相比单面组件,双面组件是如何提升系统发电效能的?

  • 2018年08月03日
  • 作者: Radovan Kopecek博士等

    Radovan Kopecek博士等

    创始人之一,康斯坦兹国际太阳能研究中心(ISC Konstanz)

    康斯坦兹国际太阳能研究中心(ISC Konstanz)的创始人之一

    Joris Libal

    Joris Libal

    项目经理,ISC Konstanz

    ISC Konstanz项目经理

图一:(a)位于智利St Felipe 的 La Hormiga固定倾角双面光伏发电场;(b):位于德国的Next2sun垂直双面光伏发电场和(c)位于智利La Silla的跟踪式双面光伏发电场

图一:(a)位于智利St Felipe 的 La Hormiga固定倾角双面光伏发电场;(b):位于德国的Next2sun垂直双面光伏发电场和(c)位于智利La Silla的跟踪式双面光伏发电场

双面收益通常定义如公式一

双面收益通常定义如公式一

图二:一系列组件的剖面结构示意图,包括(a)双面组件和(b)(c)(d)三种可行的单面参考组件,(b)双面电池加黑色背板,(c)双面电池加白色背板和(d)单面电池加白色背板

图二:一系列组件的剖面结构示意图,包括(a)双面组件和(b)(c)(d)三种可行的单面参考组件,(b)双面电池加黑色背板,(c)双面电池加白色背板和(d)单面电池加白色背板

图三:(a)-(c)表示了三种可行的双面组件安装形式和(d)各自每日发电曲线,以及在相同形式下单面组件的发电曲线

图三:(a)-(c)表示了三种可行的双面组件安装形式和(d)各自每日发电曲线,以及在相同形式下单面组件的发电曲线

图三:(a)-(c)表示了三种可行的双面组件安装形式和(d)各自每日发电曲线,以及在相同形式下单面组件的发电曲线

图三:(a)-(c)表示了三种可行的双面组件安装形式和(d)各自每日发电曲线,以及在相同形式下单面组件的发电曲线

图四: (a)单面S/N固定朝向系统的示意图;(b)E/W朝向双面单轴跟踪系统的示意图

图四: (a)单面S/N固定朝向系统的示意图;(b)E/W朝向双面单轴跟踪系统的示意图

表格一:各种安装模式下BiSoN(nPERT)组件的双面增益

表格一:各种安装模式下BiSoN(nPERT)组件的双面增益

图五:展示了安装在智利(反照度为25%)的不同组件和系统技术的(a)发电能力及(b)其对应的LCOE (假设单面固定倾角系统安装成本:US$0.92/Wp;和单面和双面水平单轴跟踪系统安装成本:US$

图五:展示了安装在智利(反照度为25%)的不同组件和系统技术的(a)发电能力及(b)其对应的LCOE (假设单面固定倾角系统安装成本:US$0.92/Wp;和单面和双面水平单轴跟踪系统安装成本:US$1.00/Wp)。该例子的跟踪收益(单面水平轴向跟踪与单面固定轴相比)结果为17%。在HSAT系统中使用双面组件代替单面组件将带来14.7% (相对)的额外收益,使得总收益(跟踪+HSAT)为34%

图五:展示了安装在智利(反照度为25%)的不同组件和系统技术的(a)发电能力及(b)其对应的LCOE (假设单面固定倾角系统安装成本:US$0.92/Wp;和单面和双面水平单轴跟踪系统安装成本:US$

图五:展示了安装在智利(反照度为25%)的不同组件和系统技术的(a)发电能力及(b)其对应的LCOE (假设单面固定倾角系统安装成本:US$0.92/Wp;和单面和双面水平单轴跟踪系统安装成本:US$1.00/Wp)。该例子的跟踪收益(单面水平轴向跟踪与单面固定轴相比)结果为17%。在HSAT系统中使用双面组件代替单面组件将带来14.7% (相对)的额外收益,使得总收益(跟踪+HSAT)为34%

光伏双面化可以通过各种太阳能电池和组件结构来实现,在系统级层面也有许多其他应用。这使得双面化成为一门相当复杂的技术。目前困扰光伏行业的问题是如何预测双面技术收益以及如何将这些信息转换到降低成本和系统LCOE上。在本文我们将描述如何定义双面技术的收益、可以预期获得怎么样的双面产品收益以及这对实际应用又意味着什么。

前言

双面系统为降低许多光伏系统应用的平准化能源成本(LCOE)提供了极具光明的前景。这种新兴的技术有着广阔的应用场景——例如大型地面安装系统,反射度强的平坦屋顶,声障系统,水上光伏系统或者大规模跟踪式光伏系统等。最新的应用非常有趣,在许多项目上都取得了最低的LCOE。此前位于沙特阿拉伯的光伏系统甚至曝出了最低价,是由EDF和Masdar开出的,首次低于0.02 US$/kWh,并最有可能使用双面技术结合跟踪式技术[1]。

双面化不单应用场景非常丰富,还有多种安装方式可供选择:从标准倾斜安装系统,到水平甚至是几乎不占据地面面积的竖直安装。图一描述了三种主要安装方式的示例。

双面化收益的定义

一种定义双面化收益的可行方法是分析“双面增益”,即比较在同样安装条件下双面器件与单面器件所产生的能量差异。这一比较可以包括单块电池组件或者包含两种器件类型的更大型组件,因为通常会分析kWh/kWp的发电比例。其中kWp的数据通常反应双面组件的STC (标准测试条件)前表面测试结果。最直接的方式是对相似类型的器件和有着同样前表面效率的器件进行比较,例如如果使用背面被遮挡住的双面组件作为参考。

双面收益通常定义如公式一。

其中,ebifacial:表示双面组件光伏系统的发电能力(kWh/kWp);emonifacial:表示单面组件光伏系统在相同一面、相同安装方式和相同时间下的发电能力(kWh/kWp);

由于双面化增益是另一种表示发电能力的方式,因此也是衡量LCOE——与总的双面光伏系统安装和运营成本(€/kWh)——以及双面光伏经济可行性的标准。

上述对双面增益的数学定义非常简单—但选择何种单面组件作为单面参考组件存在不同可行性。因此有时候所报道的双面增益会有所不同——虽然第一眼看起来条件完全相同。图二(a)展示了双面组件和三种不同单面参考组件(b)、(c)和(d)。

许多公司使用标准白色背板封装单面电池用作参考(图二(d))组件,有些公司则是使用单面白色背板封装相同的双面电池(图二(c))和某些单面黑色背板封装同样的双面电池(图二(b))。这三种参考组件将带来不同的结果,因为白色背板导致前表面入射光反射至太阳能电池上。即使单面太阳能电池有着与双面电池(例如前表面功率、电压和温度效率)同样的特性,该组件的前表面功率在STC下提高ca.2% (标准测试条件:25℃,1,000W/m2,AM1.5光谱),因为额外的入射光反射到前表面以及在户外测试时能量收集增加更多。当双面电池与白色背板结合时同样可以看到发电能力增加:总的额外能量收集(kWh/kWp),也是由入射到太阳能电池背面的散射光决定的,例如在LG NeON 组件上观察到的额外能量收集结果高达5%。

因此,如果仅需观察双面增益,可使用相同的双面组件并覆盖上黑色背板之后作为参考组件。

对比结果将准确揭示单单由组件背面产生的能量。如果将双面电池加上白色背板的单面组件作为例子,双面增益将约低估ca.5%,因为这种结构在户外测试时,背表面是贡献能量输出的。因此可想而知,之前在不同文章中报道的结果或存在差异。

另一个关键点是,所选择的单面参考组件的温度效率应该与双面组件的相同。否则,在对双面异质结晶硅组件(Pmpp的温度效率在0.30%/℃)和标准单面铝背场(Al-BSF)组件(温度效率在0.45%/℃)进行比较时,大部分归功于双面化的能量增益,实际都是由于减少了异质结组件的温度损失而带来的。作为参考,覆盖了黑色背板的相同HJT组件将成为相同类型比较模式的最佳选择。

双面增益的例子:同类型比较

不仅是不同参考组件的选择,不同安装形式也同样会导致不同的双面增益——正如我们要展示的,在某些情况下这些参数甚至会超过100%。图三展示了不同的安装形式:(a)倾斜S/N(南/北)朝向安装,(b)水平B/T(底部/顶部)和(c)竖直E/W(东/西)朝向安装。

倾斜S/N朝向安装可以为双面组件带来最高的功率输出,因为前表面产生的功率最高,而背面则因地面的反照率不同最高可以贡献超过30%的额外电能。在这里,一块300Wp组件可以产生接近400Wpe的有效功率(峰值功率)。这种关系可以在图三(d)的虚线和实线蓝色曲线之间体现出来。

可用于车棚安装的水平B/T朝向安装方式有着类似的特点,只是由于该组件不是以最佳倾角安装——除了安装地区是赤道附近之外,所以绝对发电功率有所降低。单面和双面发电曲线分别由绿色虚线和实线表示。目前讨论的所有安装方式的曲线形状都非常相似,即在中午时间达到峰值。

而由竖直E/W朝向安装方式产生的曲线形式(双峰和单峰曲线)则完全不同。当安装的双面组件具有高双面因子(b:背面功率/前面功率>0.9,例如nPERT BiSoN(N型双面太阳能电池)或来自Sunpreme的HJT 组件)时,可以用红色实线表示。相比于S/N朝向安装方式,竖直安装方式在早晨和傍晚产生的电能要多很多。不过在正午期间,发电功率会出现一次下降,因为此时太阳光直射照射在边框上,只有散射光入射到组件前表面和背面。

然而,由于地面覆盖比例接近于零,以及发电峰值持续时间更长,使得这种安装方式非常具有吸引力。如果以这种安装方式安装单面组件,其发电峰值将变成单峰形状,其产生的能量比双面组件低50%。因此,这种安装方式的双面增益将超过100%。不过这种比较并没有太大意义,因为没人会以E/W方向垂直安装单面组件。因此,垂直双面组件必须与单面S/N朝向组件进行比较。

需要注意的是,对于有些特定纬度的安装地区,垂直安装双面组件可能导致双面增益将为负值。不过,如果考虑到竖直安装可以减少组件被污染的概率,这种安装方式还是具有优势的。

表一总结了BiSoN (nPERT)组件在各种安装模式下的双面增益。因为开发商MegaCell和Enel在位于智利的大型双面系统上使用的是白色背板标准单面组件作为参考组件,所以实际的双面增益会有轻微差异。

对于固定朝向S/N组件系统,来自全球许多不同返照率的地区已经报道了相当多的例子。受到地面返照率(其中沙地为25%,白色石头地面为75%左右)的影响,双面增益可以达到15-30%之间。

对于竖直E/W安装系统,情况会变得更加复杂,且目前没有太多实际可以参考的系统。这种情况下,不但要考虑组件类型和返照率,还要考虑参考系统的安装模式和当地纬度。如果与竖直安装的单面组件进行比较,可能会观察到超过100%的双面增益。不过这种比较的意义不大——在这里,与倾斜朝向赤道的单面组件进行比较的效果更符合实际。

如果在高纬度地区安装这种系统,由于散射光线比直射光线更强,而且竖直安装的效果远低于以优化倾斜角度安装的效果,可能观察到10%的发电功率增益——但在低纬度地区则甚至可能观察到5%的发电损失。尽管如此,这种安装方式依然受到关注,原因有以下几点:1)地面覆盖率接近于0;2)发电峰值范围更广;3)竖直安装时受外界环境玷污的概率更小。然而,竖直安装方式需要面对风阻增大的挑战。

在最近的几个月里,使用单轴跟踪系统的双面系统受到越来越多的关注,因为大型系统的实验结果表明这种安装方式的双面收益同样非常高。许多跟踪安装方式的系统对于双面组件来说是近乎理想的选择,因为组件的安装高度非常高且前后组件距离较远。因此这种情况下的双面增益与单轴跟踪方式的单面系统非常相似。业界首次报道这种安装方式的系统是来自La Silla的Enel[7]。

在高返照率地区以单轴跟踪模式安装双面组件可以获得比固定朝向单面组件多40%的电能。

越来越多的大型公司已经实现了这难以置信的发电量增长,而单轴跟踪系统制造商也正在优化它们的产品以更好地适应双面化应用。

双面技术在现实中的应用:作不同类型的对比

我们已经知道,根据定义的不同,双面增益可以超过100%。不过对于系统设计人员来说,该结果不具备现实意义。唯一让他们感兴趣的问题是:如何设计出具有最低LCOEs的光伏系统?然后需要将最优的双面系统与最优的单面系统进行对比,如图四所描述。

为此,许多光伏系统设计人员使用了PVsyst软件,这是一款能通过计算得到项目可融资性结果的模拟软件。当输入所有必要参数后,例如组件特性、系统安装模式以及安装地区的条件等,就可以计算发电能量,并最终得到系统LCOE结果。从2017年9月份开始PVsyst已经可以支持双面系统的模拟——但只限于固定倾角安装模式。ISC Konstanz开发了一套模拟程序,能够进行双面跟踪式系统的模拟。图五展示了在智利同一地点安装的三套不同光伏系统的结果。

结论

双面增益概念描述了当使用双面组件代替参考单面组件进行安装时,双面组件是如何提升系统的发电效能的。根据参考组件的不同,这些差异值甚至可能超过5%(相对值),即使是双面和单面系统采用了相同的安装形式。如果你想知道实际双面增益——即背面所产生的额外收益——最简单的方法时将双面组件的背面用黑色板子盖住作为参考组件。双面增益还决定于组件双面因子b。目前,双面PERC组件的双面因子b<80%,而nPERT和HJT的b>90%。因此在进行模型模拟或实验时还需要说清楚何种组件具有何种b参数。

在特殊条件下,可以测得超过100%的双面增益,例如当使用垂直安装的双面组件与单面组件进行比较时。然而在实际情况下,对于光伏系统层级的优化设计,只有在对比优化的单面和优化的双面系统的能量输出,以及比较最终的LCOEs结果才有意义。在这里“优化”的含义可能会受到特殊应用场景和可以安装场所的影响。

本文刊发于《PV-Tech PRO》2018年5月刊,PV-Tech原创文章,未经许可严禁转载,违者必究

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