沙漠环境中双面光伏组件在水平单轴跟踪器上的性能提升研究

《IEEE Journal of Photovoltaics》：Performance Enhancement of Bifacial PV Modules on Horizontal Single-Axis Trackers in Desert Environments

为解决双面光伏(PV)组件在实际户外条件下的性能评估标准缺失和能量输出预测模型不足的问题，研究人员在智利阿塔卡马沙漠开展了针对水平单轴跟踪器上双面光伏组件的能量增益研究。结果表明，采用常规跟踪器时双面组件能量产出提高约5%，而优化跟踪器可进一步提升至6.1%，凸显了跟踪器设计对最大化双面光伏效率的关键作用。该研究为大型双面光伏电站的性能评估提供了重要实证依据。

　　

在追求更高能量产出的光伏技术发展道路上，双面光伏（bifacial PV）技术近年来展现出巨大潜力。这种能够从正反两面捕获光能的技术，早在1960年代就被提出，但直到1980年代才由西班牙马德里理工大学太阳能研究所的研究人员重新点燃了业界兴趣。随着PERC（passivated emitter and rear cell，钝化发射极和背面电池）、TOPCon（tunnel oxide passivated contact，隧穿氧化层钝化接触）和HJT（heterojunction，异质结）等高效电池结构的成熟，双面技术逐渐走向产业化。行业预测显示，未来十年内双面组件将占据光伏市场约90%的份额。

然而，双面技术的广泛应用面临两大挑战：缺乏标准化的性能评估方法和简单的数学模型来预测能量输出。与传统的单面（monofacial）组件不同，双面组件的性能评估需要同时测量前后两面的辐照度，而后面的辐照度又受到地面反射率（albedo）、安装高度、跟踪配置等多种场地特定因素的影响。此外，背面辐照度的不均匀分布会影响双面电池的热行为和电行为，使得性能分析更加复杂。尽管已经部署了一些大型双面光伏电站，但制造商主要依赖适应性的单面评估程序，导致数据未经验证，实际能量增益存在不确定性。这种可靠性能数据的缺乏使得双面光伏项目的融资更加困难，限制了其更广泛的市场渗透。

现有关于双面光伏现场性能的研究主要集中于小规模实验装置，报告的能量增益范围为15%到25%。但这些研究往往无法复现商业运营条件，即能量产出需要基于成本效益进行优化。相比之下，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE）的研究人员认为，大型商业装置中的双面增益将显著降低，固定倾角系统通常约为5%，标准跟踪配置约为8%，而优化的双面设置最高可达13%。一些研究在类似商业条件下报告了水平单轴跟踪器的双面增益在6%到9%之间，某些地点最高可达12%。

商业双面光伏装置的性能受到几个关键因素的影响。增加组件高度可以提高背面辐照度，但与风荷载约束相冲突。土地覆盖率（land coverage ratio）也影响双面增益，因为更密集的组件布局会减少到达背面的反射辐射。此外，虽然实验装置通常使用高反射表面来增强双面性能，但在大型装置中保持高反射率面临经济性和物流方面的挑战。由于灰尘积累和植被生长导致的地面退化会显著降低反射率（albedo），有研究报道在短短四个月内反射率下降25%。

鉴于这些挑战，商业规模装置中可实现的真实双面增益仍不确定。双面性能对场地特定条件的强烈依赖性，加上有限的真实世界数据，突显了对双面光伏系统优化设计和评估方法进行进一步研究的必要性。此外，必须建立测量前后辐照度以及组件温度的标准程序，以确保性能评估的准确性。

在此背景下，来自纳瓦拉公立大学（Public University of Navarre）智能城市研究所（Institute of Smart Cities）的í?igo de la Parra、Miguel García、Javier Marcos和Luis Marroyo等研究人员，在智利阿塔卡马沙漠的一个光伏电站开展了深入研究。他们比较了安装在常规水平单轴跟踪器（Tracker S1）和专为双面性能优化的跟踪器（Tracker S3）上的双面光伏组件的能量增益。这项研究扩展了此前一年的分析，涵盖了两年期的数据，并引入了一种新的2H组件配置分析，提供了关于辐射增益和能量生产的额外结果。值得注意的是，研究没有应用任何人工反射增强措施，确保了对自然条件下双面组件性能的更真实评估。

研究团队在智利阿塔卡马沙漠的一个光伏电站建立了实验系统，该系统由六个采用双面PERC（p型）技术组件的发电单元组成。其中两个单元安装在常规水平单轴跟踪器（S1）上，该跟踪器上也安装了一个作为研究参考的多晶硅（p-Si）单面发电单元。在S1跟踪器上，一个发电单元的组件采用1V配置，另一个则采用2H配置。其余四个双面发电单元安装在专门为双面技术设计的南北朝向跟踪器（S3）上。S3跟踪器的主要设计特点使其更适合双面组件，包括更高的离地高度、采用2V配置（防止中央横梁造成背面遮阴）以及增加的行间距。跟踪器采用标准回溯跟踪（backtracking）模式，跟踪角度范围为±55°，典型跟踪步长为1°，响应间隔为1分钟。S3跟踪器的结构设计将其中央支撑梁置于组件后缘下方，避免了直接遮挡背面辐照。而S1跟踪器上的2H配置包含的结构梁会部分遮挡组件的背面，尤其是在中央区域。基于结构尺寸的一阶估计表明，标准跟踪器（S1）上被遮挡的背面面积对于1V和2H配置均为约75%，而专为双面技术设计的跟踪器（S3）则没有遮挡区域。

为了测量双面发电单元的辐照度和温度条件，研究使用了沿两种类型跟踪器分布的校准组件。这些特殊准备的模块能够独立测量到达正面（G_f）和背面（G_r）的辐照度。每个模块由三个串联的电池串组成：两端的电池串用于短路状态下分别测量正面和背面辐照度，中间的电池串用于开路状态下测量模块温度。传感器分布在两种跟踪器类型的代表性位置，以考虑辐照度和遮阴的空间变化。例如，在S1-West模块中，背面辐射测量在模块的外部进行，该区域辐射较高；而在S1-East模块中，测量背面辐射的电池串垂直于跟踪器的中央横梁，导致测得的背面辐射对应于模块中心区域。S3模块的情况类似，测得的背面辐射对应于最靠近横梁的区域。

数据分析周期为2020年1月至10月以及2021年9月至2022年11月，代表两年数据。研究地点的气候特征为辐照度极高，晴朗日居多。地面反射率（ρ）在整个期间保持稳定，约为18%，与文献中报告的土壤或沙子的数值非常接近。环境温度日变化剧烈，白天经常超过30°C，夜晚则骤降至10°C以下，年平均温度约为23°C。原始数据以1分钟间隔记录，并经过预处理以去除夜间值、检测并消除异常值，并聚合成小时和日平均值。

双面辐射增益

研究发现，双面组件的背面辐照度存在显著的空间变异性。在标准跟踪器（S1）上，模块外部区域的辐射增益（11.1%）远高于中心区域（5.1%）。而在专为双面设计的跟踪器（S3）上，中心区域的辐射增益为6.2%，比S1跟踪器中心区域高1.1%。这种差异主要源于跟踪器结构造成的遮阴效应。在晴朗日（KT_d> 0.6），S1跟踪器外部区域的日辐照度增益可达13%，中心区域为5%；而在多云日（KT_d降低），这些增益分别上升至16%和8%。S3跟踪器也呈现类似趋势，中心区域增益从晴朗日的约5%逐渐上升至KT_d约为0.2时的15%。因此，每周的辐照度增益受到当周晴朗和多云天数的影响。尽管全年变化不大，但在多云天数较多的周内，中心区域和外部区域的增益峰值分别可达8.1%和15.6%，不过在此地点此类情况较为罕见。

研究还指出，准确测量到达双面组件背面的有效辐射是一项复杂任务。不同传感器位置和一天中不同时间测得的背面辐照度差异表明，需要进一步研究以精确表征背面辐射。在本研究中使用的校准模块组合中，没有一种能在所有运行条件下精确测量组件背面接收到的辐照度。然而，结果暗示，对S1跟踪器上中心和外端测量的值进行平均，可以提供最接近有效总辐照度增益的近似值。

双面生产增益

双面组件与单面组件的生产差异并不仅仅源于背面接收的额外辐照度。首先，所分析的双面组件根据其数据手册具有70%的双面性（bifaciality），因此背面辐照度的增加不会直接转化为相同比例的电功率增加。其次，作为参考的传统多晶硅（铝背场）单面组件与双面组件采用的p型PERC技术电池在温度行为上略有不同。为了消除不同模块类型温度行为差异的影响，研究人员估算了每个发电单元的平均温度（T_g），然后利用每种模块类型的功率温度变化系数（γ），将测量的直流功率（P_DC）外推至25°C的标准温度。

研究结果显示，在整个研究期间，标准跟踪器（S1）上双面发电单元的生产增益约为4.8%，而专为双面模块设计的跟踪器（S3）上的增益约为6.5%，后者比前者高出1.7%。在晴朗日，S1和S3跟踪器的生产增益分别为4.7%和6.7%；在多云日，则分别上升至8.5%和10.3%。值得注意的是，双面跟踪器（S3）相对于标准跟踪器（S1）的更大优势并非出现在正午小时（此时两者增益几乎相同），而是出现在跟踪器相对于地面倾角更大的时段。通过将生产增益除以目录双面性（0.7）计算得到的“有效”辐照度增益表明，在S1跟踪器上，晴朗日的“有效”增益（6.7%）接近模块中心和外端测量增益的平均值；而在S3跟踪器上，“有效”增益（9.6%）则高于中心区域测量值（5.1%），这进一步印证了背面辐照度空间分布的不均匀性及其测量的挑战。

本研究观察到的能量增益（标准跟踪器4.8%，双面优化跟踪器6.5%）与先前在商业运营条件下报告的结果一致。例如，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所估计标准跟踪的双面增益在5%到8%之间，优化系统最高可达13%。其他研究也报告了取决于反射率和跟踪配置的、范围在6%到12%的特定地点增益。本研究中观察到的略低增益可能源于该地点高比例的晴朗日以及未使用反射率增强措施，但仍支持沙漠装置预期性能范围。

研究局限与未来工作

本研究存在若干局限性。首先，背面辐照度测量仅限于四个校准的双面模块，每个仅覆盖部分背面区域，可能未能完全捕捉背面辐照度的空间异质性。其次，研究未包括由于传感器校准数据有限和环境变异性导致的能量产出不确定性的详细量化。第三，虽然S3跟踪器旨在改善双面性能，但仅可获得基本结构参数，限制了背面遮阴分析的深度。未来工作将侧重于纳入更先进的辐照度测量方法，包括后向天空辐射表（pyranometer）和高分辨率背面辐照度测绘。还将使用3D模拟工具进行详细的结构遮阴分析，以更好地量化背面遮挡。此外，将研究扩展到其他地理地点和反射率条件将有助于将研究结果推广到更广泛的商业光伏装置。

结论与意义

本研究深入分析了双面光伏模块在沙漠环境结合水平单轴跟踪系统的实际性能。在阿塔卡马沙漠具有商业类似特性的装置中，测得的年度双面生产增益根据所使用的跟踪器类型，在4.8%到6.5%之间。这些值略低于文献中报告的类似装置的最低增益，这很可能与该地区高比例的晴朗天气有关。研究证实，在多云天气下，双面辐射增益显著高于晴朗天气，这归因于直射辐射的急剧减少和散射辐射的增加，导致正面辐照度比背面辐照度下降更多，从而产生更高的双面增益（尽管其能量影响较小）。

研究结果突显了准确测量到达双面发电单元背面有效辐射的复杂性。不同传感器位置和不同时间测得的背面辐照度差异表明，精确表征背面辐射仍然是一项具有挑战性的任务，需要进一步研究。尽管本研究中使用的校准模块组合无法在所有运行条件下精确测量组件背面接收的辐照度，但对S1跟踪器测量值进行平均提供了最准确的近似。

关于专为双面技术设计的跟踪器，在阿塔卡马沙漠气候下的结果显示，与常规跟踪器相比，双面跟踪器的年度能量生产仅有轻微改善（约1-2%）。值得注意的是，双面跟踪器的最大优势并非出现在正午时分，而是在跟踪器相对于地面倾角更大的时段变得明显。这项研究为大型双面光伏电站的性能评估提供了宝贵的实证数据，强调了跟踪器设计在最大化双面技术效益方面的关键作用，并为完善这一新兴技术的性能评估标准做出了贡献。随着双面光伏技术在市场中的份额持续增长，此类基于真实世界条件的严谨研究对于降低项目不确定性、推动技术广泛应用至关重要。