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韩华
双面光伏组件:降低发电成本的新兴升级技术
发表于:2018-10-11 10:26:46
来源:PV-Tech

“双面”(bifacial)已经成为目前光伏领域的又一大热词,它预示着一种新的技术趋势。双面技术是指正面和背面均可受光的太阳能电池片或太阳能组件。这并不是一项全新的技术:自1994年以来,双面组件便一直用于高速公路声屏障等应用。

如今,由于多方面的原因,双面技术越来越受青睐。归结为一点,就是组件厂商正在努力提高组件性能,创造附加值。

这背后的想法非常简单:由于太阳直射光来自一个方向,因此光伏行业早期关注的主要是单面组件——即只有一面受光的组件。事实证明,哪怕到目前为止,单面组件也完全能够满足大多数应用的要求,因为即使在光伏发展早期,屋顶也被视为光伏系统的主要安装位置。显然,屋顶需要某种形式的覆盖物:它们通常不会被遮挡,并且背面不接收太阳辐射。因此,单面“太阳能瓦片”或太阳能组件在这种情况下是可行的。

后来,光伏在美国、日本和德国开始大行其道。在这些地区,光伏组件所接收的阳光通常70%为直射光,约20%为散射光,只有约10%来自背面。而如今,美国“阳光地带”的光伏系统越来越多地采用垂直安装方式,因为这些地区的地面反射率(即“反照率”)通常更高。因此,当地的光伏系统越来越重视被地面反射的太阳辐射。


光伏组件的安装方式变得越来越多样化:

A1)常规的倾斜安装或自动跟踪光伏系统:对于这类系统来说,非常重要的一点在于组件背面不能被安装支架系统或电缆导管遮挡,并且安装高度不能太低。

水面漂浮式光伏系统是一种比较有趣的光伏应用,其中光伏组件安装在浮筒上,这样水面的高反射率就能够得到充分利用。此外,组件下方的阴影区域更加凉爽,为鱼类提供了适宜的生长环境。这样,水域就可以同时用来养鱼和发电,实现渔光互补。

A2)水平安装:适用于需要架高安装的光伏系统,例如安装在农田上方或用作车棚及遮阳蓬等。这种安装方式在多风地区比较有优势。组件本身并不形成连续的表面,彼此之间留有间隙。

A3)垂直安装:污垢不会附着在组件上,并且很容易被雨水冲掉。但是,如果将单面组件垂直安装在纬度45°以下的地区,其发电量会显著降低。如果是东西向垂直安装的双面组件,情况就不一样了。

沙漠地区的反照率较高,同时存在严重沾污风险,因此垂直安装可能是兼顾解决清洁问题和保持发电量不变的理想选择。

声屏障、分隔墙以及类似的户外装置非常适合与太阳能组件相结合。如果组件的安装高度足够高,那么其下方还可以种植作物,实现农光互补。

双面组件的正面发电量比单面组件低3%左右,因为阳光会直接从双面组件的电池片之间穿过,而无法像单面组件那样被白色背板反射回来。

衡量光伏组件价值的度量单位是峰瓦(Wp)。这很容易理解,因为单面光伏系统的发电量大体上与装机容量成正比,而且系统平衡部件(BOS)成本很大程度上也取决于装机容量。因此,组件厂商不断努力提高其光伏组件的性能。然而,随着市场发展,竞争变得愈发激烈,组件厂商需要以更低的价格挖掘细分市场。

虽然绝大多数的光伏系统都是在工业环境中安装,如安装在大型工业屋顶或大面积土地上,不过光伏系统所发的电能经常在自由电力市场上交易。这意味着除了用“美元/瓦”来表示系统成本以外,光伏系统的发电成本(度电成本)也变得日益重要。

如今,凭借先进的电池片技术,太阳能电池片背面无需进行铝背场处理,且不会造成性能损失——这为双面电池片创造了条件。在单位装机容量相同的情况下,双面光伏系统的发电量远超单面系统。测量结果显示,在相同的单位装机容量下,前者的发电量比后者高10%至30%。由于沙漠等太阳辐射强度和地面反射率均非常高的地区对于光伏系统的需求不断增长,双面发电解决方案越来越受到青睐。

即使双面技术的需求增长首先来自上述地区光伏应用的推动,但随之而来的双面太阳能组件的加速开发和生产,也令其它地区的光伏系统受益匪浅。未来,双面组件将主导光伏建筑一体化系统以及其它组合应用,如农光互补、光伏遮阳蓬或光伏车棚等。

单面组件与双面组件的发电量对比:

为了比较不同的组件技术,在同一位置对采用不同技术的各个组件进行测量。其中,双面组件以不遮挡背面的方式安装。


上图显示了采用以下技术的各个组件的单位发电量:

单面铝背场(对照组,设为100%)

灰色:双面PERT

蓝色:双面HJT/SWCT(异质结电池片结构/SmartWire智能网栅连接技术)

上述组件对比试验所选取的位置包含了所有可能会影响发电量的因素:正面与背面辐照涵盖所有光谱效应和温度。自然状态下,地面的年平均反照率约为24%,偏差仅为2%左右。因此,该对比测量极其精确,比当前模拟程序的计算结果要可靠得多。在阿布扎比,梅耶博格HJT/SWCT组件的单位发电量平均比单面标准组件(Al-BSF)高出37%,比一线厂商的双面PERT组件高出12%。

组件每周清洗一次。

在多排光伏系统中,还必须考虑其它因素,并且背面的相互遮挡可能会降低发电量。这在很大程度上取决于光伏系统的设计,并且应当使用最新的模拟程序进行计算。在实验室及户外环境中完成测定的单个组件可作为模拟的最小测试单元。

到目前为止,所有光伏组件每天都遵循相同的模式:上午和下午几乎没有电能输出,中午的发电量最高。双面系统可以通过东西向安装避开这一模式:东侧上午发电,西侧下午发电。中午时分,当太阳位于光伏组件正上方时,双面组件接收的散射太阳辐射减少,发电量随之略微降低。这样可以在电网负荷高峰时段以更高的价格供电,同时避免在中午电网电力充足的情况下被限电。


典型大型光伏系统的成本组成如下:


太阳能组件仍然是当前最大的成本要素,尽管它占系统总成本的一半不到。同时,组件为系统提供了最大的优化潜力,而安装系统等要素能够节约的成本则相对微不足道。即使是单面系统,通过自动跟踪太阳也可以将发电量提高10%到20%;与之相比,安装自动跟踪器的双面系统在单位发电量增幅方面略胜一筹,因为双面组件能够较好地捕获背面的散射光。自动跟踪功能不仅能够优化组件正面对于直射光的利用,还可以加强组件背面对于散射光的利用——大约提高3%左右。

即使组件厂商将3%的反射率损失转嫁到双面组件的价格中,使双面系统的成本略微增加,也可以通过安装自动跟踪系统来提高发电量得到补偿。如上文所述,双面组件的发电量可提高10%至30%。

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