雙面組件陣列輻照模擬與系統效率分析

陳 琦， 王海華， 韓學棟， 陳 靖

（中國能源建設集團 江蘇省電力設計院有限公司， 江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著光伏技術的進步， 雙面組件受到了愈加廣泛的關注和應用。與單面組件相比，雙面組件兩面皆可發電。采用雙面組件的光伏電站，其理論發電量最高可提升25%[1]，[2]。傳統的單面組件光伏系統只要保證陣列正面上能夠接收到最大的輻照量， 即可得到空間最大光照利用率以獲得最佳光伏系統效率。 有研究表明，光伏電站陣列群中，單個陣列正面的輻照量主要受陣列傾角和間距影響， 可以通過綜合計算方法確定發電效益最大化的陣列傾角和間距[3]。

目前， 國內關于雙面組件的系統研究還主要集中在單一條件控制下， 雙面組件的發電量增益情況。通過設置高反射率地面背景，可增加雙面組件的發電量[4]。 但這往往適用于小型分布式場合（如屋面等）， 對于大型項目不具備改變地表反射率的條件。同時，雙面組件的發電性能的最佳傾角不同于單面組件[5]。 此外，離地高度、行間距越大大，雙面組件可獲得輻照量也越大[6]。

綜上，影響雙面組件整體發電量的因素很多，主要有地表反射率，安裝傾角，陣列間距和離地距離等。 本文結合PVsyst 軟件對綜合條件下的雙面組件正、反面接收到的輻照量進行模擬，并對光伏系統效率分析， 提出一種基于逐步查找法的最優發電性能系統確定方法。 該方法可以幫助光伏電站設計人員快速確定固定式系統的最佳傾角間距設計方案。

1 陣列輻照與系統效率分析

雙面系統結構如圖1 所示。

圖1 雙面系統結構圖Fig.1 Bifacial PV module system structure

1.1 影響因素分析

從式（1）可以看出，受到陣列傾角的影響，地區的陣列傾斜面輻照量相比水平面輻照量存在一定比例的增長或降低。 同時地表反射率也會對其造成影響，本文反射輻照采用各向同性模型[4]。

組件背面接收到的直接輻射和散射的輻照度與正面計算方法類似。 不同的是，到達背面Am的反射輻照度來源于陣列在地面形成的陰影區域As和陰影之外的區域Ans， 從As反射的輻照度為散射輻照，從Ans反射的輻照度為水平輻照度。 因此， 朝向赤道傾斜的陣列背面月平均太陽總輻照量與水平面上月平均輻照量之比Rˉ′的表達式為

由于陣列陰影的存在導致采用各向同性模型計算結果不準確，所以采用VFA1→A2對微元面進行積分計算，即：

式中：s 為微元面dA1中心到dA2中心的距離；θ1，θ2分別為dA1和dA2兩表面的法向量與兩表面中心連線之間的夾角。

從式（10）可以看出，陣列背面的輻照量不僅受到傾角的影響， 還受陣列的間距及陣列離地高度的影響。

此外， 上述陣列的正面和背面直接輻照模型是在理想情況下，即沒有實物遮擋，但在實際大型光伏電站中，即使沒有地形以及障礙物的遮擋，陣列輻照量在真太陽時以外的時間也會受到臨近陣列的陰影影響。

1.2 輻照模擬仿真

為了比較不同因素的之間的關系， 本文采用PVsyst 軟件， 以江蘇泗洪某領跑者光伏電站條件為例，對固定式雙面組件陣列進行了建模仿真。仿真模型具體參數如下：一個完整光伏單元，包含1臺3 150 kV·A 變壓器，18 臺175 kW 組串式逆變器和8 748 塊440 W 單晶雙面雙玻組件，2×27 雙串豎向布置構成一個陣列面。 通過PVsyst 搭建該光伏系統模型。 假定忽略有限模型陰影的邊緣效應。

本文開發了一套基于GPRS的茶園環境參數(如大氣溫度、濕度，土壤溫度、含水量以及光照強度等)無線檢測系統。該系統以GPRS網絡為數據平臺，充分利用GPRS網絡的特點,利用現代移動通信技術，建立高可靠性、高穩定性、實用高效的通信鏈路，使茶園的環境參數信息能實時、快速地傳輸到監控中心。茶園一般建在野外山區，很難取得市電，本系統采用太陽能供電，這樣節能又環保。通過檢驗，該系統達到了預期的效果，有一定的可行性。

通過控制變量法比較不同影響因素下的全年陣列面輻照量，其中，陣列間距為8 m，離地高度為1.5 m，反射率為8%，傾角為28°，比較的氣象條件參考Meteonorm7.2 數據庫數據，比較結果如圖2 所示。

圖2 不同影響因素下的陣列面輻照量模擬值Fig.2 The numerical simulated result of array surface irradiation under different factors

泗洪地區緯度在北緯33.5°， 傾斜面全年輻照量最大的傾角為28°。 由圖2（a）可以看出，在陣列間距為8 m 的條件下， 陣列正面的輻照量隨陣列傾角的下降先增加后減少， 陣列面正面輻照最大的傾角在21°左右，如果不考慮背面，則傾角選擇為21°最為合適。 背面的輻照量則隨著傾角的下降呈單一下降趨勢， 所以實際最佳傾角還會因為雙面組件而提高，介于21～28°。 由圖2（b）可以看出， 正面輻照量和背面輻照量都會隨著陣列間距縮小而降低， 符合資源總量隨著陣列間距縮短而減少的規律。 在圖2（c），（d）中，離地高度和反射率對陣列正面輻照量的影響很小， 背面輻照量隨離地高度減少而減少，隨反射率增高而增高，符合前文的分析結果。

2 系統效率分析

2.1 系統效率定義

據IEC 標準， 光伏系統效率一般用PR（Performance Ratio）效率來表征。定義為最終發電量與參考發電量的比值，其表達式為[9]

式中：Pout，k為輸出功率；P0為標準測試條件下的直流側裝機容量；Gi，k為陣列面輻照度；Gi，ref為標準條件下的輻照度；τk為輸出功率、陣列面輻照對應的時間。

從式（11）可以看出，IEC 標準效率的計算式可以簡單等效為實際發電小時數和陣列面峰值利用小時數的商。 但在實際計算單面組件光伏電站的時候， 往往會用傾斜面峰值利用小時而非陣列面峰值利用小時來作為計算PR 效率基礎， 這雖與PR 效率定義稍有違背，但更加合理。 因為陣列面的峰值利用小時會受到系統設計如傾角、 間距等產生的臨近遮擋影響。 效率作為表征系統優劣的重要參數，把這些影響排除在外顯然不合適。所以目前在單面組件系統中， 普遍的計算方法是用發電小時數與特定傾角下的傾斜面峰值利用小時數的商來計算。在雙面組件系統中，如果仍采用這種計算方法，則相對于PR 效率的定義更加背離，因為這樣相當于單面的輻照度替代了雙面的輻照度，使得PR 效率計算結果整體偏高。 也有部分用戶采用單面PR 效率外加雙面增益來表征系統優劣， 但實際上PR 效率高的方案并不意味者雙面增益更高， 這會帶來效率和雙面增益顧此失彼的弊端。

相比較而言，GB 標準對于光伏系統效率的定義能更好地表征電站系統的優劣。 該公式原本是用于計算光伏系統發電量的，為了方便對比，對其進行了變換。 綜合效率K 的表達式為[10]

式中：HA為水平面太陽能總輻照量；Ep為上網發電量；Es為標準條件下的輻照度；PAZ為組件安裝容量。

式（12）直接采用水平面輻照量來作為計算系統效率的基礎， 把傾斜面對輻照量的增益也納入到系統效率里。 與使用PR 效率時要額外考慮傾角增益和雙面增益相比， 這種綜合效率更加簡單明了。

IEC 標準的PR 效率的主要是用來表示光伏系統把接收到的輻照量轉化為發電量的效率，GB標準的綜合系統效率的主要是用來表示系統把地區的輻照量轉化為發電量的效率。 僅從表征整個光伏電站系統優劣來說， 顯然GB 的綜合系統效率兼顧了光學和電學， 而IEC 更偏重于電學方面。 本文即采用綜合效率系數作為電站系統優化的評價標準。

2.2 系統效率優化

通過上述分析結果來看， 陣列傾角、 陣列間距、離地高度、地表反射率是影響雙面組件系統效率的主要因素。在實際光伏電站中，大多數情況地表反射率是無法改變的， 而且離地高度僅能提高背面輻照量，相對于高支撐結構提升的造價而言，性價比不高， 所以系統效率的優化重點在于對陣列傾角和間距的優化。

優化陣列間距傾角的計算方法： ①通過計算初步選定最大輻照量傾斜面傾角和真太陽時[9]無遮擋間距； ②根據光伏電站的用地資源情況布置陣列，得到當前陣列間距下的裝機容量，并與目標容量對比，如果高于目標容量則增大陣列間距，反之縮小陣列間距，重復上述步驟，找到目標容量下的最大陣列間距； ③通過仿真計算該陣列傾角間距下的光伏系統綜合效率并與前一效率比較，如果系統綜合效率不小于之前的結果， 則降低陣列傾角（以1°為一個步進值），反之則得到前一結果對應的陣列傾角即為系統效率最高的傾角； ④結合前兩步結果， 得到特定區域目標容量下的系統綜合效率最高的陣列間距傾角。

該方法基于逐步查找法， 以系統綜合效率作為評價標準， 使計算結果可以直接反映電站發電量。 同時結合雙面組件系統各主要因素作用下系統綜合效率的變化趨勢， 可以在復雜因素中快速確定系統的最佳設計方案。

圖3 為基于逐步查找法的計算流程。 固定式雙面組件光伏電站可根據該流程圖來進行優化，以提高系統效率和發電量。對于固定式單面系統，此方法仍然適用。

圖3 逐步查找法流程圖Fig.3 Step-by-step search method flow chart

2.3 效果分析

以泗洪領跑者某100 MW 光伏電站項目為例，該電站位于水面，地表反射率較低。 地區的水平峰值利用小時數為1 300 h。 經過實際布置比選，陣列間距最大為8 m，離地高度取1.5 m，反射率取8%。圖4 給出了優化過程PR 效率和綜合效率隨陣列傾角變化的情況。

圖4 傾角與光伏系統效率的變化關系曲線Fig.4 The relationship curve of the tilt angle and photovoltaic system efficiency

3 結論

本文通過分析雙面組件發電系統的輻照模型，結合PVsyst 軟件的模擬結果，研究了不同影響因素作用下的陣列正面和背面的輻照情況，以及合適的系統效率評價標準，主要結論如下。

①雙面組件陣列輻照量主要受到陣列傾角、陣列間距、離地高度、地表反射率等因素影響。 除了傾角外， 輻照量隨其他3 個因素呈單一變化趨勢。

②GB 中的光伏系統綜合效率相較于IEC 更加適合比較不同系統方案的發電量。 特別在雙面組件系統復雜影響條件下， 用綜合效率更加直觀的找到系統最佳方案。

③大型固定傾角光伏電站， 在特定的布置間距下，無論是否采用雙面組件，均可以通過適當降低地區最大輻照量傾斜面傾角來獲取更高的電站發電量收益。

④地面反射率會影響陣列面背面輻照量，在高反射率場景下相比低反射率， 固定式系統最佳傾角會有所提高。對于陣列離地高度而言，根據其對陣列背面輻照量的影響趨勢， 對最佳傾角具有類似的關系。