雙面光伏組件安裝特點的模擬研究

李 誠，惠 星，平 悅

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.河北地質大學城市地質與工程學院，石家莊 050000)

0 引言

與傳統光伏組件僅能利用正面進行發電相比，雙面光伏組件的背面也具有同樣的發電能力，但其背面主要接收總太陽輻射中的地面反射輻射和天空散射輻射。大量光伏發電項目和相關研究已經證明，在同等條件下，與采用傳統光伏組件相比，采用雙面光伏組件可以有效提升光伏發電系統的發電量約5%～25%。在國家實施的第3批光伏發電領跑基地項目中，雙面光伏組件的裝機容量占所有項目總裝機容量的近50%。

影響雙面光伏組件發電量增益的主要因素包括雙面光伏組件背面接收的地面反射輻射量和天空散射輻射量，但接收的這2項輻射量主要受光伏發電項目現場條件的影響，尤其是地面反射輻射量；再加上這二者的值難以計算，因此在光伏發電項目開發前期，難以準確評估項目的實際發電效益。鑒于此，本文針對影響雙面光伏組件背面接收的太陽輻射量的因素進行了研究，應用PVsyst軟件，以采用前后排光伏組件固定間距、固定式光伏支架安裝的光伏發電系統為例，以草地作為代表地表特征，對在不同安裝高度和不同安裝傾角條件下雙面光伏組件背面接收的太陽輻射量的變化情況進行了模擬分析。

1 雙面光伏組件的發電特性

雙面光伏組件的正面主要是通過接收來自太陽的直接輻射、地面的反射輻射和天空的散射輻射進行發電；而背面則主要是通過接收地面的反射輻射、天空的散射輻射、后排光伏組件正面的反射輻射，以及夏季早晚時雙面光伏組件背面接收的太陽直接輻射進行發電[1]。對于雙面光伏組件的背面發電量而言，后排光伏組件正面的反射輻射和夏季早晚時雙面光伏組件背面接收的太陽直接輻射微乎其微，可以忽略不計，因此，雙面光伏組件背面的有效太陽輻射量主要為地面反射輻射和天空散射輻射之和[2]。雙面光伏組件背面接收的太陽輻射示意圖如圖1所示。

2 雙面光伏組件背面接收的太陽輻射量的模擬

圖1 雙面光伏組件背面接收的太陽輻射示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar radiation received on rear side of bifacial PV module

以位于陜西省的某光伏電站(35°34′15′N，109°43′29′E)為例，利用PVsyst軟件對雙面光伏組件在不同安裝高度和不同安裝傾角條件下，相對于單面光伏組件，其背面接收的太陽輻射量情況進行模擬分析。該光伏電站所在地的水平面年總太陽輻射量為1348 kWh/m2；電站采用370 Wp雙面單晶硅光伏組件和175 kW組串式逆變器；采用固定式光伏支架。模擬分析以草地作為地表特征，則背景反射率為0.2；雙面光伏組件的安裝高度(按照光伏組件最低點距離地面的高度計算)范圍選取0.6～3.0 m，步長為0.2 m，2個光伏陣列中心之間的間距固定為7 m不變；雙面光伏組件的安裝傾角范圍選取20°～40°(模擬時以5°為一檔進行分析)。本次研究選定的雙面光伏組件安裝高度和安裝傾角范圍基本涵蓋了極大多數工程實例的應用情況。

模擬得到不同安裝高度和不同安裝傾角下雙面光伏組件背面的有效太陽輻射量增益情況，如表1所示。雙面光伏組件背面有效太陽輻射量增益值為雙面光伏組件背面接收的有效太陽輻射量占項目所在地水平面太陽輻射量的比值。

表1 不同安裝高度和不同安裝傾角下雙面光伏組件背面的有效太陽輻射量增益情況Table 1 Effective solar radiation gain at rear side of bifacial PV modules at different installation heights and different installation angles

從表1可以看出，在此光伏電站的邊界條件下，在背景反射率為0.2、采用固定式光伏支架安裝時，當雙面光伏組件的安裝高度為0.6～3.0 m、安裝傾角為20°～40°時，其背面的有效太陽輻射量增益范圍為4.61%～8.12%。

在不同安裝高度和不同安裝傾角下，雙面光伏組件背面單位面積接收的有效太陽輻射量如圖2所示。

從圖2可以看出，在同樣邊界條件下，當雙面光伏組件的安裝高度不變時，雙面光伏組件的安裝傾角越大，其背面單位面積接收的有效太陽輻射量也越大。而當雙面光伏組件的安裝傾角不變時，當雙面光伏組件的安裝高度從0.6 m逐漸升高到3.0 m時，其背面單位面積接收的有效太陽輻射量也逐漸增大。

此外，從圖2還可以看出，隨著雙面光伏組件的安裝高度升高，其背面單位面積接收的有效太陽輻射量的變化的增加幅度在逐漸減緩。例如，當雙面光伏組件的安裝高度從2 m提高到3 m時，其背面單位面積接收的有效太陽輻射量的變化的增加幅度比雙面光伏組件的安裝高度從1 m提高到2 m時其背面單位面積接收的有效太陽輻射量的變化的增加幅度有所減小。

在不同安裝高度和不同安裝傾角下，雙面光伏組件背面單位面積接收的地面反射輻射量如圖3所示。

從圖3可以看出，在同樣邊界條件下，當雙面光伏組件的安裝高度不變時，雙面光伏組件的安裝傾角越小，其背面單位面積接收的地面反射輻射量反而越大，這相當于地面反射輻射到雙面光伏組件背面時的入射角越小，其背面接收的地面反射輻射量越大，與常識相符。

圖3 在不同安裝高度和不同安裝傾角下，雙面光伏組件背面單位面積接收的地面反射輻射量Fig.3 Ground reflected radiation received per unit area on rear side of bifacial PV modules at different installation heights and different installation angles

從圖3還可以看出，當雙面光伏組件的安裝高度為0.6 m時，無論此時雙面光伏組件的安裝傾角為多少，雙面光伏組件背面單位面積接收的地面反射輻射量基本相等。而當雙面光伏組件的安裝傾角不變時，隨著雙面光伏組件的安裝高度從0.6 m逐漸升高到3.0 m，其背面單位面積接收的地面反射輻射量則逐漸增大。但隨著雙面光伏組件安裝高度的升高，其背面接收的地面反射輻射量的變化的增加幅度會逐漸減緩。

綜上所述，通過模擬可以得出，在雙面光伏組件安裝傾角一定的情況下，隨著雙面光伏組件的安裝高度升高，其背面接收的有效太陽輻射量增大。

但上述模擬結果并不能清楚地反映出雙面光伏組件背面接收的有效太陽輻射量的增大是由于地面反射輻射的變化導致的，還是由于天空散射輻射的變化導致的；另外，上述模擬結果也不能清楚反映出雙面光伏組件在不同安裝傾角條件下，其背面接收的地面反射輻射的變化和天空散射輻射的變化是否相同。為此，對雙面光伏組件背面接收的有效太陽輻射量進行分離模擬，選取本研究中的最小安裝傾角20°和最大安裝傾角40°進行分析。雙面光伏組件的安裝傾角分別為20°和40°時其背面接收的各類太陽輻射量的對比如圖4所示。

圖4 安裝傾角分別為20°和40°時雙面光伏組件背面接收的各類太陽輻射量對比Fig.4 Comparison of various solar radiation received on rear side of bifacia PV modules when installation angle is 20° and 40°

從圖4可以看出，當雙面光伏組件的安裝傾角為20°時，其背面接收的有效太陽輻射量幾乎全部來自地面反射輻射量；而天空散射輻射量的占比很小，僅占背面有效太陽輻射量的約6%。即當雙面光伏組件的安裝傾角較小時，其背面接收的有效太陽輻射以地面反射輻射為主。當雙面光伏組件的安裝傾角為40°時，其背面接收的有效太陽輻射量中，地面反射輻射量的占比約為60%～80%，天空散射輻射量的占比約為32%，此時天空散射輻射量在組件背面接收的有效太陽輻射量中的占比較安裝傾角為20°時的有所增大。即當雙面光伏組件的安裝傾角增大時，其背面接收的有效太陽輻射量中天空散射輻射量的占比會增加。

3 結論

本文采用PVsyst軟件，以草地作為代表地表特征，對采用前后排光伏組件固定間距、固定式光伏支架安裝方式時光伏電站中雙面光伏組件的安裝特點進行了模擬，重點分析了雙面光伏組件背面接收的有效太陽輻射量的變化情況，得出以下結論：

1) 雙面光伏組件安裝高度的增加可有效提高其背面接收的有效太陽輻射量，但當雙面光伏組件的安裝高度增加到約為2 m時，若再提高其安裝高度，其背面接收的有效太陽輻射量的增加幅度會減緩。

2) 在采用固定式光伏支架安裝、背景反射率為0.2的情況下，雙面光伏組件的安裝高度為0.6～3.0 m、安裝傾角為20°～40°時，其背面接收的有效太陽輻射量增益約為4.61%～8.12%。

3) 當雙面光伏組件的安裝高度相同時，雙面光伏組件的安裝傾角越大，其背面接收的有效太陽輻射量也越大。因此，采用雙面光伏組件的光伏發電項目在進行方案比選時，應綜合考慮雙面光伏組件的安裝傾角和背面有效太陽輻射量的增益情況。

4) 當雙面光伏組件的安裝傾角為20°時，其背面接收的有效太陽輻射量以地面反射輻射量為主，而來自于天空散射輻射量的占比僅約為6%；而當雙面光伏組件的安裝傾角為40°時，其背面接收的有效太陽輻射量中天空散射輻射量的占比比安裝傾角為20°時的有所增大，約為32%。

需要說明的是，對于采用雙面光伏組件的光伏發電系統來說，由于雙面光伏組件背面接收的有效太陽輻射量的計算較為復雜、影響因素較多，且背景反射率存在不均性，而本文僅研究了一種類型的項目，因此本文的研究結果僅供設計參考。