不同反射角度和地面背景下双面光伏组件的发电特性研究.pdf

引 用 格 式:X U P i n g,WE IW e i,L I U X i a o m i n,e ta l R e s e a r c ho nP o w e rG e n e r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fB i f a c i a lP h o t o v o l t a i cM o d u l e su n d e rD i f f e r e n tG r o u n da n dR e f l e c t i o nA n g l e sJJ o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e s,():徐平,魏巍,刘孝敏,等不同反射角度和地面背景下双面光伏组件的发电特性研究J甘肃科学学报,():d o i:/j c n k i i s s n 不同反射角度和地面背景下双面光伏组件的发电特性研究徐平,魏巍,刘孝敏,马宇,顾金寿,杨林艳,(甘肃自然能源研究所,甘肃 兰州 ;甘肃省低碳建筑工程研究中心,甘肃 兰州 ;甘肃省交通建设质量安全造价中心,甘肃 兰州 )摘要为研究不同反射角度下不同地面背景对双面光伏组件发电增益的影响,以个N型 W p的单晶双面光伏组件为研究对象,搭建了其发电特性测试平台,分别将同功率的双面光伏组件布置在防水卷材、瓷砖、白水泥、乳胶漆、草坪、铝箔种地面反射材料上方,以 倾角固定安装后,调整反射角度在 范围内变化,对光伏组件正面辐射、反射辐射、光伏组件工作电流、工作电压、组件发电量等性能参数实时测试,并与单面组件各性能进行对比分析.研究结果表明:单晶双面光伏组件发电量增益随地面材料反射率增大而增大.种地面材料中,铝箔地面在安装倾角为 时组件发电平均增益最大(达到).种地面材料背景下,所有组件阴天的发电量增益高于晴天.关键词双面光伏组件;发电特性;发电量增益;反射率中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()双面光伏组件不同于常规单面组件,组件正面和反面在太阳光作用下均能产生电压和电流,因此其发电性能相对于常规组件会有一定的提升.光伏组件反面发电量的提升幅度主要受地面反射辐射强度影响,且强度由于背景材料和发射角度的不同会产生不同的变化.目前国内对双面组件发电性能的研究以不同反射背景下的发电量增益研究为主,例如张继平等对双面组件在不同地面背景下发电性能进行了理论分析与实验验证,结果表明双面组件功率增益随地面反射率的增大而增大,随辐照强度增加而降低,反射率最大的铝箔地面的最大功率增益为 ,反射率最小的草坪地面的最大功率增益为;陆炜等建立了双面光伏组件的发电模型,同时对双面光伏组件在不同场景下的发电特性进行了分析,结果表明与单面光伏组件相比,双面光伏组件在白漆和白石子场景下的发电量增益分别为 和 ,并通过P V s y s t软件对发电量模拟研究,将模拟结果和实证数据对比,得出地面反射率对模拟结果影响较大,通过地面反射率的调整可以使模拟结果更接近于实际情况;孙韵琳等建立了双面光伏组件实验平台,测试了不同安装方式 下 双 面 光 伏 组 件 的 输 出 特 性,而 后 通 过P V s y s t软件对双面光伏组件的输出特性进行了仿真模拟,并将仿真模拟结果与实验测量结果进行了对比.国外研究以建立双面组件发电模型并与实测值对比分析等为主要方向.例如D o b r z y c k i等对波兰天气情况下双面光伏组件发电特性进行了研究,对天气、组件倾角和面板下基板对发电的影响进行了讨论,结果表明相对于单边模块,双面模块的最佳向表面倾斜角度更高,同时面板下基板的类型也能第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报J o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e sV o l N o A u g 收稿日期:;修回日期:基金项目:甘肃自然能源研究所重点研发计划项目(Y F )作者简介:徐平(),男,甘肃兰州人,高级工程师,研究方向为太阳能建筑及节能建筑.E m a i l:q q c o m通信作者:魏巍,E m a i l:q q c o m影响发电量,并且与面板后侧相关联的附加能量产额占光伏(P V)模块总发电量的 以上.J a n g等研究了双面光伏组件反射材料的尺寸、垂直安装、温度不匹配和颗粒物(PM)浓度对双面光伏组件的影响,实验结果表明,发射材料尺寸增加一倍,发电增益增加;光伏组件垂直安装时,由于阴影效应,功率降低;在晴空条件下,PM 质量浓度每改变 u g/m,双面增益增加;在阴天条件下,PM 质量浓度每改变 u g/m,双面增益下降.S a h u等建立了一个双面光伏组件发电量的新模型,提出了一种更简单的后侧辐照度模型来估算双面太阳能光伏组件的能量产额,针对印度喀拉格普尔、艾哈迈达巴德、德里和特鲁瓦纳塔普拉姆个地区的实验数据分析得出:根据模块类型和地面反射率的不同,双面模块将能量产率提高,平均提高,并且利用美国国家可再生能源实验室(N R E L)的P V s y s t版本以及真实的现场实验测量对模型进行了验证.上述研究主要以不同地面反射背景为主,针对不同天气下不同地面反射材料及不同反射角度的发电性能分析缺乏相应的实验研究及分析.本次研究通过双面光伏组件发电实证研究,对双面组件在阴晴天不同地面背景不同反射角度下的发电性能进行分析,得出了双面组件的发电输出情况,为双面组件的实际应用提供理论指导.实验研究实验对象与仪器实验测试地点位于甘肃自然能源研究所榆中基地中试车间屋顶,日照充足无遮挡,地处 E,N,光伏组件支架采用 固定倾角安装,方向正南.测试样品来自中来N型单晶双面双玻组件,最大输出功率 W,开路电压 V,短路电流 A,光伏组件支架背面采用无檩条设计,组件左右间距大透光率好,支架离地间隙大,可以有效减少支架本身和组件间隔等造成的阴影影响,保证实验数据的合理性.测试原理如图所示.图测试原理F i g T e s t s c h e m a t i c实验测试时间为 年月日 月 日,为 d的全天持续测试.测试平台的搭建和测试仪器的操作按照规范进行,每 s采集一次数据.测试仪器及参数见表.表测试仪器及参数T a b l eT e s t i n s t r u m e n t a n dp a r a m e t e r s测试参数仪器型号仪器参数数据采集仪安捷伦 A扫描频率 c h a n n e l/s电流分流计 A mV A mV,精度太阳辐射强度T B Q 型太阳辐射仪量程为 W/m,精度为电量微型逆变器GM I 输出功率 W实验方法()太阳辐照强度测试在实验平台周围无遮挡地方布置T B Q 型太阳辐射仪,记录每个测试周期内太阳辐照强度值.块双面组件背面设计安装了一种可变角度支架,支架底座分别铺装瓷砖、草坪、白水泥、铝箔、乳胶漆、防水卷材种反射材料,每种材料面积不小于组件的垂直投影面积,如图所示.在每个安装双面组件支架的背面同一高度处各安装一个辐照度计T B Q L,共个,分别测试了种不同材质地面的反射辐照度.调节支架角度,以 为一组变化反射角度(即、),测试不同反射角度时背面太阳辐射值的变化,每组测试周期至少为周.测试现场情况如图、图所示.()电性能测试双面组件电性能测试主要反映太阳辐射变化下组件的电流电压变化情况.由于受微型逆变器的MP P T追踪效率影响,电流电压需采用高精度数据采集仪收集,尽可能减少数据误差,实时电流电压数据保存后,通过实时功率的计算以及积分计算直流发电量,以最大程度反应组件发电特性.甘 肃 科 学 学 报 年第期图不同地面背景F i g D i f f e r e t ng r o u n db a c k g r o u n d图反射率测试装置F i g R e f l e c t a n c em e a s u r i n gd e v i c e为实现上述实验过程,在光伏组件正负极之间接入滑动变阻器,所有变阻器采用同一数值,测量光伏组件侧实时电流、电压.数据接入安捷伦数据采集仪,测量组件工作时电性能状态,数据记录间隔时间为m i n.电量采集通过采集微型逆变器数据实现.因实验使用的数据采集仪只能测量两组电流数据,需连接分流器.当有直流电流通过时,产生压降供直流电表使用,直流电表其实是电压表,按分流器规格 A mV等比例推算电流.实验结果与分析反射率实测分析物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比称为反射率.不同物体的反射率也不同,这主要取决于物体本身性质(表面状况),以及入射电磁波的波长和入射角度,反射率的大小范围总是小于等于,利用反射率可以判断物体的性质.实验中,在已知正面辐射量和反射辐射量的情况下,地面反射率计算公式为R,其中:R为地面反射率;为反射辐射量;为正面辐射量.为分析不同地面对双面光伏组件发电性能的影响,选取当日平均辐射为 W/m的个晴天(月日、月 日、月 日、月日、月 日),不同反射角度下()不同地面反射材料背面太阳能辐射强度变化情况如图所示.由图可知,不同地面反射材料的背面辐射随正面辐射的增加呈正相关关系,但铝箔地面的组件背面辐射随着正面辐射的增强在:时左右达到最大值,甚至在 月 日:分反射率达到,后随太阳高度角的不断升高,组件背面辐射急剧下降,在:左右达到最低点,然后继续上升,在:左右达到高点,此后下降直至辐射为.乳胶漆在种地面反射材料中平均反射率中最高(为),草坪的平均反射率最低(仅为).图表明,由于铝箔表面光滑,阳光直射容易形成镜面反射,早晚太阳高度角偏低,组件背面反射增强,中午太阳高度角上升,组件背面形成阴影,阳光直射减少,不能形成有效反射;乳胶漆是粗颗粒,形成漫反射,不会明显受阴影影响,致使辐射剧烈变化,因此在不考虑反射角度的情况下,可以选取乳胶漆作为反射背景材料.从 不同反射角度分析,铝箔和乳胶漆在所有材料中反射率位居前列,反射角度为、第 卷徐平等:不同反射角度和地面背景下双面光伏组件的发电特性研究 、时,铝箔和乳胶漆的反射率相差不大,但在 时铝箔的平均反射率为,乳胶漆的平均反射率为,因此反射角度在 时使用铝箔可以达到发电增益最大化.选取当天平均辐射为 W/m的个阴天(月 日、月 日),在、反射角度下种不同地面反射材料的组件背面太阳能辐射强度变化情况如图所示.作为对比,种材料的组件背面辐射都随正面辐射的增加呈正相关关系,不同背景的背面辐射随着正面辐射的增强达到最大值,其后随着天气的不断变化,背面辐射也随之变化,直至辐射下降为.图晴天时不同角度下不同地面反射材料反射率变化F i g V a r i a t i o no f r e f l e c t a n c eo fd i f f e r e n t g r o u n dm a t e r i a l sa td i f f e r e n t a n g l e so ns u n n yd a y s图阴天时不同角度下不同地面反射材料反射率变化F i g V a r i a t i o no f r e f l e c t a n c eo fd i f f e r e n t g r o u n dm a t e r i a l sa td i f f e r e n t a n g l e so nc l o u d yd a y s甘 肃 科 学 学 报 年第期以图中的两天测试数据分析可得,铝箔在种背景材料的平均反射率中最高(达),草坪的平均反射率最低(仅为).阴天和晴天对比的效果截然不同,主要原因是铝箔表面光滑,阴雨天镜面反射效果减弱,尤其在晴天时表现良好的乳胶漆漫反射减弱,因此在不考虑反射角度的情况下,可以选取铝箔作为反射背景.从 不同反射角度分析铝箔和乳胶漆在所有材料中的反射率位居前列,反射角度在、时,铝箔和乳胶漆的反射率相差无几;当反射角度在 时铝箔的平均反射率为,乳胶漆的平均反射率为,因此阴雨天反射角度在 时使用铝箔也可以达到发电增益最大化.发电增益分析()发电量增益计算方法发电量增益计算公式为Gc gMB P VMn p vMn p v ,其中:Gc g为发电量增益;MB P V为双面组件的发电量;Mn p v为常规组件的发电量.根据测试期间数据,将组不同地面反射材料的双面光伏组件发电量与普通单面光伏组件发电量对比,得出增益最大的反射材料.()发电量增益对比基于上述反射率的实测分析,不同天气下不同背景对应的双面组件产生的发电量相对于单面组件的增益,结果如图所示,图(a)为晴天时反射角度为 不同地面背景上的双面组件相对单面组件的发电量增益变化趋势,图(b)为阴天时反射角度为 不同地面背景上的双面组件相对单面组件的发电量增益变化趋势.图不同天气下发电量增益变化F i g P o w e rg e n e r a t i o ng a i nc h a n g e su n d e rd i f f e r e n tw a t h e rc o n d i t i o n s从图(a)中可看出,晴天时双面组件的发电量增益由大到小对应的背景材料依次为铝箔、乳胶漆、草坪,在:太阳辐射较弱时,乳胶漆背景的双面组件发电量增益强于铝箔背景的双面组件,在:时铝箔背景的反射率大于乳胶漆背景,此后随着太阳辐射的增强及太阳高度角的增加,铝箔的镜面反射减弱,同时发电量增益减小,此后发电量增益逐渐变大.乳胶漆背景的双面组件发电量增益在:时最高(可达),此后一直下降直至增益平缓至 左右波动.草坪背景的双面组件发电量增益从最初的 不断下降,直至稳定在.由此可知,晴天时双面组件发电量的增益与反射率的趋势基本相同,晴天时铝箔背景的双面组件在太阳辐射最强时发电量增益低于乳胶漆背景的双面组件,但是其一天中的平均值大于乳胶漆背景的双面组件,可达.从图(b)中可看出,阴天时双面组件的发电量增益波动不大,基本保持小幅度内波动,由大到小对应的背景材料依次为铝箔、乳胶漆、草坪,:太阳辐射为时,发电量没有增益,此后由于天气的原因,发电量增益也随着太阳辐射的变化而变化,铝箔背景的双面组件发电量增益在 左右波动,乳胶漆背景的双面组件发电量增益在 左右波动,而且在同一时刻阴天的发电量增益大于晴天的发电量增益.由此可知,阴天时发电量的增益强于晴天时发电量的增益,阴天时铝箔背景的双面组件发电量增益比乳胶漆背景的多大约.因此,随着太阳辐射值和太阳高度角的变化,反第 卷徐平等:不同反射角度和地面背景下双面光伏组件的发电特性研究射率也会变化.晴天时组件正面太阳辐照度高于阴天,组件背面太阳辐照度占比反而小于阴天.阴天组件发电量增益会大于晴天时发电量增益.结论通过研究双面光伏组件在不同地面背景和不同反射角度下的反射率和发电特性,得出以下结论:()不考虑反射角度的情况下,地面背景材料反射率的大小依次为乳胶漆、铝箔、瓷砖、白水泥、防水卷材、草坪,在反射角度为 时铝箔的平均反射率最大.()晴天时不同时刻反射率铝箔正午最小,上午最大,下午次之,其他材料反射率变化不明显,阴天时铝箔反射率大于其他材料.()阴天地面反射率大于晴天,双面光伏组件发电量的增益高于晴天.综上所述,通过反射材料和反射角度的变化,可以有效改变双面光伏组件的发电量.发电量增益随着反射材料反射率的增大而增大,反射角度在 时组件发电平均增益最大,最大可达 .种地面反射材料下,所有组件阴天的发电量增益高于晴天.参考文献:张继平,郝国强,李红波,等不同地面背景对双面光伏组件发电性能的影响J太阳能学报,():陆炜,田介花,潘少峰,等双面光伏组件发电特性实证及模拟研究J太阳能,():孙韵琳,陈荣荣,陈思铭基于户外实证的双面光伏组件输出特性数值模拟优化研究J可再生能源,():D o b r z y c k iA r k a d i u s z,K u r zD a r i u s z,M a ck o w i a kE w a I n f l u e n c eo f S e l e c t e dW o r k i n gC o n d i t i o n s o nE l e c t r i c i t yG e n e r a t i o ni nB i f a c i a lP h o t o v o l t a i cM o d u l e s i nP o l i s hC l i m a t i cC o n d i t i o n sJE n e r g i e s,():J a n gJ u h e e,L e eK y u n g s o o P r a c t i c a l P e r f o r m a n c eA n a l y s i s o f aB i f a c i a lP V M o d u l e a n dS y s t e mJE n e r g i e s,():S a h uPK,R o yJN,C h a k r a b o r t yC,e ta l A N e w M o d e l f o rE s t i m a t i o no fE n e r g yE x t r a c t i o nf r o m B i f a c i a lP h o t o v o l t a i cM o d u l e sJE n e r g i e s,():张臻,王磊,秦志光,等双面光伏组件发电性能影响因素理论与实验研究J太阳能学报,():梅安新遥感导论M北京:高等教育出版社,裴骏,陆炜,田介花,等双面光伏组件在多类型光伏电站中的发电特性研究J太阳能,():杨金焕太阳能光伏发电应用技术M北京:电子工业出版社,沈文忠太阳能光伏技术与应用M上海:上海交通大学出版社,R e s e a r c ho nP o w e rG e n e r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fB i f a c i a lP h o t o v o l t a i cM o d u l e su n d e rD i f f e r e n tG r o u n da n dR e f l e c t i o nA n g l e sXUP i n g,WE IW e i,L I UX i a o m i n,MAY u,G uJ i n s h o u,Y a n gL i n y a n,(G a n s uN a t u r a lE n e r g yR e s e a r c hI n s t i t u t e,L a n z h o u ,C h i n a;G a n s uP r o v i n c eL o w C a r b o nB u i l d i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r,L a n z h o u ,C h i n a;G a n s uT r a n s p o r t a t i o nC o n s t r u c t i o nQ u a l i t ya n dS a f e t yC o s tC e n t e r,L a n z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t I no r d e r t os t u d yt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tg r o u n db a c k g r o u n d so nt h ep o w e rg e n e r a t i o ng a i no fb i f a c i a lP V m o d u l e su n d e rd i f f e r e n t r e f l e c t i o na n g l e s,s i xN t y p e W pm o n o c r y s t a l l i n eb i f a c i a lP V m o d u l e sw e r eu s e da sr e s e a r c ho b j e c t s,a n dt h e i rp o w e rg e n e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r et e s t e do nat e s tp l a t f o r m T h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s u c ha s f r o n t a l r a d i a t i o n,r e f l e c t e d r a d i a t i o n,P Vm o d u l eo p e r a t i n gc u r r e n t,o p e r a t i n gv o l t a g ea n dm o d u l ep o w e rg e n e r a t i o nw e r e t e s t e d i nr e a l t i m ea n dw e r ec o m p a r e dw i t ht h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l e s i d e d m o d u l e s T h er e s u l t so ft h es t u d ys h o wt h a tt h ep o w e rg e n e r a t i o ng a i no fm o n o c r y s t a l l i n eb i f a c i a lP V m o d u l e s i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s e i nr e f l e c t i v i t yo f t h eg r o u n dm a t e r i a l,a n da m o n gt h es i xg r o u n d m a t e r i a l s,a l u m i n i u mf o i lg r o u n dh a st h eh i g h e s ta v e r a g ep o w e rg e n e r a t i o ng a i nr e a c h e d a ta ni n s t a l l a t i o ni n c l i n a t i o no f T h ep o w e rg e n e r a t i o ng a i no fa l lm o d u l e si sh i g h e ro nc l o u d yd a y s t h a no ns u n n yd a y s f o ra l l s i xg r o u n dm a t e r i a l s K e yw o r d s B i f a c i a lp h o t o v o l t a i cm o d u l e;P o w e rg e n e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s;P o w e rg e n e r a t i o ng a i n;R e f l e c t a n c e(本文责编:葛文)甘 肃 科 学 学 报 年第期