介紹了雙面光伏組件的類型與特點(diǎn)，通過(guò)幾個(gè)實(shí)例說(shuō)明了雙面光伏組件應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，并提出了雙面光伏組件應(yīng)用尚待研究的一些問(wèn)題。再?gòu)哪莻€(gè)角度望去，曾經(jīng)已不再是曾經(jīng)。驀然，才想起自己已經(jīng)畢業(yè)了。回不去了吧。
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雙面光伏組件的類型及特點(diǎn)
目前，雙面光伏組件有兩條技術(shù)路線，即n型雙面光伏組件和p 型雙面光伏組件。雙面光伏組件按照使用的電池類型主要可以分為3 類，分別是：n-PERT 雙面光伏組件、n-HIT 雙面光伏組件和p-PERC 雙面光伏組件。各類型雙面光伏組件的具體特點(diǎn)如表1 所示。
與傳統(tǒng)光伏組件只能利用正面入射的光照不同，雙面光伏組件的背面也具備光電轉(zhuǎn)換的能力。表征雙面光伏組件的主要參數(shù)除了轉(zhuǎn)換效率之外，還有一個(gè)重要的指標(biāo)是雙面率(Bifaciality)，即背面效率與正面效率的百分比。n-PERT 雙面光伏組件具有少子壽命高、無(wú)光致衰減效應(yīng)、弱光響應(yīng)佳、溫度系數(shù)低的特點(diǎn)；且其雙面率可達(dá)到90%，遠(yuǎn)高于p-PERC 雙面光伏組件，背面發(fā)電量增益更高。在有限的安裝面積中，n-PERT 雙面光伏組件能提供更高的電力輸出。n-HIT 雙面光伏組件結(jié)合了晶體硅光伏組件和硅基薄膜光伏組件的優(yōu)點(diǎn)，此類組件具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱、低溫制造工藝、開(kāi)路電壓高、溫度特性好、光照穩(wěn)定性好、雙面發(fā)電等特點(diǎn)。
p-PERC 雙面光伏組件生產(chǎn)線只需基于現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行少量技術(shù)改造，基本不增加額外成本，性價(jià)比較高。與組件正面超過(guò)20% 的光電轉(zhuǎn)換效率相比，其背面可吸收光線的區(qū)域有限，轉(zhuǎn)換效率在10%～15% 之間。
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含雙面光伏組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 組件安裝傾角的選擇
組件的安裝傾角是影響發(fā)電量的重要因素。采用固定式安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般按光伏組件全年傾斜面上接收到的輻照量最大，即全年發(fā)電量最大來(lái)選擇組件的安裝傾角，該傾角即為最佳安裝傾角。
本文以林洋安徽安慶某市政電站為例進(jìn)行對(duì)比分析。該項(xiàng)目采用285 W 雙面光伏組件，離地高度為1.0 m，分別采用10°、22°( 最佳傾角)、45°傾角布置。組件在不同傾角下的發(fā)電量測(cè)試結(jié)果如表2 所示。
試驗(yàn)表明：
1) 在組件安裝高度為0.5 m 的情況下，相對(duì)于最佳傾角22°，傾角為10°時(shí)，組件發(fā)電量減少了5.49%；傾角為45°時(shí)，組件發(fā)電量減少了2.03%。在組件安裝高度為1.0 m 的情況下，相對(duì)于最佳傾角22°，傾角為10°時(shí)，組件發(fā)電量減少了2.03%；傾角為45°時(shí)，組件發(fā)電量減少了3.19%。由此可知，雙面光伏組件在最佳傾角時(shí)的發(fā)電量最大。
2) 當(dāng)傾角均為10°時(shí)，相對(duì)于最佳傾角22°，安裝高度為0.5 m 的組件發(fā)電量較安裝高度為1.0 m 的組件發(fā)電量減少的多。由此可說(shuō)明，當(dāng)安裝高度增加時(shí)，由于雙面光伏組件背面接收反射輻射的原因，部分補(bǔ)償了由傾角帶來(lái)的發(fā)電量損失。
3) 當(dāng)傾角均為45°時(shí)，相對(duì)于最佳傾角22°，安裝高度為0.5 m 的組件發(fā)電量較安裝高度為1.0 m 的組件發(fā)電量減少。由此可知，傾角增大使雙面光伏組件背面接收反射輻射的效果變差。
2.2 組件安裝高度的選擇
雙面光伏組件如果離地面太低，背面將不能接收反射輻射；而隨著組件安裝高度升高，其背面接收的反射輻射也會(huì)隨之變化。組件最低點(diǎn)離地越高，組件與地面之間的空間越大，其背面可接收周圍反射輻射的面積越大，背面的發(fā)電量也越多。由表2 可以得出，在最佳傾角22°時(shí)，組件的安裝高度由0.5 m 增至1.0 m 時(shí)，其發(fā)電量約增加2.6%。下文以林洋山東某實(shí)證電站的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析。兩組光伏組件的裝機(jī)容量均為50.04kW，均采用正面功率為290 W 的雙面光伏組件，且傾角均為當(dāng)?shù)刈罴褍A角28°，安裝高度分別為1.0 m 和2.0 m。不同安裝高度下的組件發(fā)電量測(cè)試結(jié)果如表3 所示。
測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)組件安裝高度為2.0 m 時(shí)，比安裝高度為1.0 m 的組件發(fā)電量增加2.82%，該值比表2 中最佳傾角為22°時(shí)，組件安裝高度由0.5 m 增至1.0 m 時(shí)發(fā)電量增加的比例更大。這說(shuō)明組件的安裝高度越高，增加的發(fā)電量越多。但隨著組件安裝高度的增加，所需支架材料也會(huì)增多，組件承受的風(fēng)荷載也將增大，安裝和維護(hù)更加不方便。所以，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，認(rèn)為組件的安裝高度不宜超過(guò)2.0m。
2.3 光伏組件- 逆變器容配比的選擇
光伏組件的峰值功率是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC) 下組件的額定最大輸出功率。在實(shí)際工況下，大部分時(shí)間段光伏組件的輸出功率都低于該組件標(biāo)定的峰值。逆變器的額定功率一般是指逆變器交流側(cè)輸出的額定功率。光伏組件- 逆變器容配比( 下文簡(jiǎn)稱“容配比”) 即指光伏組件功率和逆變器功率之比。
光伏組件與逆變器功率匹配的一般原則是根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射、氣溫等外部條件，在不造成發(fā)電量損失的前提下，盡可能充分利用逆變器的容量。
在西藏、青海等高海拔無(wú)電地區(qū)，電子元器件受高海拔條件的影響大，逆變器必須降容使用，因此，這些地區(qū)的容配比小于1。在海拔不超過(guò)1000 m 的地區(qū)，不需要考慮逆變器降容的問(wèn)題，常規(guī)的設(shè)計(jì)思路為容配比等于1。而在太陽(yáng)能資源較差的東部地區(qū)，輻照度基本達(dá)不到STC 要求的1000 W/m2，且受溫度等因素影響，光伏組件大部分時(shí)間的輸出功率達(dá)不到標(biāo)稱功率，逆變器基本為非滿負(fù)荷運(yùn)行，大部分時(shí)間處于容量浪費(fèi)狀態(tài)。
因此，越來(lái)越多的專家提出可通過(guò)容配比大于1 來(lái)提高此類地區(qū)的項(xiàng)目收益。由于雙面光伏組件的背面也具備光電轉(zhuǎn)換的能力，根據(jù)研究結(jié)果，在不同反射背景條件下，雙面光伏組件比傳統(tǒng)單面光伏組件的發(fā)電量可增加10%～30%。而且背景顏色越淺，背景反射率越高，雙面光伏組件的發(fā)電量提升越多。因此，對(duì)于采用雙面光伏組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)，容配比要綜合考慮組件的安裝地理位置、場(chǎng)地背景反射條件等多種因素。總的來(lái)說(shuō)，雙面光伏組件的容配比必須考慮組件背面增發(fā)電量的影響。相較于應(yīng)用傳統(tǒng)光伏組件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用雙面光伏組件的設(shè)計(jì)的容配比應(yīng)降低。
2.4 組件的支架設(shè)計(jì)
光伏支架主要分為固定式支架、傾角手動(dòng)可調(diào)式支架和跟蹤式支架(平單軸/斜單軸/雙軸)等。
1) 固定式支架由于具有成本相對(duì)較低、后期維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。
2) 傾角手動(dòng)可調(diào)式支架的成本稍高，運(yùn)維工作量較固定式支架大，但是通過(guò)在不同的季節(jié)調(diào)整組件傾角可以增加系統(tǒng)的發(fā)電量。
3) 跟蹤式支架能夠很好地控制組件的朝向或傾角，甚至可同時(shí)調(diào)節(jié)兩者，能夠進(jìn)一步增加發(fā)電量。但跟蹤式支架的成本較高，后期維護(hù)工作量較大。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，與相同容量配置的固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，采用平單軸跟蹤式支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可提高約15%，采用斜單軸跟蹤式支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可提高約20%，采用雙軸跟蹤式支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可提高37%～50%。另外，文獻(xiàn)提出了一種適用于山地、灘涂、漁塘等地的柔性支架，其采用在兩固定點(diǎn)之間張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線的方式，將光伏組件固定在張緊于兩柱間的鋼絞線上；兩固定點(diǎn)采用鋼性基礎(chǔ)提供反力，可實(shí)現(xiàn)10～30 m 大間距，以滿足不同地形的需要。
傳統(tǒng)的光伏支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮支架自重，以及在風(fēng)荷載、雪荷載、施工檢修荷載、地震作用等不同荷載組合影響下，支架滿足強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性要求，并符合抗震、風(fēng)、防腐等條件，滿足30 年的使用壽命要求，便于安裝和維修且造價(jià)合理。由于雙面光伏組件的正面和背面均具有光電轉(zhuǎn)換能力，為了盡可能地利用太陽(yáng)光，必須考慮避免支架檁條對(duì)組件背面遮擋的影響。因此，雙面光伏組件的支架檁條必須位于組件邊緣。同時(shí)，還應(yīng)盡可能避免其他電氣設(shè)備( 如組串式逆變器)等對(duì)組件背面造成遮擋。
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問(wèn)題與建議
由于雙面光伏組件正反兩面都可以接收太陽(yáng)光從而發(fā)電，因此其應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，比如其可以用作圍墻、隔音墻等垂直安裝。垂直安裝的雙面光伏組件不僅可減少占地面積、節(jié)省安裝空間、降低安裝成本，而且組件表面不易積塵、不積雨雪、自潔能力強(qiáng)。但是垂直安裝的雙面光伏組件與采用最佳傾角安裝的雙面光伏組件相比，在不同方位、不同場(chǎng)景條件下發(fā)電量降低的比例是多少，目前還缺乏系統(tǒng)的研究。若雙面光伏組件應(yīng)用于跟蹤系統(tǒng)時(shí)其增加的發(fā)電量比例是多少？雙面光伏組件一般不帶邊框，其應(yīng)用于跟蹤系統(tǒng)時(shí)是否會(huì)造成組件隱裂？諸如此類問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。
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結(jié)語(yǔ)
由于雙面光伏組件具有雙面發(fā)電的特性，本文對(duì)應(yīng)用雙面光伏組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論：
1) 應(yīng)用雙面光伏組件時(shí)應(yīng)按最佳傾角布置。
2) 組件的安裝高度越高，增發(fā)電量越多，但是安裝高度不宜超過(guò)2.0 m；并且隨著傾角的增大，組件背面接收的反射輻射減弱。
3) 雙面光伏組件的容配比必須綜合考慮組件背面的增發(fā)電量，以及組件安裝的地理位置、場(chǎng)地背景反射條件等多種因素。
4) 應(yīng)避免雙面光伏組件的支架對(duì)組件背面造成遮擋，支架檁條必須位于組件邊緣，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)配置和最大發(fā)電量增益。
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