反光材料對(duì)采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站發(fā)電性能的影響分析

潘少峰，陸 煒，索博鵬，田介花，陸文俊，趙蓓蓓

(江蘇林洋能源股份有限公司， 啟東 226200)

0 引言

近幾年，高效太陽(yáng)電池發(fā)展迅猛，自2016年以來(lái)，具有雙面發(fā)電功能的雙面太陽(yáng)電池和雙面光伏組件更是如雨后春筍般出現(xiàn)在光伏行業(yè)。但相對(duì)于單面光伏組件而言，雙面光伏組件的成本較高。如何使雙面光伏組件在系統(tǒng)應(yīng)用端得到最大化利用，從而降低度電成本、提高電站的投資回報(bào)率，成為采用雙面光伏組件的光伏電站投資者關(guān)注的問(wèn)題。

吳翠姑等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了雙面光伏組件在不同背景環(huán)境下的發(fā)電量輸出特性，結(jié)果顯示，背景環(huán)境的反射率越高，雙面光伏組件背面的發(fā)電量就越大，尤其在白石子背景環(huán)境下，雙面光伏組件的發(fā)電量增益高達(dá)20%。BRENNAN等[2]研究了不同地面背景的光譜反射率，結(jié)果顯示，雪地背景在波長(zhǎng)為0～800 nm范圍內(nèi)的反射率最高；對(duì)于應(yīng)用于屋頂?shù)姆垂獠牧希X箔背景在波長(zhǎng)為0～500 nm范圍內(nèi)的反射率最高，白橡膠背景在波長(zhǎng)為500～800 nm范圍內(nèi)的反射率最高。馬少華等[3]認(rèn)為雙面光伏組件在雪地背景下的發(fā)電效率最高，光伏發(fā)電系統(tǒng)能效(PR)高達(dá)108.2%。

目前雙面光伏組件已廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電項(xiàng)目中，尤其是較多應(yīng)用在分布式光伏項(xiàng)目中的工商業(yè)屋頂。而在雙面光伏組件的背景環(huán)境中使用反光材料，可以增加組件的發(fā)電量。本文分析了屋頂采用不同反光材料時(shí)，背景環(huán)境對(duì)雙面光伏組件背面發(fā)電量的影響。

1 雙面光伏組件

光伏行業(yè)一直致力于太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以提升電池對(duì)光能的吸收和轉(zhuǎn)化，而使電池背面發(fā)電就是其中一種優(yōu)化方法。采用此方法的太陽(yáng)電池的背面電極采用與正面相同的柵線結(jié)構(gòu)，使電池前后表面都能吸收光線，形成一種雙面電池結(jié)構(gòu)。目前可量產(chǎn)的雙面太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)主要有異質(zhì)結(jié) (HJT)、鈍化發(fā)射極及背面全部擴(kuò)散 (PERT)和發(fā)射極及背面鈍化(PERC)這3種技術(shù)[4-5]。

雙面太陽(yáng)電池和單面太陽(yáng)電池相比，其最大的優(yōu)勢(shì)在于背面可發(fā)電。目前市場(chǎng)上雙面光伏組件主要是以玻璃代替不透明背板，以實(shí)現(xiàn)雙面太陽(yáng)電池的雙面發(fā)電特性。因此，如何提高電池背面的受光量就成為關(guān)鍵技術(shù)。而影響雙面光伏組件背面發(fā)電量的因素主要包括背景反射率、組件下沿離地高度、安裝角度、行間距、組件背面陰影和遮擋等。本文僅對(duì)背景反射率對(duì)背面發(fā)電量的影響進(jìn)行研究。

2 反光材料

可使用在屋頂?shù)姆垂獠牧嫌蟹浪聿?、外墻涂料、反光薄膜等。?dāng)屋頂光伏電站的屋頂采用不同反光材料作為背景時(shí)，其對(duì)雙面光伏組件背面發(fā)電量的影響也會(huì)不同。本文選取2種防水卷材和3種外墻涂料作為背景材料，并對(duì)其反射率進(jìn)行了分析。

2.1 防水卷材

本文選取了KD防水卷材和DQ防水卷材進(jìn)行分析。KD防水卷材為聚烯烴納米合金防水隔熱自粘卷材。DQ防水卷材為POH-TY納米合金冷屋面防水隔熱防穿刺自粘卷材。

背景反射率的高低是由背景材料的性質(zhì)決定的，而不同的材料在不同光譜波段會(huì)有不同的反射率。因此對(duì)作為背景材料的2種防水卷材的反射率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 2種防水卷材的反射率Fig.1 Reflectivity of two kinds of waterproof rolls

由圖1可知，當(dāng)波長(zhǎng)為500～900 nm時(shí)，DQ防水卷材的反射率在90%以上，KD防水卷材的反射率在80%左右。BRENNAN等[2]的研究表明，晶硅材料對(duì)370～1100 nm波段的光波的光電轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)80%以上。因此，雙面晶硅太陽(yáng)電池若與上述2種防水卷材相結(jié)合，可進(jìn)一步提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

2.2 外墻涂料

外墻涂料已廣泛應(yīng)用在建筑行業(yè)，主要功能是保護(hù)建筑物外墻、提升建筑物美觀，以及滿足一些特殊要求。由于白色背景的反射率相對(duì)較高，可以達(dá)到80%～90%[2]，因此本文選擇3款市場(chǎng)上適用于建筑外墻和水泥屋頂?shù)陌灼徇M(jìn)行研究，分別為CG白漆、DLS白漆和QH白漆。CG白漆和QH白漆均由丙烯酸樹(shù)脂、顏填料等制成，DLS白漆為乳膠漆。

3 反光材料實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)概況

本次實(shí)驗(yàn)選擇安徽省安慶市某工廠的屋頂(117.03°E，30.52°N)，測(cè)試場(chǎng)景包括水泥背景、KD防水卷材背景、DQ防水卷材背景、CG白漆背景、DLS白漆背景和QH白漆背景這6種場(chǎng)景。每種場(chǎng)景均安裝容量為29.73 kW的n型雙面光伏組件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙面光伏組件”)，均采用同一型號(hào)的30 kW逆變器，組件安裝傾角均為18°，組件下沿離地高度均為0.4 m。此外，在同一屋頂安裝逆變器、組件傾角、組件下沿離地高度與雙面光伏組件均相同，并采用水泥背景、容量為98.56 kW的常規(guī)單晶硅光伏組件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“單面光伏組件”)作為對(duì)照組，數(shù)據(jù)采集周期為2017年6月1日～2018年1月31日。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)2017年6月1日～2018年1月31日期間單面光伏組件與水泥背景、KD防水卷材背景、DQ防水卷材背景、CG白漆背景、DLS白漆背景及QH白漆背景下的雙面光伏組件的每kW月發(fā)電量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。然后對(duì)6種場(chǎng)景下的雙面光伏組件相對(duì)于單面光伏組件的每kW月發(fā)電量增益進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，相較于單面光伏組件，雙面光伏組件的每kW月發(fā)電量增益的均值在水泥背景下為9.3%，在KD防水卷材背景下為12.8%，在DQ防水卷材背景下為21.4%，在CG白漆背景下為15.4%，在DLS白漆背景下為13.9%，在QH白漆背景下為15.6%。由表2還可以看出，每月的發(fā)電量增益的高低還與當(dāng)月的光照資源相關(guān)，呈現(xiàn)夏季高、冬季低的趨勢(shì)。

表1 不同背景下光伏組件的每kW月發(fā)電量情況Table 1 Monthly per kW power generation of PV modules under different backgrounds

表2 不同場(chǎng)景下雙面光伏組件較單面光伏組件的每kW月發(fā)電量增益Table 2 Monthly per kW power generation gain of bifacial PV modules compared with single-sided PV modules under different backgrounds

將不同背景下雙面光伏組件且發(fā)電量增益最高時(shí)(7月)與該背景下月發(fā)電量增益最低時(shí)(1月)的差值繪制成柱狀圖，具體如圖2所示。

圖2 不同背景下雙面光伏組件月發(fā)電量增益的最高值與最低值的差值情況Fig.2 The difference between the maximum value and the minimum value of monthly power generation gain of bifacial PV modules under different backgrounds

由圖2可知，2種防水卷材背景下，雙面光伏組件的月發(fā)電量增益差值相對(duì)較大，DQ防水卷材與KD防水卷材背景下的月發(fā)電量增益差值分別為9.4%和8.9%；水泥背景和白漆背景下的月發(fā)電量增益差值相對(duì)較小，在5.4%～6.9%之間。

4 投資收益對(duì)比

雙面光伏組件的背景采用反光材料時(shí)，可以增加其發(fā)電量，從而提高采用雙面光伏組件的光伏電站的收益，但是反光材料的使用也會(huì)增加項(xiàng)目成本。下文針對(duì)采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站使用上述幾種反光材料時(shí)的投資收益情況進(jìn)行分析。

為了測(cè)算與實(shí)際光伏電站規(guī)模相近的屋頂光伏電站的投資情況，將上文位于安徽省安慶市的屋頂光伏電站中每種情況下的光伏組件容量都假設(shè)為3 MW，但雙面光伏組件相較于單面光伏組件在不同背景下的每kW月發(fā)電量增益均值仍采用上文中的數(shù)據(jù)。電站所發(fā)電力采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式，“自發(fā)自用”的比例為90%，電價(jià)為協(xié)議電價(jià)0.68元/kWh(當(dāng)?shù)胤骞绕骄妰r(jià)的80%)；“余量上網(wǎng)”的比例為10%，電價(jià)為當(dāng)?shù)孛摿蛎弘妰r(jià)0.3693元。項(xiàng)目資金中，30%為自有資金，70%為貸款。表3為水泥背景下采用單面光伏組件與6種背景下采用雙面光伏組件的電站投資收益情況。

表3 不同背景下的屋頂光伏電站投資收益Table 3 Investment income of rooftop PV power station under different backgrounds

由表3可以看到，采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站在水泥、防水卷材和白漆背景下的投資收益率均在8%以上。其中，水泥背景下的投資收益率為8.33%；2種防水卷材的投資收益率相差較大，在DQ防水卷材背景下，采用雙面光伏組件的電站的每kW月發(fā)電量增益均值高達(dá)21.4%，投資收益率為9.17%，投資回收期為9.3年；而在KD防水卷材背景下，采用雙面光伏組件的電站的每kW月發(fā)電量增益均值為12.8%，投資收益率比其他5種背景下都低，僅為8.05%。雖然白漆的初始投資相對(duì)較低，但是與在DQ防水卷材背景下相比，在白漆背景下采用雙面光伏組件的電站的每kW月發(fā)電量增益均值僅在13.9%～15.6%之間，投資收益率在8.35%～8.66%之間，比在DQ防水卷材背景下低，投資回收期也比在DQ防水卷材背景下長(zhǎng)；而且相較于防水卷材，白漆的耐候性較差，在投資收益期內(nèi)需要再次涂刷。因此，盡管DQ防水卷材初始投資較高，但其反射率高、發(fā)電量增益高、耐候性好，且投資收益率比其他背景時(shí)都好，投資回收期最短，是反光材料的最佳選擇。

5 結(jié)論

本文通過(guò)研究2種防水卷材和3種白漆作為反光材料時(shí)對(duì)采用雙面光伏組件的屋頂光伏電站的發(fā)電量的影響，得到以下結(jié)論：

1)光譜反射率測(cè)試結(jié)果顯示，在500～900 nm波段，DQ防水卷材的反射率均在90%以上。

2)相較于水泥背景下的單面光伏組件，KD防水卷材背景下的雙面光伏組件每kW月發(fā)電量增益均值為12.8%；DQ防水卷材背景下的雙面光伏組件每kW月發(fā)電量增益均值為21.4%。

3)3種白漆背景下的雙面光伏組件每kW月發(fā)電量增益均值在13.9%～15.6%之間。

4)對(duì)比雙面光伏組件在某背景下的月發(fā)電量增益情況，DQ防水卷材背景下雙面光伏組件發(fā)電量增益最高月份與最低月份的差值為9.4%，KD防水卷材背景下的差值為8.9%，水泥背景和白漆背景下的差值在5.4%～6.9%之間。

5)通過(guò)對(duì)比不同反光材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性后發(fā)現(xiàn)，DQ防水卷材的反射率高，發(fā)電量增益效果好，耐候性佳，最終的投資收益最好且投資回收期最短。