基于戶外并網(wǎng)光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的 雙面光伏組件發(fā)電性能研究

鐘根香，胡錚龍，張要鋒

(1. 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制與優(yōu)化湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104；2. 湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411104)

0 引言

光伏發(fā)電作為一種綠色能源，相關(guān)的技術(shù)及應(yīng)用均取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，且已逐步實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。隨著碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)(即“雙碳”目標(biāo))要求的提出，中國(guó)的光伏電站建設(shè)將迎來(lái)新的熱潮，太陽(yáng)能將成為未來(lái)主要的能源之一。

在實(shí)際運(yùn)行的戶外光伏電站中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電情況會(huì)受各部件性能、環(huán)境及運(yùn)維等各方面因素的影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)各部件性能中，光伏組件作為核心部件，其性能會(huì)直接影響系統(tǒng)的發(fā)電收益。雙面光伏組件產(chǎn)品因其背面也可受光發(fā)電，可顯著提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能[1-4]，近幾年來(lái)得到迅速推廣應(yīng)用。p型PERC及n型PERT等雙面太陽(yáng)電池技術(shù)均在規(guī)?；慨a(chǎn)的基礎(chǔ)上取得了持續(xù)提升[5-8]，光電轉(zhuǎn)換效率不斷攀升。雙面光伏組件將逐步取代傳統(tǒng)的單面光伏組件，成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品[9]。另外，環(huán)境因素具有復(fù)雜而多變的特點(diǎn)，也是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電收益的重要因素之一。不同地域的環(huán)境氣候條件具有不同的特點(diǎn)，這也使不同光伏產(chǎn)品在不同地域條件下的發(fā)電性能存在差異?？偨Y(jié)分析各個(gè)區(qū)域?qū)嶋H戶外光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)指導(dǎo)光伏產(chǎn)品設(shè)計(jì)及選型、光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光伏電站投資決策、光伏電站交易等均具有重要的意義。

光伏電站建設(shè)成本的逐步降低，為光伏發(fā)電在光照資源較差的中國(guó)中東部地區(qū)的擴(kuò)大應(yīng)用創(chuàng)造了條件。由于光照資源條件不夠豐富，中東部地區(qū)在光伏應(yīng)用方面的發(fā)展遠(yuǎn)不如中國(guó)西部等地區(qū)，實(shí)際應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)累積不足。其中，湖南省作為中國(guó)中部地區(qū)光照資源較差的典型代表之一，省內(nèi)各地的年太陽(yáng)總輻照量在4000 MJ/m2左右。由于光照資源方面的弱勢(shì)，湖南省總體的光伏發(fā)電應(yīng)用在全國(guó)相對(duì)落后，但隨著“雙碳”目標(biāo)的提出及光伏電站成本的日漸下降，未來(lái)湖南省的光伏發(fā)電發(fā)展具有巨大潛力。

本文在湖南省湘潭市區(qū)搭建了光伏電站實(shí)證平臺(tái)，以該平臺(tái)中戶外并網(wǎng)光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，全面分析了雙面光伏組件的發(fā)電性能，可為光伏產(chǎn)品的優(yōu)化、中部地區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供可靠參考。

1 光伏電站實(shí)證平臺(tái)的搭建

本研究的光伏電站實(shí)證平臺(tái)建設(shè)于湖南省湘潭市區(qū)的一座建筑屋頂上，選擇的光伏組件均由一線光伏制造企業(yè)生產(chǎn)，光伏組件類型涵蓋市場(chǎng)主流產(chǎn)品及前沿產(chǎn)品，涉及不同的硅片、太陽(yáng)電池及光伏組件技術(shù)。

光伏電站中，雙面光伏組件有p型PERC光伏組件及n型PERT光伏組件，并于同期安裝了傳統(tǒng)的單面光伏組件進(jìn)行對(duì)比分析。為了對(duì)比結(jié)果的準(zhǔn)確性，相同或相近類型的產(chǎn)品均取自同一生產(chǎn)企業(yè)，同一類型產(chǎn)品均來(lái)源于同一批次。

光伏電站所在建筑屋頂為帶有女兒墻的水泥地面平屋頂，光伏組件安裝方式采用水泥基礎(chǔ)搭配光伏支架安裝，光伏支架類型包括固定式光伏支架、平單軸跟蹤支架系統(tǒng)、斜單軸跟蹤支架系統(tǒng)、雙軸跟蹤支架系統(tǒng)4種?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量當(dāng)?shù)鼐暥葹?7°50′39′；固定式光伏支架的朝向設(shè)定為朝南，光伏方陣的安裝傾角設(shè)計(jì)為19°，光伏組件安裝時(shí)最下沿離地高度約為80 cm。

光伏電站中采用不同光伏支架安裝的光伏方陣實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 光伏電站中采用不同光伏支架安裝的光伏方陣實(shí)景圖Fig. 1 Photos of PV array installed with different PV brackets in PV power station

光伏電站的裝機(jī)容量為59.5 kW，其中，雙面光伏組件均按正面功率統(tǒng)計(jì)。根據(jù)研究需要，每個(gè)光伏方陣按裝機(jī)容量配備獨(dú)立光伏逆變器，以保證光伏方陣間的獨(dú)立，互不干擾。光伏逆變器交流輸出匯流至交流配電柜，并經(jīng)并網(wǎng)計(jì)量箱以380 V電壓等級(jí)接入電網(wǎng)。

同時(shí)，光伏電站實(shí)證平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)安裝了環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，可測(cè)試環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)總輻射量等各項(xiàng)參數(shù)。光伏電站中各光伏逆變器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀均接入到集中監(jiān)控運(yùn)維中心，實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測(cè)光伏電站的運(yùn)行情況。通過(guò)集中監(jiān)控運(yùn)維中心可及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏電站運(yùn)行過(guò)程中的異常，第一時(shí)間進(jìn)行故障排除，以保證光伏電站中各設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。該光伏電站于2020年9月底并網(wǎng)運(yùn)行，本研究主要基于2020年10月—2021年9月這1年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 實(shí)證結(jié)果分析

2.1 當(dāng)?shù)氐墓庹召Y源分析

湖南省位于長(zhǎng)江以南，緯度偏低，為大陸性特征明顯的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，雨水充沛，光照不足。測(cè)試期內(nèi)湘潭地區(qū)的天氣情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 測(cè)試期內(nèi)湘潭地區(qū)的天氣情況統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of weather conditions in Xiangtan area during test period

從圖2可以看出：測(cè)試期內(nèi)，湘潭地區(qū)全年陰、雨天氣天數(shù)較多，晴、多云天氣的天數(shù)占比不足一半，特別是進(jìn)入春季后出現(xiàn)連續(xù)的陰、雨天氣，3、4、5月的陰、雨天氣的天數(shù)占比達(dá)80%以上。

在這種氣候條件下，光伏電站所在地總體的光照資源較差。以采用固定式光伏支架時(shí)光伏方陣設(shè)計(jì)安裝傾角的傾斜面為參照，得到測(cè)試期內(nèi)光伏電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)，具體如圖3所示。

圖3 測(cè)試期內(nèi)，光伏電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的光伏方陣設(shè)計(jì) 安裝傾角下傾斜面太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)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

從圖3可以看出：2020年10月—2021年9月這1年的時(shí)間中，光伏方陣設(shè)計(jì)安裝傾角下傾斜面累計(jì)太陽(yáng)輻照量約為3953 MJ/m2。其中，在2—4月的雨季期間，每月的太陽(yáng)輻照量不足300 MJ/m2，其中最低為4月，太陽(yáng)輻照量?jī)H為180 MJ/m2；夏、秋季的太陽(yáng)輻照量相對(duì)較高，6—9月期間，每月的太陽(yáng)輻照量可保持在400 MJ/m2以上，9月達(dá)到了519 MJ/m2。但從這些數(shù)據(jù)可以看出，與中國(guó)西部地區(qū)相比，中部地區(qū)在發(fā)展光伏發(fā)電的自然條件方面確實(shí)存在一定的劣勢(shì)。

2.2 光伏電站的總體發(fā)電情況

光伏電站的裝機(jī)容量為59.5 kW，在2020年10月—2021年9月的1年時(shí)間中，光伏電站的總發(fā)電量為6.45萬(wàn)kWh，平均年每瓦發(fā)電量約為1.08 kWh。測(cè)試期內(nèi)，光伏電站的月發(fā)電量情況如圖4所示。

從圖4可以看出：測(cè)試的1年中，光伏電站各月的發(fā)電量存在較大的波動(dòng)，月發(fā)電量最低的僅約3200 kWh，最高的超過(guò)8000 kWh。

圖4 測(cè)試期內(nèi)，光伏電站的月發(fā)電量情況Fig. 4 Monthly power generation capacity of PV power station during test period

太陽(yáng)輻照情況是決定光伏發(fā)電收益最主要的因素之一，對(duì)比圖4與圖3可以看出：測(cè)試期內(nèi)，光伏電站各月的發(fā)電量與太陽(yáng)輻照量具有明顯的相關(guān)性，但并不是完全一致。存在偏差的原因可能是：1)圖3的太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)僅為采用固定式光伏支架時(shí)光伏方陣設(shè)計(jì)安裝傾角下傾斜面的數(shù)據(jù)，針對(duì)雙面光伏組件及跟蹤支架系統(tǒng)的太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)不全面；2)光伏電站的實(shí)際發(fā)電情況還受環(huán)境溫度等其他因素的影響。

2.3 雙面光伏組件的發(fā)電優(yōu)勢(shì)分析

目前，雙面光伏組件已逐漸成為市場(chǎng)主流，針對(duì)本光伏電站安裝的p型PERC雙面光伏組件及n型PERT雙面光伏組件的發(fā)電性能進(jìn)行分析。對(duì)比的光伏方陣均采用固定式光伏支架安裝，裝機(jī)容量統(tǒng)一按雙面光伏組件正面功率進(jìn)行計(jì)算。測(cè)試期內(nèi)，不同類型光伏組件的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 測(cè)試期內(nèi)，不同類型光伏組件的數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Data comparison of different types of PV modules during test period

從表1可以看出：在測(cè)試的1年中，傳統(tǒng)PERC單面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量不足1 kWh，而兩種雙面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量均超過(guò)了1 kWh，在發(fā)電性能方面體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步分析可知：在測(cè)試期內(nèi)，p型PERC雙面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量較傳統(tǒng)PERC單面光伏組件的高4.6%；而n型PERT雙面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量更為可觀，約比傳統(tǒng)PERC單面光伏組件的高14%。

光伏電站位于建筑屋頂，地面條件為正常的水泥地面，地面反射率約為30%。對(duì)于雙面光伏組件而言，其背面接收的光可獲得發(fā)電增益，在首年發(fā)電量的比較中，n型PERT雙面光伏組件具有優(yōu)勢(shì)。測(cè)試期內(nèi)，兩種雙面光伏組件各月的發(fā)電性能對(duì)比如圖5所示。

圖5 測(cè)試期內(nèi)，兩種雙面光伏組件各月的發(fā)電性能對(duì)比Fig. 5 Comparison of monthly power generation performance of two types of bifacial PV modules during test period

由圖5可知：測(cè)試期內(nèi)，在前9個(gè)月中，兩種雙面光伏組件的月均每瓦發(fā)電量情況差異不大，甚至前4個(gè)月中p型PERC雙面光伏組件的發(fā)電性能還略優(yōu)于n型PERT雙面光伏組件的發(fā)電性能；p型PERC雙面光伏組件的月均每瓦發(fā)電量自第5個(gè)月開(kāi)始略低，至第10個(gè)月(即2021年7月)開(kāi)始，兩種雙面光伏組件的月均每瓦發(fā)電量情況出現(xiàn)較大的差異。

對(duì)比兩種雙面光伏組件的峰值功率雙面系數(shù)(峰值功率雙面系數(shù)=背面峰值功率/正面峰值功率×100%)，p型PERC雙面光伏組件的峰值功率雙面系數(shù)約為75%，n型PERT雙面光伏組件的峰值功率雙面系數(shù)約為80%，二者差異并不大。從圖5中測(cè)試期前期的月每瓦發(fā)電量數(shù)據(jù)也可以看出，峰值功率雙面系數(shù)的細(xì)微差別并沒(méi)有帶來(lái)發(fā)電量上的明顯差異。而測(cè)試期后期p型PERC雙面光伏組件的月每瓦發(fā)電量顯著下降，初步分析是由硅片中硼、氧及其他雜質(zhì)帶來(lái)的功率衰減較高所引起的。

2.4 跟蹤支架系統(tǒng)的發(fā)電性能分析

跟蹤支架系統(tǒng)可以有效提升光伏組件發(fā)電量，中國(guó)近幾年在跟蹤支架系統(tǒng)方面的研發(fā)、制造及應(yīng)用均得到了較好的發(fā)展。本研究的光伏電站中安裝了不同類型的跟蹤支架系統(tǒng)，包括平單軸、斜單軸及雙軸跟蹤支架系統(tǒng)。

在測(cè)試期內(nèi)，對(duì)固定式光伏支架及不同類型跟蹤支架系統(tǒng)條件下的雙面光伏組件的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，均安裝同一批次的p型PERC雙面光伏組件，同一時(shí)間安裝及并網(wǎng)發(fā)電。測(cè)試期內(nèi)，采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件的年發(fā)電情況對(duì)比如圖6所示。

圖6 采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件的 年發(fā)電情況對(duì)比Fig. 6 Comparison of annual power generation capacity of bifacial PV modules with different types of PV brackets

從圖6可以看出：與采用固定式光伏支架的雙面光伏組件相比，采用不同跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件的年每瓦發(fā)電量增益明顯，增益均接近或達(dá)到20%以上，其中采用平單軸跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件的年每瓦發(fā)電量增益為19.6%，采用斜單軸跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件的年每瓦發(fā)電量增益為24.5%，采用雙軸跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件的年每瓦發(fā)電量增益為24.6%。按年每瓦發(fā)電量增益由小到大的順序排列為：平單軸跟蹤支架系統(tǒng)＜斜單軸跟蹤支架系統(tǒng)＜雙軸跟蹤支架系統(tǒng)，該趨勢(shì)與預(yù)期是一致的。從圖中的數(shù)據(jù)還可以看出，雖然與固定式光伏支架相比較，采用跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件的發(fā)電增益明顯，但是幾種跟蹤支架系統(tǒng)之間的差異卻并不大。由于湖南省屬于低緯度地區(qū)，因此從幾種跟蹤支架系統(tǒng)的成本角度比較，雙面光伏組件采用平單軸跟蹤支架系統(tǒng)最具性價(jià)比。

進(jìn)一步對(duì)采用固定式光伏支架及不同跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件各月的發(fā)電情況進(jìn)行對(duì)比，將采用固定式光伏支架的雙面光伏組件月每瓦發(fā)電量作為參照，計(jì)算采用各跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件月每瓦發(fā)電量與其的比值。采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件月發(fā)電情況對(duì)比結(jié)果如圖7所示。為了更好地觀察變化規(guī)律，圖中增加了2021年10月的數(shù)據(jù)。

圖7 采用不同類型光伏支架的雙面光伏組件 月發(fā)電情況對(duì)比Fig. 7 Comparison of monthly power generation capacity of bifacial PV modules with different types of PV brackets

從圖7可以看出：不同月份的發(fā)電量增益存在較大差異。對(duì)照前文的太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)可以看出：光照條件好時(shí)，整體的月發(fā)電量比值有增大的趨勢(shì)，即發(fā)電量增益增大，在2021年9月，與采用固定式光伏支架的雙面光伏組件相比，采用各跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件月每瓦發(fā)電量增益達(dá)到50%以上。綜合比較來(lái)看，在夏季光照條件較好的時(shí)期，采用平單軸跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件月發(fā)電量增益較為明顯，而在春季，采用雙軸跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件月發(fā)電量增益更高。對(duì)比2020年10月及2021年10月采用不同跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件月發(fā)電量增益情況，其規(guī)律是一致的。

3 結(jié)論

本文在湖南省湘潭地區(qū)某建筑屋頂建設(shè)光伏電站實(shí)證平臺(tái)，跟蹤分析了該平臺(tái)中戶外并網(wǎng)光伏電站2020年10月—2021年9月這1年間的運(yùn)行實(shí)證數(shù)據(jù)，全面分析了雙面光伏組件的發(fā)電性能。研究結(jié)果顯示：

1)光伏電站所在地湘潭地區(qū)全年陰、雨天氣的天數(shù)占總天數(shù)的比例較高，3、4、5月陰、雨天氣的天數(shù)占比高達(dá)80%；實(shí)測(cè)得到光伏方陣設(shè)計(jì)安裝傾角下傾斜面年太陽(yáng)總輻照量為3953 MJ/m2。

2)測(cè)試期內(nèi)，傳統(tǒng)PERC單面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量為0.982 kWh；在光伏電站所在地的水泥地面條件下，與傳統(tǒng)PERC單面光伏組件相比，p型PERC雙面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量增益為4.6%，n型PERT雙面光伏組件的年均每瓦發(fā)電量增益為14%；兩種雙面光伏組件的發(fā)電情況在前9個(gè)月基本相當(dāng)，差異主要體現(xiàn)在第10個(gè)月之后。

3)與采用固定式光伏支架的雙面光伏組件相比，采用不同類型的跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件均體現(xiàn)出了明顯的發(fā)電優(yōu)勢(shì)，分別采用平單軸、斜單軸及雙軸跟蹤支架系統(tǒng)的雙面光伏組件年每瓦發(fā)電量增益分別達(dá)到19.6%、24.5%、24.6%；考慮成本等因素綜合來(lái)看，在光伏電站所在地，雙面光伏組件采用平單軸跟蹤支架系統(tǒng)更具性價(jià)比。