裴 骏，陆 炜，田介花，潘少峰，陆文俊，索博鹏，关连松

(江苏林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

双面光伏组件的正面和背面均能发电，其背面能够接收周围环境的反射光和散射光，并转换为电能。相较于相同安装条件下的单面光伏组件，双面光伏组件能发出更多的电量，这部分多发的电量即为双面组件发电量增益，主要是由组件背面发电量决定的，而其背景环境决定了发电量的增益比例。文献[1]对双面光伏组件较单面光伏组件在白石子、绿草地和沙地3种背景环境下的发电量增益进行了测试。但目前对于双面光伏组件的发电量增益比例还未有可靠的评估方法。本文分析了不同背景环境和不同支架类型光伏电站中双面光伏组件的发电特性，并利用PVsyst软件进行了发电量模拟。

1 双面光伏组件的发电特性

由图1可知，双面光伏组件正面主要吸收太阳的直射光、地面的反射光和天空的散射光，背面主要吸收背景的反射光和周围的散射光。背景反射率直接影响了双面光伏组件背面的发电量，背景反射率越高，组件背面接收到的反射光就越多，发电量也就越高。在背景反射率很高时，双面光伏组件的发电量能够提高10%～30%[1]。

图1 光线在双面光伏组件周围传输的示意图Fig.1 Diagram of light transmission around bifacial PV module

双面光伏组件相对于单面光伏组件的发电量增益α可表示为：

式中，WB为双面光伏组件每kW的发电量，kWh；WS为单面光伏组件每kW的发电量，kWh。

2 不同背景下双面光伏组件发电量的实证研究

双面光伏组件应用于草地、土地、水面、戈壁等场景中时，这些场景会随着季节的变化而改变颜色，从而对双面光伏组件的发电量产生影响。通过对已建立的一系列实证电站进行分析，研究双面光伏组件在不同场景下的发电特性。

2.1 水上光伏电站

该水上光伏电站位于安徽省淮北市，采用功率为295 W 的n型双玻双面光伏组件(以下简称“双面光伏组件”)，采用浮体高支架的安装方式，组件倾角为12°，组件下沿离水面高度为0.4 m。同时，在同样水面高度，以同样安装方式及同样组件倾角安装280 W的双玻单面光伏组件(以下简称“单面光伏组件”)作为对照组。2个测试组选用的逆变器、汇流箱、电缆均为同一型号，逆变器容量为50 kW。

图2 水上光伏电站实景图Fig.2 Photo of above-water PV power station

通过统计该电站1年的发电量数据发现，双面光伏组件较单面光伏组件的年均发电量增益为5.39%。双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益如图3所示。

图3 水上光伏电站中双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益Fig.3 Monthly power generation gain of bifacial PV module compared to single-sided PV module in above-water PV power station

从图3的数据可以看出，在水上光伏电站中，双面光伏组件在1月和12月的发电量增益较高，分别为11.89%和12.05%，其他月份均在7%以下。这是因为双面光伏组件的背面主要接收水体的反射光、散射光和进入水体又折射回水面的折射光，冬天太阳高度角低，阳光在水面有较低的入射角，而水面对于入射角低的光线有较高的反射率，因此冬季双面光伏组件的背面可以获得更多的反射光；此外，水生植物会吸收大部分入射到水体里的光线，冬季水体中的水生植物较少，所以透射回水面的光线较多。而夏季太阳高度角高，水面对入射角高的光线反射率低，且夏季水生植物较多，返射回水面的光线较少，所以夏季时双面光伏组件比单面光伏组件的发电量增益小。

2.2 农光互补光伏电站

该农光互补光伏电站位于山东省冠县，采用功率为290 W的 n型双面单晶硅光伏组件(以下简称“双面光伏组件”)，组件倾角为28°，组件下沿离地高度为2 m。附近以同一安装倾角和同一下沿离地高度安装280 W单面单晶硅光伏组件(以下简称“单面光伏组件”)作为对照组。2个测试组选用的逆变器、汇流箱、电缆均为同一型号，逆变器容量为50 kW。

该光伏电站的地面会随季节产生变化，冬季以黄土为主，春季和夏季以草地为主，秋季为枯草。季节不同地面反射率也不同，双面光伏组件较单面光伏组件的发电量增益也随之变化。

通过统计2018年5月～2019年4月这1年的发电量数据发现，双面光伏组件较单面光伏组件的年均发电量增益为11.96%。双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益如图4所示。

图4 农光互补光伏电站中双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益Fig.4 Monthly power generation gain of bifacial PV module compared to single-sided PV module in the agricultural PV complementation power station

从图4可以看出，6月的发电量增益最高，达到了15%，随后逐月递减，到次年2月有一个陡升。这是因为7月之前草的覆盖率较少，地面主要以土地为主，土地的反射率要高于草地，所以发电量增益较多；7月以后杂草逐渐茂盛，地面反射率降低，发电量增益减少；10月草地变黄，地面反射率变高，发电量增益变高；但是进入冬季后阳光较差，发电量增益下降，1月最低，只有10%；由于2月场区内下雪，雪地反射率较高，使2月的发电量增益变高，达到了13%。

图5 7月、8月和1月时光伏电站的地面情况Fig.5 Ground of PV power station in July，August and January

图5展示了光伏电站场区内7月、8月和1月的地面情况。由图可以看到，7月时，草还未完全覆盖地面，场区内有大片裸露的土地；8月时场区内已经完全被草地覆盖；1月时场区内的草已经完全枯黄。

3 不同支架类型时双面光伏组件发电量的实证研究

用于实证研究的光伏电站位于安徽省淮北市，采用功率为295 W 的n型双面光伏组件，支架类型为平单轴跟踪支架和固定支架2种。平单轴跟踪支架的跟踪角度为-60°～60°，支架高度为3.5 m；固定支架的倾角为25°，支架高度为2.6 m。背景分别为土地和白色农业大棚2种。在同一区域内有功率为285 W的单面光伏组件作为对照组。2个测试组中的逆变器、汇流箱和电缆均为同一型号，逆变器容量为50 kW。

图6为白色大棚背景下采用平单轴跟踪支架时双面光伏组件的布置情况。

图6 白色大棚背景下采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件的布置情况Fig.6 Arrangement of bifacial PV module with flat single-axis tracker mount under white greenhouse background

通过统计2018年4月～2019年3月这1年的发电量数据发现，在土地背景下，采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件(以下简称为“平单轴+双面光伏组件”)较采用固定支架的单面光伏组件(以下简称为“固定+单面光伏组件”)的年均发电量增益为20.17%；在白色大棚背景下，“平单轴+双面光伏组件”较“固定+单面光伏组件”的年均发电量增益为23.2%。图7为不同背景时，“平单轴+双面光伏组件”较“固定+单面光伏组件”的月发电量增益情况。由图7可知，“平单轴+双面光伏组件”较“固定+单面光伏组件”的月发电量增益呈夏季高、冬季低的趋势；且在白色大棚背景下的年均发电量增益比在土地背景下时高约3%。

图7 不同背景时，“平单轴+双面光伏组件”较“固定+单面光伏组件”的月发电量增益Fig.7 Under different backgrounds, the monthly power generation gain between bifacial PV module using flat singleaxis tracker mount with single-sided PV module using fixed mount

在白色大棚背景下，采用固定支架的双面光伏组件(以下简称“固定+双面光伏组件”)较“固定+单面光伏组件”的年均发电量增益为9.24%；在土地背景下，“固定+双面光伏组件”较“固定+单面光伏组件”的年均发电量增益为7.34%。不同背景时，采用固定支架的双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益如图8所示。

由图8可知，在土地和在白色大棚背景下，“固定+双面光伏组件”的发电量增益趋势是一致的；而且由于白色大棚的背景反射率较高，布置于其上的双面光伏组件的年均发电量增益比土地背景时多约2%。

图8 不同背景时，采用固定支架的双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益Fig.8 Under different backgrounds, the monthly power generation gain between bifacial PV module with single-sided PV module using fixed mount

综上所述，白色大棚的高背景反射率对提高双面光伏组件的发电量有促进作用。但由于大棚表面的弧度对光线反射的方向性，双面光伏组件的年均发电量增益只比其在土地背景下时高约2%～3%。

4 彩钢瓦屋面上双面光伏组件发电量的实证研究

彩钢瓦屋面是分布式光伏电站的常用屋面类型。本实证的彩钢瓦光伏电站位于安徽省安庆市某公司厂区的屋顶。为了研究不同颜色彩钢瓦及组件安装方式对发电量的影响，分别在白色和蓝色彩钢瓦上，采用平铺及10°倾角铺设双面光伏组件，并以采用同样方式铺设在蓝色彩钢瓦上的单面光伏组件作为对照组；以2017年9月～2018年10月为测试周期，对不同的组合方式进行测试，具体如表1所示。

由表1可以看出，当双面光伏组件平铺于白色和蓝色彩钢瓦上时，二者的发电量增益相近，分别是4.69%和4.59%，这说明彩钢瓦的颜色对双面光伏组件的发电量增益影响不大。当双面光伏组件以10°倾角铺设在彩钢瓦上时，白色彩钢瓦上双面光伏组件的发电量增益比蓝色彩钢瓦上的增加2.88%。这说明当双面光伏组件背部可以接收更多光线时，背景反射率对双面光伏组件发电量增益的影响程度就会加大。

表1 彩钢瓦场景实证数据Table 1 Test Data of color steel tile

图9为以10°倾角铺设时，白色彩钢瓦上的双面光伏组件较蓝色彩色钢瓦上的单面光伏组件的月发电量增益。从图中可以看到，双面光伏组件的发电量增益随季节而变化，呈夏季高、冬季低的趋势。夏季6月的发电量增益最高，为10.56%；冬季11月最低，为6.96%。

图9 以10°倾角铺设时，白色彩钢瓦上的双面光伏组件较蓝色彩钢瓦上的单面光伏组件的月发电量增益Fig.9 Monthly power generation gain of double-sided PV module on white steel tile compared to bifacial PV module on blue steel tile with 10° tilt

图10为双面光伏组件在不同颜色彩钢瓦上的铺设情况。

5 发电量增益的模拟值与实际值对比

将光伏电站实证数据与模拟数据进行对比，通过实证数据校正模拟参数的设定，可使模拟数据更接近双面光伏组件的实际发电情况，将为未来采用双面光伏组件的光伏电站设计和投资提供可靠的参考。本文利用PVsyst软件对上文几种实证电站所涉及到的单面和双面光伏组件的各月发电量进行模拟，并计算得到不同类型光伏电站中双面光伏组件较单面光伏组件各月发电量增益的模拟值，然后与各月发电量增益的实际值进行对比。

5.1 水上光伏电站中双面光伏组件的发电特性模拟

根据文献[2]可以得到，水面的平均反射率约为7%，因此模拟时的背景反射率选择7%。

图11为水上光伏电站中双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益模拟值和实际值曲线。可以看出，模拟值与实际值在1月和12月偏差较大，实际值呈现较高的上升趋势。这是由于冬天太阳高度角较低，水面反射率较高；在夏天正相反。因此，在模拟水上光伏电站双面光伏组件的发电量时，可以把冬季的水面反射率设置为10%左右，从而可获得较为准确的模拟结果。

5.2 农光互补光伏电站中双面光伏组件的发电特性模拟

图12为农光互补光伏电站中双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益的实际值与模拟值曲线。

图12 农光互补光伏电站中双面光伏组件较单面光伏组件月发电量增益的模拟值和实际值曲线Fig.12 In the agricaltural PV complementation power station,monthly simulated and actual power generation gain curves of bifacial PV module compared to single-sided PV module

从图12可以看出，月发电量增益的实际值和模拟值趋势相似，但数值差异较大。这是由于农光互补光伏电站的植物繁茂程度是随季节改变的，所以地面反射率也随季节变化，导致发电量增益实际值与模拟值相差较大。因此在模拟时为了获得较为精确的模拟结果，需根据电站所在地植被的变化情况按月设定地面反射率。

5.3 采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件的发电特性模拟

图13为白色大棚背景下，采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件较采用固定支架的单面光伏组件的月发电量增益模拟值与实际值曲线。

图13 白色大棚背景下，采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件较采用固定支架的单面光伏组件的月发电量增益的模拟值和实际值曲线Fig.13 Under white greenhouse background，monthly simulated and actual power generation gain curves of bifacial PV module using flat single-axis tracker mount compared to single-sided PV module using fixed mount

由图13可知，双面光伏组件较单面光伏组件的月发电量增益模拟值与实际值的变化趋势一致且相差不大，这说明模拟数据可以较好地反映实际情况。

5.4 彩钢瓦屋面双面光伏组件的发电特性模拟

根据文献[3-4]可知，白色彩钢瓦和蓝色彩钢瓦的反射率分别为70%～80%和25%～35%，因此在模拟时，白色彩钢瓦和蓝色彩钢瓦的反射率分别取80%和25%。

表2为不同彩钢瓦场景下双面光伏组件较单面光伏组件的发电量增益模拟值和实际值，可看出二者相差较大。平铺时，双面光伏组件分别在白色和蓝色彩钢瓦上时的发电量增益模拟值相差很大，但实际值却相差很小；以10°倾角铺设时，双面光伏组件在白色彩钢瓦上的发电量增益模拟值大于实际值，在蓝色彩钢瓦上的发电量增益模拟值小于实际值。因此，模拟双面光伏组件在彩钢瓦屋面的情况时，需要参考实证数据进行修正。

表2 不同彩钢瓦场景下，双面光伏组件发电量增益模拟值和实际值Table 2 Simulated and actual power generation gain of bifacial PV module on steel tile

根据实际数据重新修正白色彩钢瓦和蓝色彩钢瓦的反射率为50%和35%。表3为反射率修正后重新模拟的发电量增益模拟值和实际值情况。

表3 反射率修正后双面光伏组件的发电量增益模拟值和实际值Table 3 Simulated and actual power generation gain of bifacial PV module with revised reflectivity

从表3可以看出，反射率修正后的模拟值和实际值相差在1%以下。

6 结论

本文通过多个实证电站获得了双面光伏组件在不同环境下的实际发电数据，并将其与PVsyst软件模拟的数据进行比较，得到了以下结论：

1)在水上光伏电站，由于水面的反射特性，双面光伏组件较单面光伏组件的年均发电量增益仅为5.39%。从月发电量增益来看，由于冬季太阳高度角较低，水面对阳光的反射率较高，因此冬季的发电量增益比夏季高，达到11%以上。

2)在农光互补光伏电站，双面光伏组件较单面光伏组件的年均发电量增益可达11.96%。由于草地的颜色随季节的变化而变化，因此，双面光伏组件的发电量增益也随之变化。裸露地面的反射率高，双面光伏组件的发电量增益也较高；当地面草长的茂盛时，草地反射率较低，发电量增益也较低。

3)在土地背景下，采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件较采用固定支架的单面光伏组件的年均发电量增益为20.17%；而在白色大棚背景下，该增益为23.2%。

4)当双面光伏组件平铺于彩钢瓦上时，彩钢瓦的颜色对其发电量增益影响很小；当双面光伏组件以一定倾角铺设于彩钢瓦上时，彩钢瓦的颜色对其发电量增益的影响较大，白色彩钢瓦可以获得较高的发电量增益。

5)将双面光伏组件发电量增益的模拟值与实际值对比后发现，选择合适的反射率，可以使模拟值和实际值较接近。在水面环境下，模拟值和实际值在夏季较接近，而冬季偏差较大，主要是由于冬季水面反射率变化导致的。采用平单轴跟踪支架的双面光伏组件的发电量增益模拟值和实际值的趋势一致。彩钢瓦环境下，双面光伏组件发电量增益的模拟值与实际值的偏差较大，修正背景反射率后，得到了较为接近实际值的模拟结果。