基于户外并网光伏电站运行数据的,双面光伏组件发电性能研究
时间：2023-04-24 18:05:12 来源：千叶帆 本文已影响人
钟根香，胡铮龙，张要锋
(1. 光伏发电系统控制与优化湖南省工程实验室，湘潭 411104；
2. 湖南理工职业技术学院，湘潭 411104)
光伏发电作为一种绿色能源，相关的技术及应用均取得了突飞猛进的发展，且已逐步实现平价上网。随着碳达峰和碳中和目标(即“双碳”目标)要求的提出，中国的光伏电站建设将迎来新的热潮，太阳能将成为未来主要的能源之一。
在实际运行的户外光伏电站中，光伏发电系统的发电情况会受各部件性能、环境及运维等各方面因素的影响。光伏发电系统各部件性能中，光伏组件作为核心部件，其性能会直接影响系统的发电收益。双面光伏组件产品因其背面也可受光发电，可显著提升光伏发电系统的发电性能[1-4]，近几年来得到迅速推广应用。p型PERC及n型PERT等双面太阳电池技术均在规模化量产的基础上取得了持续提升[5-8]，光电转换效率不断攀升。双面光伏组件将逐步取代传统的单面光伏组件，成为市场主流产品[9]。另外，环境因素具有复杂而多变的特点，也是影响光伏发电系统发电收益的重要因素之一。不同地域的环境气候条件具有不同的特点，这也使不同光伏产品在不同地域条件下的发电性能存在差异。总结分析各个区域实际户外光伏电站的运行数据，对指导光伏产品设计及选型、光伏发电系统设计、光伏电站投资决策、光伏电站交易等均具有重要的意义。
光伏电站建设成本的逐步降低，为光伏发电在光照资源较差的中国中东部地区的扩大应用创造了条件。由于光照资源条件不够丰富，中东部地区在光伏应用方面的发展远不如中国西部等地区，实际应用方面的数据累积不足。其中，湖南省作为中国中部地区光照资源较差的典型代表之一，省内各地的年太阳总辐照量在4000 MJ/m2左右。由于光照资源方面的弱势，湖南省总体的光伏发电应用在全国相对落后，但随着“双碳”目标的提出及光伏电站成本的日渐下降，未来湖南省的光伏发电发展具有巨大潜力。
本文在湖南省湘潭市区搭建了光伏电站实证平台，以该平台中户外并网光伏电站的运行数据作为研究对象，全面分析了双面光伏组件的发电性能，可为光伏产品的优化、中部地区的光伏发电系统的设计及设备选型提供可靠参考。
本研究的光伏电站实证平台建设于湖南省湘潭市区的一座建筑屋顶上，选择的光伏组件均由一线光伏制造企业生产，光伏组件类型涵盖市场主流产品及前沿产品，涉及不同的硅片、太阳电池及光伏组件技术。
光伏电站中，双面光伏组件有p型PERC光伏组件及n型PERT光伏组件，并于同期安装了传统的单面光伏组件进行对比分析。为了对比结果的准确性，相同或相近类型的产品均取自同一生产企业，同一类型产品均来源于同一批次。
光伏电站所在建筑屋顶为带有女儿墙的水泥地面平屋顶，光伏组件安装方式采用水泥基础搭配光伏支架安装，光伏支架类型包括固定式光伏支架、平单轴跟踪支架系统、斜单轴跟踪支架系统、双轴跟踪支架系统4种。现场测量当地纬度为27°50′39′；
固定式光伏支架的朝向设定为朝南，光伏方阵的安装倾角设计为19°，光伏组件安装时最下沿离地高度约为80 cm。
光伏电站中采用不同光伏支架安装的光伏方阵实景图如图1所示。
图1 光伏电站中采用不同光伏支架安装的光伏方阵实景图Fig. 1 Photos of PV array installed with different PV brackets in PV power station
光伏电站的装机容量为59.5 kW，其中，双面光伏组件均按正面功率统计。根据研究需要，每个光伏方阵按装机容量配备独立光伏逆变器，以保证光伏方阵间的独立，互不干扰。光伏逆变器交流输出汇流至交流配电柜，并经并网计量箱以380 V电压等级接入电网。
同时，光伏电站实证平台现场安装了环境监测仪，可测试环境温度、环境湿度、风速、风向、太阳总辐射量等各项参数。光伏电站中各光伏逆变器、环境监测仪均接入到集中监控运维中心，实时采集各设备的运行参数，监测光伏电站的运行情况。通过集中监控运维中心可及时发现光伏电站运行过程中的异常，第一时间进行故障排除，以保证光伏电站中各设备的稳定运行。该光伏电站于2020年9月底并网运行，本研究主要基于2020年10月—2021年9月这1年的运行数据进行分析。
2.1 当地的光照资源分析
湖南省位于长江以南，纬度偏低，为大陆性特征明显的亚热带季风性湿润气候，雨水充沛，光照不足。测试期内湘潭地区的天气情况统计如图2所示。
图2 测试期内湘潭地区的天气情况统计Fig. 2 Statistics of weather conditions in Xiangtan area during test period
从图2可以看出：测试期内，湘潭地区全年阴、雨天气天数较多，晴、多云天气的天数占比不足一半，特别是进入春季后出现连续的阴、雨天气，3、4、5月的阴、雨天气的天数占比达80%以上。
在这种气候条件下，光伏电站所在地总体的光照资源较差。以采用固定式光伏支架时光伏方阵设计安装倾角的倾斜面为参照，得到测试期内光伏电站现场测量的太阳辐照数据，具体如图3所示。
图3 测试期内，光伏电站现场测量得到的光伏方阵设计 安装倾角下倾斜面太阳辐照数据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
从图3可以看出：2020年10月—2021年9月这1年的时间中，光伏方阵设计安装倾角下倾斜面累计太阳辐照量约为3953 MJ/m2。其中，在2—4月的雨季期间，每月的太阳辐照量不足300 MJ/m2，其中最低为4月，太阳辐照量仅为180 MJ/m2；
夏、秋季的太阳辐照量相对较高，6—9月期间，每月的太阳辐照量可保持在400 MJ/m2以上，9月达到了519 MJ/m2。但从这些数据可以看出，与中国西部地区相比，中部地区在发展光伏发电的自然条件方面确实存在一定的劣势。
2.2 光伏电站的总体发电情况
光伏电站的装机容量为59.5 kW，在2020年10月—2021年9月的1年时间中，光伏电站的总发电量为6.45万kWh，平均年每瓦发电量约为1.08 kWh。测试期内，光伏电站的月发电量情况如图4所示。
从图4可以看出：测试的1年中，光伏电站各月的发电量存在较大的波动，月发电量最低的仅约3200 kWh，最高的超过8000 kWh。
图4 测试期内，光伏电站的月发电量情况Fig. 4 Monthly power generation capacity of PV power station during test period
太阳辐照情况是决定光伏发电收益最主要的因素之一，对比图4与图3可以看出：测试期内，光伏电站各月的发电量与太阳辐照量具有明显的相关性，但并不是完全一致。存在偏差的原因可能是：1)图3的太阳辐照量数据仅为采用固定式光伏支架时光伏方阵设计安装倾角下倾斜面的数据，针对双面光伏组件及跟踪支架系统的太阳辐照量数据不全面；
2)光伏电站的实际发电情况还受环境温度等其他因素的影响。
2.3 双面光伏组件的发电优势分析
目前，双面光伏组件已逐渐成为市场主流，针对本光伏电站安装的p型PERC双面光伏组件及n型PERT双面光伏组件的发电性能进行分析。对比的光伏方阵均采用固定式光伏支架安装，装机容量统一按双面光伏组件正面功率进行计算。测试期内，不同类型光伏组件的数据对比如表1所示。
表1 测试期内，不同类型光伏组件的数据对比Table 1 Data comparison of different types of PV modules during test period
从表1可以看出：在测试的1年中，传统PERC单面光伏组件的年均每瓦发电量不足1 kWh，而两种双面光伏组件的年均每瓦发电量均超过了1 kWh，在发电性能方面体现出了明显的优势。进一步分析可知：在测试期内，p型PERC双面光伏组件的年均每瓦发电量较传统PERC单面光伏组件的高4.6%；
而n型PERT双面光伏组件的年均每瓦发电量更为可观，约比传统PERC单面光伏组件的高14%。
光伏电站位于建筑屋顶，地面条件为正常的水泥地面，地面反射率约为30%。对于双面光伏组件而言，其背面接收的光可获得发电增益，在首年发电量的比较中，n型PERT双面光伏组件具有优势。测试期内，两种双面光伏组件各月的发电性能对比如图5所示。
图5 测试期内，两种双面光伏组件各月的发电性能对比Fig. 5 Comparison of monthly power generation performance of two types of bifacial PV modules during test period
由图5可知：测试期内，在前9个月中，两种双面光伏组件的月均每瓦发电量情况差异不大，甚至前4个月中p型PERC双面光伏组件的发电性能还略优于n型PERT双面光伏组件的发电性能；
p型PERC双面光伏组件的月均每瓦发电量自第5个月开始略低，至第10个月(即2021年7月)开始，两种双面光伏组件的月均每瓦发电量情况出现较大的差异。
对比两种双面光伏组件的峰值功率双面系数(峰值功率双面系数=背面峰值功率/正面峰值功率×100%)，p型PERC双面光伏组件的峰值功率双面系数约为75%，n型PERT双面光伏组件的峰值功率双面系数约为80%，二者差异并不大。从图5中测试期前期的月每瓦发电量数据也可以看出，峰值功率双面系数的细微差别并没有带来发电量上的明显差异。而测试期后期p型PERC双面光伏组件的月每瓦发电量显著下降，初步分析是由硅片中硼、氧及其他杂质带来的功率衰减较高所引起的。
2.4 跟踪支架系统的发电性能分析
跟踪支架系统可以有效提升光伏组件发电量，中国近几年在跟踪支架系统方面的研发、制造及应用均得到了较好的发展。本研究的光伏电站中安装了不同类型的跟踪支架系统，包括平单轴、斜单轴及双轴跟踪支架系统。
在测试期内，对固定式光伏支架及不同类型跟踪支架系统条件下的双面光伏组件的发电数据进行跟踪，均安装同一批次的p型PERC双面光伏组件，同一时间安装及并网发电。测试期内，采用不同类型光伏支架的双面光伏组件的年发电情况对比如图6所示。
图6 采用不同类型光伏支架的双面光伏组件的 年发电情况对比Fig. 6 Comparison of annual power generation capacity of bifacial PV modules with different types of PV brackets
从图6可以看出：与采用固定式光伏支架的双面光伏组件相比，采用不同跟踪支架系统的双面光伏组件的年每瓦发电量增益明显，增益均接近或达到20%以上，其中采用平单轴跟踪支架系统的双面光伏组件的年每瓦发电量增益为19.6%，采用斜单轴跟踪支架系统的双面光伏组件的年每瓦发电量增益为24.5%，采用双轴跟踪支架系统的双面光伏组件的年每瓦发电量增益为24.6%。按年每瓦发电量增益由小到大的顺序排列为：平单轴跟踪支架系统＜斜单轴跟踪支架系统＜双轴跟踪支架系统，该趋势与预期是一致的。从图中的数据还可以看出，虽然与固定式光伏支架相比较，采用跟踪支架系统的双面光伏组件的发电增益明显，但是几种跟踪支架系统之间的差异却并不大。由于湖南省属于低纬度地区，因此从几种跟踪支架系统的成本角度比较，双面光伏组件采用平单轴跟踪支架系统最具性价比。
进一步对采用固定式光伏支架及不同跟踪支架系统的双面光伏组件各月的发电情况进行对比，将采用固定式光伏支架的双面光伏组件月每瓦发电量作为参照，计算采用各跟踪支架系统的双面光伏组件月每瓦发电量与其的比值。采用不同类型光伏支架的双面光伏组件月发电情况对比结果如图7所示。为了更好地观察变化规律，图中增加了2021年10月的数据。
图7 采用不同类型光伏支架的双面光伏组件 月发电情况对比Fig. 7 Comparison of monthly power generation capacity of bifacial PV modules with different types of PV brackets
从图7可以看出：不同月份的发电量增益存在较大差异。对照前文的太阳辐照量数据可以看出：光照条件好时，整体的月发电量比值有增大的趋势，即发电量增益增大，在2021年9月，与采用固定式光伏支架的双面光伏组件相比，采用各跟踪支架系统的双面光伏组件月每瓦发电量增益达到50%以上。综合比较来看，在夏季光照条件较好的时期，采用平单轴跟踪支架系统的双面光伏组件月发电量增益较为明显，而在春季，采用双轴跟踪支架系统的双面光伏组件月发电量增益更高。对比2020年10月及2021年10月采用不同跟踪支架系统的双面光伏组件月发电量增益情况，其规律是一致的。
本文在湖南省湘潭地区某建筑屋顶建设光伏电站实证平台，跟踪分析了该平台中户外并网光伏电站2020年10月—2021年9月这1年间的运行实证数据，全面分析了双面光伏组件的发电性能。研究结果显示：
1)光伏电站所在地湘潭地区全年阴、雨天气的天数占总天数的比例较高，3、4、5月阴、雨天气的天数占比高达80%；
实测得到光伏方阵设计安装倾角下倾斜面年太阳总辐照量为3953 MJ/m2。
2)测试期内，传统PERC单面光伏组件的年均每瓦发电量为0.982 kWh；
在光伏电站所在地的水泥地面条件下，与传统PERC单面光伏组件相比，p型PERC双面光伏组件的年均每瓦发电量增益为4.6%，n型PERT双面光伏组件的年均每瓦发电量增益为14%；
两种双面光伏组件的发电情况在前9个月基本相当，差异主要体现在第10个月之后。
3)与采用固定式光伏支架的双面光伏组件相比，采用不同类型的跟踪支架系统的双面光伏组件均体现出了明显的发电优势，分别采用平单轴、斜单轴及双轴跟踪支架系统的双面光伏组件年每瓦发电量增益分别达到19.6%、24.5%、24.6%；
考虑成本等因素综合来看，在光伏电站所在地，双面光伏组件采用平单轴跟踪支架系统更具性价比。
