與單面電池相比，雙面電池的背面也吸收陽光，以增加雙面電池的發(fā)電量。影響雙邊部件的發(fā)電因素是什么，如何優(yōu)化這些因素的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)發(fā)電是電廠承包商和客戶關(guān)注的問題。
本文將介紹一種模型來預(yù)測雙面組件的一代獲得模擬地面電站、和分析雙面組件的一代獲得變異將這個(gè)模型應(yīng)用于各種系統(tǒng)參數(shù),如地面反射率,裝配高度,GCR組件的表面,和陰影遮擋。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出最佳的系統(tǒng)安裝參數(shù)，以獲得更好的雙側(cè)發(fā)電增益。
01
雙邊增益光學(xué)模型介紹
目前，發(fā)電廠主流軟件仿真廠商和第三方研究機(jī)構(gòu)普遍采用兩種光學(xué)模型來模擬雙面器件的產(chǎn)生增益，即視因子模型和光線跟蹤模型。下面詳細(xì)介紹兩種光學(xué)模型。
透視系數(shù)模型主要用于PVSyst、SAM、ISC Konstanz等廠家和機(jī)構(gòu)。在雙邊模組模擬中，主要使用透視系數(shù)來表示從地面發(fā)出的輻射有多少能被模組背面接收。設(shè):地面為A1，組件背面為A2，則FA1→A2為A1反射的輻射量，A2能接收到的比例。Ufuk Alper Yusufoglu在2014年第四屆國際晶體硅光伏大會(huì)上介紹了透視系數(shù)模型。計(jì)算公式如下:
在上面的公式:A1是指地面,A2是指組件,1是之間的夾角線年代A1正常n1和A1和A2,和2之間的夾角線年代A2正常n2和A1和A2。早在1981年，在《傳熱傳質(zhì)書》8.3中，u. Gross對該公式進(jìn)行了求解，其解圖如下:
對上述公式進(jìn)一步推導(dǎo)得出:
如你所見，這是一個(gè)涉及到三維坐標(biāo)系的公式，因此計(jì)算變得非常復(fù)雜。為了簡化計(jì)算公式，假設(shè)固定支架在東西方向上無限長，將三維坐標(biāo)系簡化為二維坐標(biāo)系。從側(cè)面看，簡化后的二維圖形如下:
通過對上圖中x坐標(biāo)上各點(diǎn)的視角系數(shù)進(jìn)行積分，就可以得到構(gòu)件背面的總視角系數(shù)。
另外，由于斜入射模塊的光會(huì)被模塊阻擋在地面上產(chǎn)生陰影區(qū)域，所以只有散射光DHI才能被陰影區(qū)域反射。然而，在非陰影區(qū)域，直接光束水平輻射和DHI都會(huì)被反射。Iref,r，表示兩個(gè)區(qū)域反射的輻照度之和:
在上面的公式中,反照率代表了地面反射、濟(jì)代表了散射光的輻照度在陰影區(qū)域,GHI代表總直接和散射光的輻照度non-shaded地區(qū)代表視角系數(shù)之間的地面的陰影部分和后面的裝配,和代表之間的視角系數(shù)non-shaded地面的一部分,后面的組裝。通過上述公式，可以得到模塊背面接收到的總輻照度，進(jìn)而可以計(jì)算雙面模塊背面的發(fā)電增益。
另一種射線追蹤模型主要是NREL、EDF R&D和Fraunhofer ISE。這個(gè)模型來源于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——光線追蹤，它主要用于計(jì)算通過計(jì)算機(jī)軟件模擬反射到人眼的光線數(shù)量。根據(jù)這一原理，可以計(jì)算出雙面組件背面的輻照度。
一個(gè)簡單的類比是把一個(gè)圖像描繪成人眼或照相機(jī)。當(dāng)光線從一個(gè)物體上反射并進(jìn)入我們的眼睛或相機(jī)時(shí)，我們可以看到這個(gè)物體，相機(jī)可以對它成像，如圖左上角所示。然而，大部分來自光源的光線并不進(jìn)入人眼，所以沒有必要跟蹤那些不進(jìn)入人眼的光線。
但是如何確定跟蹤哪條射線呢?計(jì)算機(jī)科學(xué)提供了一個(gè)相反的解決方案。如右圖所示，我們假設(shè)“人眼”發(fā)出的一定數(shù)量的光與虛擬三維物體相互作用后匯聚到光源，則需要對其進(jìn)行跟蹤。“量”(影響渲染分辨率)和“交互”(影響渲染結(jié)果的真實(shí)性)都是人為控制的。上述過程可以用數(shù)學(xué)方法計(jì)算，并用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)。
02
利用軟件模型研究了雙側(cè)組件發(fā)電的影響因素
影響雙面模塊背面發(fā)電增益的主要因素有地面反射率、組件高度、模塊對表面的GCR、陰影屏蔽等。利用PVsyst軟件(基于透視系數(shù)光學(xué)模型)模擬各因素對雙面組件背面發(fā)電的影響。
2.1表面反射率對雙面發(fā)電的影響
理論上，地面反射率越高，雙面組件背面的輻射越強(qiáng)，雙面增益也就越高。然而，雙邊增益與地面反射率之間的具體關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。
下圖通過軟件模擬了5個(gè)不同城市的地面反射率與雙面增益之間的關(guān)系，可以看出，雙面增益與地面反射率呈線性關(guān)系。這很容易理解，因?yàn)殡p面組件背面的總輻照度公式也顯示了總輻照度與反射率之間的線性關(guān)系，表明仿真結(jié)果與理論一致。
2.2裝配高度對雙面產(chǎn)生的影響
因素,二維簡化模型根據(jù)視圖組件安裝高度增加時(shí),視圖的因素變得越來越小,但接收輻照度會(huì)增加,所以雙功率增益和安裝高度不再是線性關(guān)系,低于模擬之間的關(guān)系分別為30%,50%,80%的地面反射情況下組件安裝高度變化引起的雙功率增益,可以看出在0和1米的安裝,兩倍增長呈快速增長趨勢，而在1米以上高度呈緩慢增長趨勢。
值得注意的是，當(dāng)組件高度變化時(shí)，雙面組件背面接收到的輻照度均勻性也會(huì)發(fā)生變化，從而影響雙面組件背面的產(chǎn)生增益。下圖模擬了兩個(gè)高度下模塊背面照射的均勻性。可以看出，當(dāng)安裝高度在1米左右時(shí)，模塊背面的照射均勻一致，有利于提高模塊的發(fā)電能力。
2.3 GCR對雙側(cè)發(fā)電的影響
GCR是方陣寬度與陣列間距之比。根據(jù)視角系數(shù)的二維簡化模型，當(dāng)GCR變小時(shí)(即方陣間距變大)，視角系數(shù)變大，地面反射的輻照度變大。然而，由于GCR的變化與視場角度系數(shù)直接相關(guān)，且存在復(fù)雜的積分關(guān)系，使得雙側(cè)發(fā)電增益與GCR之間的函數(shù)關(guān)系變得復(fù)雜。
光伏廠家下圖模擬了由于GCR的變化而引起的雙邊增益的變化趨勢。可以看出，當(dāng)GCR從0.25到0.5變化時(shí)，雙邊增益基本上呈線性關(guān)系，但當(dāng)GCR從0.1到0.25變化時(shí)，雙邊增益的斜率減小，變化趨勢變緩。從理論上講，當(dāng)方陣間距增大時(shí)，雙邊增益增大，但土地利用成本也相應(yīng)增大。在電站設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮雙側(cè)增益和雙側(cè)成本，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
2.4陰影對雙面發(fā)電的影響
在某些情況下，構(gòu)件背面的支架遮擋是不可避免的，如下圖所示。支架的高度(h)和支架的厚度(a)的變化都會(huì)影響組件背面接收到的光線。
對以上兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真(如下圖所示)，可以看出，從元件上增加支架的高度或者減少支架的厚度，都可以減少屏蔽帶來的光損耗。如果無法避免支架在背面的遮擋，建議支架距構(gòu)件高度至少40mm。
此外，龍機(jī)還研究了幀遮擋和雙側(cè)產(chǎn)生增益。如下圖所示的仿真結(jié)果表明，由幀引起的所有陰影遮擋都會(huì)導(dǎo)致光損耗。電池離框架越遠(yuǎn)，屏蔽造成的光學(xué)損傷越小。框架表面C離構(gòu)件越高，光學(xué)損耗越大。
為了消除框架遮擋帶來的光損耗，龍記專門設(shè)計(jì)了不帶c側(cè)的短框架，并通過戶外測量驗(yàn)證，如下圖所示。與傳統(tǒng)短幀相比，發(fā)電增益平均為0.6%。
綜上所述，影響雙面組件發(fā)電的主要因素有:地面反射率、組件安裝高度、組件對地表覆蓋(GCR)、陰影遮擋等。對于EPC來說，考慮以上因素將有助于設(shè)計(jì)最具成本效益的電站，為客戶帶來更多的實(shí)惠。
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