反光材料在光伏電站中的應(yīng)用*

榮丹丹，蔣京娜，倪健雄，何　毅

（1. 光伏材料與技術(shù)國家重點實驗室，河北 保定 071051；2. 英利能源（中國）有限公司，河北 保定 071051）

0　前　言

隨著全球化石資源日趨枯竭，能源危機和環(huán)境問題日益嚴峻，人類不斷采取措施減少化石能源的消耗，大力開發(fā)太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能以及核聚變能等新能源技術(shù)。太陽能作為一種清潔、高效、取之不盡的新能源被廣泛利用在各個領(lǐng)域。光伏發(fā)電作為太陽能的一種利用形式，以其無污染、無噪音、應(yīng)用簡單等特點成為最具潛力的新能源之一[1-3]。

目前，光伏行業(yè)主要向高功率和低成本方向發(fā)展。國內(nèi)外光伏廠家及研究機構(gòu)主要從提高光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率、提高光伏組件產(chǎn)品性能、提高光伏組件光的有效接收面積及系統(tǒng)端最大功率點跟蹤等幾方面降低光伏系統(tǒng)的度電成本[4-6]。研究表明，通過對光伏系統(tǒng)進行優(yōu)化來增強光伏組件對光的有效吸收可提高光伏系統(tǒng)單瓦發(fā)電量[6]。傳統(tǒng)的光伏組件為了實現(xiàn)發(fā)電功率最大化，在安裝時組件需要具有一定安裝傾角，一年中方陣最佳傾角取決于當?shù)氐牡乩砭暥?，大部分地面和屋頂光伏項目均采用固定傾角的安裝方式，盡管在個別地面光伏項目中采用的自動追日系統(tǒng)可以使發(fā)電量提20%～30%，但在使用過程中仍有一部分光會被組件表面反射到空氣中造成浪費，同時由于支架成本的大幅增高（1～2.5倍甚至更高），運行維護成本的大量增加，一定程度上限制了這種安裝方式的推廣[7-11]。

為了增加光伏組件表面受光面積，提高光伏陣列的發(fā)電量，本文通過考慮實驗電站當?shù)鼐暥燃肮夥到y(tǒng)運行過程中太陽高度角的變化，設(shè)計了一種具有反光結(jié)構(gòu)的太陽光伏系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)利用反射原理，設(shè)置反光系統(tǒng)，將光伏陣列之間的太陽光充分利用，進而提高組件的功率輸出，降低發(fā)電成本，提高土地利用率，并研究其在實際應(yīng)用中發(fā)電量增益情況，探討了不同月份及不同氣候條件下光伏系統(tǒng)發(fā)電量變化。

1　設(shè)計原理

實驗電站所用的反光材料主要包括反光板和白石子。其中，反光板結(jié)構(gòu)如圖1所示，反光板和光伏組件尺寸相同，由玻璃、透明EVA、白色EVA以及背板材料層壓裝框而成。具有反光結(jié)構(gòu)的太陽能光伏系統(tǒng)的工作原理是通過具有反射性能的反光材料（反光板和白石子）將光線反射至電站中光伏組件的電池片表面，在相同光照條件下能夠增加入射到組件表面的光功率，進而提升整個光伏電站的發(fā)電功率。

實驗電站地點為河北保定地區(qū)，本實驗通過調(diào)整反光板的安裝角度來優(yōu)化其反光效果。電站中光伏組件最佳安裝傾角為40°，保定夏至日太陽高度角為 73°27′，冬至日太陽高度角為 27°20′[11]，根據(jù)入射角法則、三角公式等進行推算，要保證反光板的光線全部照射到光伏組件上，可計算得出夏至日和冬至日的反光板水平安裝角度分別為 84°23′和115°37′，反光系統(tǒng)設(shè)計原理圖見圖 2。圖 2標示了實驗電站在夏至日和冬至日兩種氣候狀態(tài)下太陽入射光線經(jīng)過反光板的反射路徑以及反光板安裝角度[11]。

圖1　反光板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1　Diagram of the reflector structure

圖2　反光系統(tǒng)設(shè)計原理圖Fig. 2　Diagram of reflector system design

2　實驗方案

選用260 W多晶組件，建設(shè)兩個容量為2 kW的地面電站，兩排電站東西向?qū)R排布。其中，南側(cè)電站為對比電站，電站背景不做任何處理；北側(cè)電站為實驗電站，電站背景采用反光板、白石子進行處理。分別將白色反光板放置于第一排電站的支架后側(cè)和第二排電站組件的斜后方，兩排電站中間的空地鋪設(shè)白色石子，根據(jù)季節(jié)影響太陽高度角變化情況計算角度，控制反光板角度，保證太陽光反射至組件表面并且不對電站組件造成遮擋。為了增加對比準確性，在逆變器與并網(wǎng)端之間增加電表，同時監(jiān)控兩個電站發(fā)電量，電站效果圖見圖3。

圖3　電站效果圖Fig. 3　Diagram of the photovoltaic system

3　實驗部分

3.1　實驗材料信息及設(shè)備信息

本實驗所有組件使用的電池片均為相同效率的P型晶體硅太陽能電池，功率為260 W，封裝材料為鋼化玻璃、常規(guī)EVA材料和TPE結(jié)構(gòu)的背板。選用常規(guī)表面結(jié)構(gòu)的焊帶，其規(guī)格均為厚0.25 mm ×寬1.3 mm。光伏組件功率測試的設(shè)備為Pasan太陽能模擬器；檢驗組件內(nèi)部電池片隱裂的設(shè)備為德國Ophelms 公司的OPT200A型EL測試儀。

本實驗所用反光材料為白色EVA反光板（白色EVA反光板主要由玻璃、透明EVA、白色EVA、背板、邊框?qū)訅憾桑鐖D1所示）和白石子材料，白色EVA和白石子的平均反射率均在90%左右，逆變器采用格林科電2 kW逆變器。

3.2　電站建設(shè)及數(shù)據(jù)記錄過程

階段一。2016年1～3月，在保定地區(qū)分別建設(shè)完成2 kW的實驗電站及對比電站，電站安裝傾角為40°，電站距離地面40 cm，實驗電站反光板角度按照冬至日反光板角度安裝，反光板尺寸為1.64 m ×0.99 m，電站布局如圖4a所示。于4月開始收集數(shù)據(jù)，記錄每天實驗電站及對比電站發(fā)電量、斜輻照量、環(huán)境溫度、風速等。分析實驗電站在上方反光板、對比電站后方反光板和白石子同時作用下的發(fā)電量增益情況，表1為2016年4月整個月平均日發(fā)電量情況。

階段二。2016年5月對實驗電站上方反光板角度進行了傾角調(diào)節(jié)，調(diào)整后電站布局圖見圖 4b，使其不再對實驗電站陣列起到反射作用，統(tǒng)計6～11月電站數(shù)據(jù)，驗證白石子和對比電站后方反光板同時作用下和階段一時的發(fā)電量對比情況。

表2為2016年6～11月實驗電站與對比電站平均日發(fā)電量及斜輻照量情況。根據(jù)6～11月氣象數(shù)據(jù)，表3為晴天和陰雨霧霾天時實驗電站與對比電站平均日發(fā)電量及斜輻照量情況。

圖4　調(diào)整前（a）和調(diào)整后（b）的電站布局圖Fig. 4　Diagram of the photovoltaic system layout before (a) and after adjusting (b)

表1　2016年4月平均日發(fā)電量及斜輻照量統(tǒng)計表Table 1　Daily average generation and tilted irradiation in April, 2016

表2　2016年6～11月平均日發(fā)電量及斜輻照量統(tǒng)計表Table 2　Daily average generation and tilted irradiation in June to November, 2016

表3　2016年6～11月晴天和陰雨天的平均日發(fā)電量及斜輻照量統(tǒng)計表Table 3　Daily average generation and tilted irradiation on sunny and rainy days in June to November, 2016

4　結(jié)果與討論

由表1可知，實驗電站通過設(shè)置白石子及反光板等反光背景可有效提高發(fā)電量。2016年4月的日均斜輻照量為5.9 kW/m2，實驗電站日均發(fā)電量比對比電站高 7.69%。其發(fā)電量提高的原因為，太陽光中的直射光或散射光可以照射到反光板后反射到光伏組件表面，同時通過白石子反射的散射光可以照射到組件表面，進而提高組件對光的吸收，提高組件發(fā)電量。

由表2可知，實驗電站上方的反光板失去作用以后，僅有白石子作為主要反光背景，2016年6～11月電站發(fā)電量比4月發(fā)電量有所降低，月平均增益率為6.46%，比4月降低了1.23%，發(fā)電量與輻照量大致成正比關(guān)系，如圖5所示。每個月的日平均發(fā)電量增益和斜輻照量規(guī)律性不大，可能是由于保定地區(qū)各月份氣候特點不同，其中6～9月處于雨季，且6月和7月為典型的雨季、伴有大風（7月同時伴隨電站維護），10月和11月當?shù)亻_始出現(xiàn)霧霾天氣，不同月份晴天的天數(shù)不同，不同氣候特點下光照特點不同。

圖5　2016年6～11月平均日發(fā)電量及斜輻照量Fig. 5　Daily average generation and tilted irradiation from June to November, 2016

對比表3數(shù)據(jù)，相同月份中，晴天和陰雨天日均發(fā)電量增益與斜輻照量有關(guān)。在陰雨或霧霾天氣時比晴天時實驗電站每個月日均發(fā)電量比對比電站增益大，平均增益率為 0.57%，發(fā)電量增益率與輻照量大致成反比關(guān)系，如圖6所示。這是由于陰雨及霧霾天氣下，太陽光中散射光輻射量占比較大，散射光可以通過白石子反射到實驗電站中，因此以白石子為反光背景的實驗電站比同期對比電站發(fā)電量高。

圖6　2016年6～11月晴天和陰雨天發(fā)電量增益率及斜輻照量Fig. 6　Daily average generation and tilted irradiation on sunny and rainy days from June to November, 2016

5　結(jié)　語

本文從反光材料對光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響角度出發(fā)，建立實驗電站，分析反光條件下反光實驗電站較常規(guī)電站的發(fā)電量增益。根據(jù)輻照強度不同，反光系統(tǒng)發(fā)電量增益率總體保持在5%～10%之間。實驗期間，綜合發(fā)電量增益率達 7.69%，發(fā)電量與輻照量大致成正比關(guān)系，這一實驗結(jié)論為提高光伏電站發(fā)電量提供參考依據(jù)和思路，后期通過優(yōu)化反光電站背景，可有效提高光伏系統(tǒng)發(fā)電量，降低系統(tǒng)成本。