失比【bǐ】较(单位:kWh/m^2)
图3为组件背面实际接收到的【de】辐射量【liàng】，从图可知，冬季【jì】12月、1月和2月份，当【dāng】地面反射率增加时，组【zǔ】件背面【miàn】实际接收【shōu】的辐射量较小【xiǎo】，这【zhè】是由于冬季的地面的水平面总辐【fú】射【shè】量、散【sàn】射辐【fú】射【shè】量在全年来说【shuō】都是比较小的【de】，因此被地面反射【shè】后到达组件背面的有效【xiào】辐射也就较低。参【cān】考图4各个【gè】月份的【de】水平面总【zǒng】辐射【shè】量和散射辐射量对比【bǐ】。
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【fǎn】射率和【hé】BF(Bificial Factory)时的系统发电量和首年系统PR对【duì】比，一般在【zài】理想【xiǎng】情况下，地面反射率达到0.9时(如雪地)，系统发电【diàn】小时数可增加至1204h，系统PR可达到【dào】96%。图【tú】5为不同地【dì】面反射【shè】率时【shí】的月度发电量对【duì】比【bǐ】。
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【tóng】时，双面组件的发【fā】电量和其【qí】安装倾角有一定关【guān】系，因此对25度、30度【dù】和【hé】40度倾角【jiǎo】进行对比，当安【ān】装倾【qīng】角较大【dà】时，背面实【shí】际接收【shōu】的辐【fú】射量是增加的【de】，但是正【zhèng】面的辐射量并【bìng】非最大，反而比【bǐ】25度倾角时有所降低，所以得到的发电量【liàng】是降低【dī】的，最优的倾角、离地高度和阵列间距【jù】需要我们不断【duàn】的调【diào】整和【hé】对比进行综合判断。
表【biǎo】3 不同安装倾角时的系统【tǒng】输出结果对比 (单【dān】位：kWh/m^2)
文献[7]对双面电池的研究【jiū】进【jìn】行了综【zōng】述，文中对双面【miàn】组件的离地高【gāo】度和最【zuì】佳【jiā】倾角的关系进行了说明。如图6所【suǒ】示，当组件的倾角较低时，组件离【lí】地的高【gāo】度【dù】应该增加可得到最【zuì】佳的发电【diàn】性能。当组件【jiàn】的倾【qīng】角【jiǎo】较大时，组件离地的高度【dù】应该减少【shǎo】，可获得较大【dà】的地【dì】面反射【shè】光和散射光，这样才可【kě】使【shǐ】得双面组【zǔ】件的整体出力达到【dào】最佳。
图6 组件离地高度和最佳倾角的关系
图【tú】7为组件离【lí】地高度对系统增益的影【yǐng】响【xiǎng】，从图可知，当组件【jiàn】的离地高度【dù】从0.5m增【zēng】加到1m时，系统的发电【diàn】增【zēng】益大概在5%左右，当【dāng】然具体的项【xiàng】目需要根据实【shí】际去设计模拟。
图7 30度安装倾角，地面反射率50%，BF=71%
小结
文中【zhōng】简单介绍了双面【miàn】电池组件的相【xiàng】关【guān】内容，通过某【mǒu】33kW系统模拟不同【tóng】地面反【fǎn】射【shè】率时的【de】发电量，并和单【dān】面电池系【xì】统进行比较【jiào】，结果表明【míng】，当在地面反【fǎn】射率【lǜ】为【wéi】90%的【de】环境下，双面发【fā】电光【guāng】伏组件较单面【miàn】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【zēng】量为16%;地面反【fǎn】射率为50%时【shí】，发电量增量【liàng】为12%;地面反射率为30%时，发电量增【zēng】量仅为7%。
文【wén】中通过3kW系统模拟应【yīng】用研究得出了不同反射【shè】环境【jìng】下的发【fā】电量均【jun1】不相同【tóng】，双面电池组件发电【diàn】系【xì】统在设计【jì】时和传统的光【guāng】伏组件也是有所不同，由于正反面【miàn】均可发电，系统设计【jì】优化【huà】考虑的【de】因素【sù】也比较多，如【rú】实际【jì】的安装环境、背景【jǐng】反射【shè】率(后【hòu】期是否需【xū】要【yào】加装反射材料【liào】)、组件背面和【hé】正面效率的比值【zhí】、组【zǔ】件下沿【yán】的【de】离【lí】地高度、组件的安装【zhuāng】倾角、安装方位角、前后【hòu】间距【jù】、安装方式【shì】(垂直安装或传统【tǒng】固定倾角)等。另外，由于双【shuāng】面【miàn】电池的整【zhěng】体出【chū】力比单面电池【chí】组件要高，所【suǒ】以【yǐ】还要考虑对应逆变器的额定输出功【gōng】率大小，通过发电量模拟得到【dào】双面系统的全年出力和【hé】逆变器参数是否【fǒu】匹配，进而【ér】设计合理的双面组件系统容量。
FR：索比光伏网 陈建国
