快速计算双面组件发电量增益的方法

本文翻译自德国solarworld的文章Calculating the additional energy yield of bifacial solar modules。坎德拉PV双面组件发电量计算采用此文中的模型,小程序链接见文末

 

1、  前言

双面组件顾名思义就是正、反面都能发电的组件。当太阳光照到双面组件的时候,会有部分光线被周围的环境反射到双面组件的背面,这部分光可以被电池吸收,从而对电池的光电流和效率产生一定的贡献。尽管双面电池的发展可以追溯到上世纪70年代,但当时的技术仍基于较为复杂的电池结构,因此成本较高,直接制约了其在市场领域的发展。哈梅林太阳能研究所(ISFH)德国光伏制造巨头SolarWorld,这两家起初相互独立后来合并在一起的公司,在2015年开始致力于双面PERC太阳能电池的研发,为其双面组件的市场化奠定了基础。

下文详细阐述了组件安装高度、地表反射率对发电增益的影响,地表反射率的测试方法,针对不同的安装条件,给出了典型的安装参数以及逆变器选型方法。

 

2、  双面电池技术

同常规单晶电池相比,双面光伏组件在正面直接照射的太阳光和背面接收的太阳反射光下,都能进行发电。早在上世纪80年代,Cuevas等人报道了双面组件使用特殊的聚光系统后,其发电增益可达到50%。当前双面电池主要基于复杂的电池结构,如基于N型衬底双面或异质结结构的双面电池。然而,这些双面电池面临的挑战是它们通常需要在硅片两面丝网印刷银(Ag)子栅电极,因此需要消耗大量昂贵的Ag浆材料,从而推高了制造成本。

2015年,SolarWorld联合ISFH推出了名为“PERC+”的双面PERC太阳能电池,该太阳能电池在电池背面采用丝网印刷Al子栅电极,代替传统全尺寸Al背电极,Al浆消耗量大幅减少,前表面效率和背面效率分别达到21.5%16.7% 

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1 PERC双面电池截面结构

3、双面组件

根据双面电池的封装技术可分为双面双玻组件、双面(带边框)组件,其中双面双玻组件采用双层玻璃+无边框结构,双面(带边框)组件采用透明背板+边框形式。主流结构的双玻双面组件,具有生命周期较长、低衰减率、耐候性、防火等级高、散热性好、绝缘性、易清洗、更高的发电效率等优势。

双面组件的重要表征参数为双面发电系数BF,在STC条件下,反映了背面最大功率和正面最大功率的比值。

 

4、发电增益的影响因素

双面组件发电增益主要取决于两点:地表反射率和组件的安装高度。太阳直接辐射和散射光到达地面后会被反射,有一部分将被反射到组件的背面。当组件最低点离地高度为0.5米时,使用TPO高反射率材料,双面发电的增益可达到25%。

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图2 组件背面接收辐射来源

4.1 地表反射率

地表反射率是指地面反射辐射量与入射辐射量之比,表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大,地面吸收太阳辐射越少; 反射率越小,地面吸收太阳辐射越多。如混凝土,为16%。灰色防水材料可达到62%,白色防水材料(主要和厚度和类型)可能会在80%以上。

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图3 不同材质的地表反射率

地表反射率的大小取决于材料的颜色、厚度和表面的平整度,随着时间的推移,如材料老化、表面脏污都会影响反射率。

如TPO屋顶材料最初可达到88%的反射率,但是过几年以后,可能会下降至75%。因此安装环境对材料反射率的影响较大,对于污染积灰严重而雨水较少的区域,为了保证反射率不受到影响,需要经常进行清洗。

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图4 左)白漆屋面 右)白砂砾

4.2 反射率的测试方法

反射率的测试可以使用反射计,也可以使用光伏组件和万用表进行测试,测试时尽量选择在晴天无云中午时段,反射率和太阳入射角、组件安装倾角均无关,因此可通过测试组件的短路电流进行计算。

测试时组件的高度应足够,保证边框、组件或者人对背面没有直接的影子;同时,测试时,应选择至少三个随机的有代表性的位置进行测试。

首先将组件的安装倾角调整为水平,组件的背面朝向天空,测试组件的ISCsky,其次,将组件的安装倾角调整为0度,组件的背面朝向地面,测试组件的ISCground,那么测试点的反射率为:ISCsky/ISCground

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4.3 组件安装高度的影响

组件离地高度是背面增益的第2个影响因素,如图6所示,其中组件为单排横向安装,组件前后间距为2.5米,地面的反射率80%

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图6

当离地高度为0.2米,背面的发电增益为15%,当离地高度为1米时,背面的发电增益接近20%

从曲线上的数据可知,当离地高度在0.5米以下,发电增益随组件离地高度的变化较为明显,而高度在0.5米以上时,发电增益随高度的增加后较为缓慢,而1米以上基本上是一个饱和点。因此,设计时需要根据发电量、当地的风载荷、安装场地的面积、安装的土地平整度等选择最佳的安装高度。

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5、发电增益的计算公式

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其中:

a = 1.037

A = 组件前后间距

E = 2.718

B = 8.691

H = 组件最低点和地面之间的距离

c = 0.125

适用范围:组件倾角10°至30°,组件朝向正南,组件安装方式为横向或纵向。

8为使用上述公式得到的在不同的安装高度、不同的反射率下的发电增益,其中组件安装方式为横向安装,双面因子65%,组件正向朝南,倾角30度,间距2.5米。

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温馨提示:以上计算方法已经包含在“坎德拉PV”中。

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原文题目: Calculating the additional energy yield of bifacial solar modules, SolarWorld(翻译时有节选)

原文始发于微信公众号(坎德拉学院):快速计算双面组件发电量增益的方法

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