【科研速递】河海大学学者团队在双面发电光伏组件领域取得新进展

近日，河海大学机电学院白建波教授团队在光伏发电领域中取得新进展，相关研究成果“Parameterizing mismatch loss in bifacial photovoltaic modules with global deployment: A comprehensive study”在能源领域顶级期刊 Applied Energy （IF 9.746）上发表。图1 团队在跟踪山地光伏项目在双面发电的光伏组件中，每一片电池都是一个发电单元，但由于太阳光阴影的存在，导致双面组件背面发电失配效应，从而影响整体性能。为了更好地提升双面光伏组件的效能，机电学院白建波教授团队完善了双面组件背面发电量的详细求解思路，并分析阴影和失配规律，由此提出衡量背面失配的参数化模型。该模型为实现全球布置下多类型光伏组件实时发电性能快速预测和精确评估提供了思路，且更加适用于工程应用。 图2 不均匀辐照下双面光伏组件的I-V特性曲线
常规单面光伏组件只有正面受光，受光量在组件倾斜面上是均匀的。而双面光伏组件则不同，需要以每片电池为单元详尽计算。研究在Matlab中搭建了虚拟的光伏组件环境，光伏组件在空间上的每个点都能被精确定位，通过点与点之间的能量转换则可以通过积分形式被量化，从而实现双面光伏组件发电量的统计。
图3 双面光伏组件相对于安装地面的空间定位
由于地面上组件自阴影的存在，双面光伏组件背表面上的辐照均匀性不同。一般条件下，单块组件由于背面不均匀辐照导致的失配损失很少，但在评估双面光伏阵列真实性能或辐照资源丰富时，这部分损失需要考虑。传统的电池级电气模型（详尽计算模型）并不能适用于双面组件发电性能的快速评估。为了解决这一难题，白建波教授团队研究通过将背面发电失配损失（Mismatch Loss）参数化，定义成总辐照度变化（标准偏差σ）的函数，重新建立了方程，从而间接地考虑地面阴影影响。一旦求得每片电池或者特征电池的受光量时，便可以通过简化方程直接得出损失功率，绕过电气模型，高效地实现了双面组件发电性能的快速评估。
图4 双面组件正面年发电量（左图）和背面年发电量（右图）随安装高度（横坐标）和安装角度（纵坐标）的影响
图5 双面组件年总发电量（左图）和年发电损失（右图）随安装高度（横坐标）和安装角度（纵坐标）的影响

在建立全新方程的过程中，项目团队选择全球典型气候地区为研究对象，考虑海拔、反照率、倾斜角和区域气候特征，通过扩充源数据量、观察规律，得出安装高度是影响背面失配损失的最重要因素，从而提高高度权重，进一步优化拟合度。

图6 背面辐照度标准偏差σ（此处σ仅指背面不均匀度相对于组件背面辐照，而非总辐照度，其偏差值受地面反射率影响较大）和失配损失M（每小时数据）之间的关系（左图）背面辐照度标准偏差σ（此处σ指背面不均匀度相对于组件整体辐照）和失配损失M（每小时数据）之间的关系（右图）

为了更好地体现工程实际应用，论文中通过实例在给定的22°倾角、0.7m高度安装环境中，通过已知的辐照度标准σ和平均辐照下的双面增益（BG），快速评估出了任意经纬度单独安装的双面组件实际双面发电性能，结果以全球分布图的形式表达，可视化结果为实际双面工程中优化最佳安装参数提供参考。

图7 全球固定配置的双面光伏组件双面增益[%]仿真应用（左图依据均匀辐照理论，右图依据不均匀辐照理论，更加符合实际情况）

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来源：河海大学官网；机电院
编辑：小海螺记者 尤周缘；张然、柏蓉