基于戶外并網光伏電站運行數據的 雙面光伏組件發電性能研究

鐘根香，胡錚龍，張要鋒

(1. 光伏發電系統控制與優化湖南省工程實驗室，湘潭 411104；2. 湖南理工職業技術學院，湘潭 411104)

0 引言

光伏發電作為一種綠色能源，相關的技術及應用均取得了突飛猛進的發展，且已逐步實現平價上網。隨著碳達峰和碳中和目標(即“雙碳”目標)要求的提出，中國的光伏電站建設將迎來新的熱潮，太陽能將成為未來主要的能源之一。

在實際運行的戶外光伏電站中，光伏發電系統的發電情況會受各部件性能、環境及運維等各方面因素的影響。光伏發電系統各部件性能中，光伏組件作為核心部件，其性能會直接影響系統的發電收益。雙面光伏組件產品因其背面也可受光發電，可顯著提升光伏發電系統的發電性能[1-4]，近幾年來得到迅速推廣應用。p型PERC及n型PERT等雙面太陽電池技術均在規模化量產的基礎上取得了持續提升[5-8]，光電轉換效率不斷攀升。雙面光伏組件將逐步取代傳統的單面光伏組件，成為市場主流產品[9]。另外，環境因素具有復雜而多變的特點，也是影響光伏發電系統發電收益的重要因素之一。不同地域的環境氣候條件具有不同的特點，這也使不同光伏產品在不同地域條件下的發電性能存在差異。總結分析各個區域實際戶外光伏電站的運行數據，對指導光伏產品設計及選型、光伏發電系統設計、光伏電站投資決策、光伏電站交易等均具有重要的意義。

光伏電站建設成本的逐步降低，為光伏發電在光照資源較差的中國中東部地區的擴大應用創造了條件。由于光照資源條件不夠豐富，中東部地區在光伏應用方面的發展遠不如中國西部等地區，實際應用方面的數據累積不足。其中，湖南省作為中國中部地區光照資源較差的典型代表之一，省內各地的年太陽總輻照量在4000 MJ/m2左右。由于光照資源方面的弱勢，湖南省總體的光伏發電應用在全國相對落后，但隨著“雙碳”目標的提出及光伏電站成本的日漸下降，未來湖南省的光伏發電發展具有巨大潛力。

本文在湖南省湘潭市區搭建了光伏電站實證平臺，以該平臺中戶外并網光伏電站的運行數據作為研究對象，全面分析了雙面光伏組件的發電性能，可為光伏產品的優化、中部地區的光伏發電系統的設計及設備選型提供可靠參考。

1 光伏電站實證平臺的搭建

本研究的光伏電站實證平臺建設于湖南省湘潭市區的一座建筑屋頂上，選擇的光伏組件均由一線光伏制造企業生產，光伏組件類型涵蓋市場主流產品及前沿產品，涉及不同的硅片、太陽電池及光伏組件技術。

光伏電站中，雙面光伏組件有p型PERC光伏組件及n型PERT光伏組件，并于同期安裝了傳統的單面光伏組件進行對比分析。為了對比結果的準確性，相同或相近類型的產品均取自同一生產企業，同一類型產品均來源于同一批次。

光伏電站所在建筑屋頂為帶有女兒墻的水泥地面平屋頂，光伏組件安裝方式采用水泥基礎搭配光伏支架安裝，光伏支架類型包括固定式光伏支架、平單軸跟蹤支架系統、斜單軸跟蹤支架系統、雙軸跟蹤支架系統4種。現場測量當地緯度為27°50′39′；固定式光伏支架的朝向設定為朝南，光伏方陣的安裝傾角設計為19°，光伏組件安裝時最下沿離地高度約為80 cm。

光伏電站中采用不同光伏支架安裝的光伏方陣實景圖如圖1所示。

圖1 光伏電站中采用不同光伏支架安裝的光伏方陣實景圖Fig. 1 Photos of PV array installed with different PV brackets in PV power station

光伏電站的裝機容量為59.5 kW，其中，雙面光伏組件均按正面功率統計。根據研究需要，每個光伏方陣按裝機容量配備獨立光伏逆變器，以保證光伏方陣間的獨立，互不干擾。光伏逆變器交流輸出匯流至交流配電柜，并經并網計量箱以380 V電壓等級接入電網。

同時，光伏電站實證平臺現場安裝了環境監測儀，可測試環境溫度、環境濕度、風速、風向、太陽總輻射量等各項參數。光伏電站中各光伏逆變器、環境監測儀均接入到集中監控運維中心，實時采集各設備的運行參數，監測光伏電站的運行情況。通過集中監控運維中心可及時發現光伏電站運行過程中的異常，第一時間進行故障排除，以保證光伏電站中各設備的穩定運行。該光伏電站于2020年9月底并網運行，本研究主要基于2020年10月—2021年9月這1年的運行數據進行分析。

2 實證結果分析

2.1 當地的光照資源分析

湖南省位于長江以南，緯度偏低，為大陸性特征明顯的亞熱帶季風性濕潤氣候，雨水充沛，光照不足。測試期內湘潭地區的天氣情況統計如圖2所示。

圖2 測試期內湘潭地區的天氣情況統計Fig. 2 Statistics of weather conditions in Xiangtan area during test period

從圖2可以看出：測試期內，湘潭地區全年陰、雨天氣天數較多，晴、多云天氣的天數占比不足一半，特別是進入春季后出現連續的陰、雨天氣，3、4、5月的陰、雨天氣的天數占比達80%以上。

在這種氣候條件下，光伏電站所在地總體的光照資源較差。以采用固定式光伏支架時光伏方陣設計安裝傾角的傾斜面為參照，得到測試期內光伏電站現場測量的太陽輻照數據，具體如圖3所示。

圖3 測試期內，光伏電站現場測量得到的光伏方陣設計 安裝傾角下傾斜面太陽輻照數據Fig. 3 During test period，solar irradiation data of inclined plane under design installation angle of PV array obtained from on-site measurement of PV power station

從圖3可以看出：2020年10月—2021年9月這1年的時間中，光伏方陣設計安裝傾角下傾斜面累計太陽輻照量約為3953 MJ/m2。其中，在2—4月的雨季期間，每月的太陽輻照量不足300 MJ/m2，其中最低為4月，太陽輻照量僅為180 MJ/m2；夏、秋季的太陽輻照量相對較高，6—9月期間，每月的太陽輻照量可保持在400 MJ/m2以上，9月達到了519 MJ/m2。但從這些數據可以看出，與中國西部地區相比，中部地區在發展光伏發電的自然條件方面確實存在一定的劣勢。

2.2 光伏電站的總體發電情況

光伏電站的裝機容量為59.5 kW，在2020年10月—2021年9月的1年時間中，光伏電站的總發電量為6.45萬kWh，平均年每瓦發電量約為1.08 kWh。測試期內，光伏電站的月發電量情況如圖4所示。

從圖4可以看出：測試的1年中，光伏電站各月的發電量存在較大的波動，月發電量最低的僅約3200 kWh，最高的超過8000 kWh。

圖4 測試期內，光伏電站的月發電量情況Fig. 4 Monthly power generation capacity of PV power station during test period

太陽輻照情況是決定光伏發電收益最主要的因素之一，對比圖4與圖3可以看出：測試期內，光伏電站各月的發電量與太陽輻照量具有明顯的相關性，但并不是完全一致。存在偏差的原因可能是：1)圖3的太陽輻照量數據僅為采用固定式光伏支架時光伏方陣設計安裝傾角下傾斜面的數據，針對雙面光伏組件及跟蹤支架系統的太陽輻照量數據不全面；2)光伏電站的實際發電情況還受環境溫度等其他因素的影響。

2.3 雙面光伏組件的發電優勢分析

目前，雙面光伏組件已逐漸成為市場主流，針對本光伏電站安裝的p型PERC雙面光伏組件及n型PERT雙面光伏組件的發電性能進行分析。對比的光伏方陣均采用固定式光伏支架安裝，裝機容量統一按雙面光伏組件正面功率進行計算。測試期內，不同類型光伏組件的數據對比如表1所示。

表1 測試期內，不同類型光伏組件的數據對比Table 1 Data comparison of different types of PV modules during test period

從表1可以看出：在測試的1年中，傳統PERC單面光伏組件的年均每瓦發電量不足1 kWh，而兩種雙面光伏組件的年均每瓦發電量均超過了1 kWh，在發電性能方面體現出了明顯的優勢。進一步分析可知：在測試期內，p型PERC雙面光伏組件的年均每瓦發電量較傳統PERC單面光伏組件的高4.6%；而n型PERT雙面光伏組件的年均每瓦發電量更為可觀，約比傳統PERC單面光伏組件的高14%。

光伏電站位于建筑屋頂，地面條件為正常的水泥地面，地面反射率約為30%。對于雙面光伏組件而言，其背面接收的光可獲得發電增益，在首年發電量的比較中，n型PERT雙面光伏組件具有優勢。測試期內，兩種雙面光伏組件各月的發電性能對比如圖5所示。

圖5 測試期內，兩種雙面光伏組件各月的發電性能對比Fig. 5 Comparison of monthly power generation performance of two types of bifacial PV modules during test period

由圖5可知：測試期內，在前9個月中，兩種雙面光伏組件的月均每瓦發電量情況差異不大，甚至前4個月中p型PERC雙面光伏組件的發電性能還略優于n型PERT雙面光伏組件的發電性能；p型PERC雙面光伏組件的月均每瓦發電量自第5個月開始略低，至第10個月(即2021年7月)開始，兩種雙面光伏組件的月均每瓦發電量情況出現較大的差異。

對比兩種雙面光伏組件的峰值功率雙面系數(峰值功率雙面系數=背面峰值功率/正面峰值功率×100%)，p型PERC雙面光伏組件的峰值功率雙面系數約為75%，n型PERT雙面光伏組件的峰值功率雙面系數約為80%，二者差異并不大。從圖5中測試期前期的月每瓦發電量數據也可以看出，峰值功率雙面系數的細微差別并沒有帶來發電量上的明顯差異。而測試期后期p型PERC雙面光伏組件的月每瓦發電量顯著下降，初步分析是由硅片中硼、氧及其他雜質帶來的功率衰減較高所引起的。

2.4 跟蹤支架系統的發電性能分析

跟蹤支架系統可以有效提升光伏組件發電量，中國近幾年在跟蹤支架系統方面的研發、制造及應用均得到了較好的發展。本研究的光伏電站中安裝了不同類型的跟蹤支架系統，包括平單軸、斜單軸及雙軸跟蹤支架系統。

在測試期內，對固定式光伏支架及不同類型跟蹤支架系統條件下的雙面光伏組件的發電數據進行跟蹤，均安裝同一批次的p型PERC雙面光伏組件，同一時間安裝及并網發電。測試期內，采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件的年發電情況對比如圖6所示。

圖6 采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件的 年發電情況對比Fig. 6 Comparison of annual power generation capacity of bifacial PV modules with different types of PV brackets

從圖6可以看出：與采用固定式光伏支架的雙面光伏組件相比，采用不同跟蹤支架系統的雙面光伏組件的年每瓦發電量增益明顯，增益均接近或達到20%以上，其中采用平單軸跟蹤支架系統的雙面光伏組件的年每瓦發電量增益為19.6%，采用斜單軸跟蹤支架系統的雙面光伏組件的年每瓦發電量增益為24.5%，采用雙軸跟蹤支架系統的雙面光伏組件的年每瓦發電量增益為24.6%。按年每瓦發電量增益由小到大的順序排列為：平單軸跟蹤支架系統＜斜單軸跟蹤支架系統＜雙軸跟蹤支架系統，該趨勢與預期是一致的。從圖中的數據還可以看出，雖然與固定式光伏支架相比較，采用跟蹤支架系統的雙面光伏組件的發電增益明顯，但是幾種跟蹤支架系統之間的差異卻并不大。由于湖南省屬于低緯度地區，因此從幾種跟蹤支架系統的成本角度比較，雙面光伏組件采用平單軸跟蹤支架系統最具性價比。

進一步對采用固定式光伏支架及不同跟蹤支架系統的雙面光伏組件各月的發電情況進行對比，將采用固定式光伏支架的雙面光伏組件月每瓦發電量作為參照，計算采用各跟蹤支架系統的雙面光伏組件月每瓦發電量與其的比值。采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件月發電情況對比結果如圖7所示。為了更好地觀察變化規律，圖中增加了2021年10月的數據。

圖7 采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件 月發電情況對比Fig. 7 Comparison of monthly power generation capacity of bifacial PV modules with different types of PV brackets

從圖7可以看出：不同月份的發電量增益存在較大差異。對照前文的太陽輻照量數據可以看出：光照條件好時，整體的月發電量比值有增大的趨勢，即發電量增益增大，在2021年9月，與采用固定式光伏支架的雙面光伏組件相比，采用各跟蹤支架系統的雙面光伏組件月每瓦發電量增益達到50%以上。綜合比較來看，在夏季光照條件較好的時期，采用平單軸跟蹤支架系統的雙面光伏組件月發電量增益較為明顯，而在春季，采用雙軸跟蹤支架系統的雙面光伏組件月發電量增益更高。對比2020年10月及2021年10月采用不同跟蹤支架系統的雙面光伏組件月發電量增益情況，其規律是一致的。

3 結論

本文在湖南省湘潭地區某建筑屋頂建設光伏電站實證平臺，跟蹤分析了該平臺中戶外并網光伏電站2020年10月—2021年9月這1年間的運行實證數據，全面分析了雙面光伏組件的發電性能。研究結果顯示：

1)光伏電站所在地湘潭地區全年陰、雨天氣的天數占總天數的比例較高，3、4、5月陰、雨天氣的天數占比高達80%；實測得到光伏方陣設計安裝傾角下傾斜面年太陽總輻照量為3953 MJ/m2。

2)測試期內，傳統PERC單面光伏組件的年均每瓦發電量為0.982 kWh；在光伏電站所在地的水泥地面條件下，與傳統PERC單面光伏組件相比，p型PERC雙面光伏組件的年均每瓦發電量增益為4.6%，n型PERT雙面光伏組件的年均每瓦發電量增益為14%；兩種雙面光伏組件的發電情況在前9個月基本相當，差異主要體現在第10個月之后。

3)與采用固定式光伏支架的雙面光伏組件相比，采用不同類型的跟蹤支架系統的雙面光伏組件均體現出了明顯的發電優勢，分別采用平單軸、斜單軸及雙軸跟蹤支架系統的雙面光伏組件年每瓦發電量增益分別達到19.6%、24.5%、24.6%；考慮成本等因素綜合來看，在光伏電站所在地，雙面光伏組件采用平單軸跟蹤支架系統更具性價比。