双面光伏百叶窗中辐照度到失配的传播：一种电池级的分块投影光学-电学模型

《Energy》：Irradiance-to-mismatch propagation in bifacial photovoltaic blinds: A cell-resolved patch-projection optical–electrical model

　　

• 电芯级投影分辨出不透明、玻璃和开放的光学状态
• 面片级投影分辨出方向性漫射辐射的遮挡
• 户外实验验证了辐照度、I-V 和功率预测
• 电芯级辐照度变化与失配损耗相关联
• 直接辐射主导时段仅占 23.4% 的时间，却贡献了 62.2% 的失配损耗

引言

建筑一体化光伏（BIPV）系统可将建筑外维护结构转变为现场发电系统，同时保留建筑功能 [1], [2], [3]。光伏百叶窗（PVBs）将光伏电池片集成到可调节叶片中，将发电与遮阳、调光、视野和立面功能相结合 [4], [5], [6]。双面光伏百叶窗（bPVBs）还可额外收集地面、玻璃和周围表面反射或透射的背面辐射 [7], [8], [9], [10], [11]。然而，周围遮挡物和自遮阳会在 bPVB 系统的两侧造成局部遮挡条件（PSCs）。电连接电池片之间的光电流差异会导致失配损耗，并使串联功率预测复杂化 [12], [13]。这一工程需求产生于"中奥合作项目 CFS4LowCarb"，该项目在中国长沙一栋商业高层建筑幕墙外侧安装了约 100 m2 的南向 PVBs（图 1）。

在项目实施期间，准确预测串联功率十分困难。主要挑战在于与常规平板光伏 [5], [6] 相比，bPVB 叶片上的辐照度分布非常复杂。它同时受到自遮阳 [5]、外部遮挡 [14]、叶片倾角、光伏覆盖率、玻璃特性、框架和开口配置、地面反射率 [15] 以及角度相关的光学损耗 [16], [17], [18], [19] 的影响。对于给定的入射方向，到达电芯的辐射可能被不透明叶片或框架遮挡，透过玻璃衰减，或穿过开放间隙透射。这些光路径在电芯的正面和背面产生不同的辐照度分布。其向电功率的转换还取决于电芯互联方式、电流限制和旁路二极管工作状态。因此，预测功率既需要分辨空间辐照度分布，也需要分辨其在电气拓扑中的传播。

双面光伏（bPV）光学模型通常将倾斜或垂直阵列的辐照度分为直接辐射、天空漫射辐射和地面反射辐射 [17], [18]。Nicoletti 等 [6] 为 PVBs 开发了二维遮挡和视角系数（VF）模型。该模型能高效估计组件级辐照度，但不分辨玻璃介导的光学状态，也不量化电芯级辐照度非均匀性。VF 方法还支持 PVsyst [20], [21] 等工程工具。电芯分辨的几何投影是表示局部遮挡的另一途径。Calin 等 [22] 为 BIPV 组件开发了顶点投影方法，在电芯级别重建障碍物阴影，并通过与户外阴影照片的对比进行了验证。然而，投影遮挡比例仅应用于直射分量。天空漫射和地面反射辐照度被假设到达完整电芯面积而不受方向依赖性遮挡影响，这对具有复杂叶片、玻璃和框架遮挡的 PVBs 不太适用。光线追踪模型能捕捉 3D 交点和本地非均匀性，但通常需要更多计算量 [23], [24]。基于这些方法，DUET 集成了 3D VF 模型和确定性光线-物体交点计算与电芯到阵列的 I-V 重建 [25]。其累计发电量误差对固定倾角系统和 HSAT 系统分别为 -1.56% 和 -0.65%。然而，每条质心射线只接收一种衰减状态。混合不透明、玻璃覆盖和开放区域仍然敏感于接收器离散化，而非直接重建为有限电芯投影比例。

电芯分辨电气模型量化了 PSCs 下的光伏电气性能。Bishop [26] 对失配光伏电芯的反向偏置行为进行了基础研究。后续研究将此框架扩展到失配光伏组件中的保护二极管效应 [27] 和大容量光伏阵列的反向偏置建模 [28]。后续工作利用分段、简化或解析公式，结合单二极管电芯模型、电芯级辐照度和旁路二极管状态，重建了不同局部遮挡模式下的组件 I-V 曲线 [29], [30], [31], [32]。对于 bPV 组件，Tao 等 [33] 参数化了部署相关的失配，Raina 和 Sinha [34] 将预设的正面和背面遮挡与电芯级电路耦合，Zhang 等 [13] 同时考虑了电芯内辐照度非均匀性和两侧的动态电气响应。高分辨率 BIPV 建模还表明所需空间分辨率取决于立面遮挡 [35]，Xu 等 [24] 将光线追踪辐照度与半电芯电气重建和旁路二极管运行耦合。这些研究为电芯级电气重建提供了既定基础。然而，辐照度场通常被直接指定或在未分辨百叶叶片、框架、玻璃和开放间隙产生的方向性有限电芯光学状态的情况下获取。因此，本研究着重于将此既定电气重建与针对 bPVB 系统的方向分辨有限电芯光学投影进行耦合。

PVBs 和遮阳系统的研究已考察了自遮阳、叶片控制、安装几何和建筑能源性能 [3], [5], [6], [7], [10], [36]。早期的年尺度 PVB 分析主要考虑单面光伏 [3], [5], [6]。近期的双面研究评估了年发电量、建筑能耗和控制策略 [7], [10]。然而，大多数 PVB 研究在评估几何相关的辐照度和发电量时，并未分辨电芯级辐照度非均匀性和电气失配。反之，电芯分辨的失配研究主要关注常规光伏阵列或预设遮挡条件。因此，从 bPVB 几何和天气到电芯光电流、串联失配和旁路响应的年尺度传播仍未得到充分量化。表 1 总结了光学、电气和光伏建模方面最接近的研究。

本研究为 bPVB 系统开发了一个电芯分辨的面片投影光学-电气（PPOE）模型，并评估了光学和电气聚合的效果。天空和地面半球被离散化为方向性面片。每个面片与有限电芯多边形投影结合，以计算可行的方式分辨方向依赖的漫射辐射遮挡和透射。显式重叠分辨进一步区分了每个电芯内的不透明、玻璃覆盖和开放比例。面片辐射度和入射角效应随后在方向求和之前应用。所得的正面和背面辐照度分布被转换为电芯级光电流，然后通过实际电气互联和旁路二极管配置进行评估。最后，户外验证、控制性聚合比较和年尺度模拟被用于量化叶片角度和间距比 () 对辐照度、电气失配、旁路响应和功率的影响。

分段摘要

电芯分辨的面片投影辐照度模型

对于每个电芯，正面和背面分别解析有效辐照度。电芯 在侧面 接收的辐照度被分解为四个分量：直接辐射 ()、各向异性天空漫射辐照度 ()、地面反射辐照度 () 和相邻叶片及周围表面的障碍物反射辐照度 () [37]（图 2）：

其中， 分别表示双面电芯的正面和背面。

户外 bPVB 实验平台

在中国长沙（28.23° N, 112.94° E）建立了户外平台，用于评估 bPVB 系统并验证 PPOE 模型。原型系统由五片可调节叶片组成，每片宽 274 mm、长 1400 mm，光伏覆盖率为 57.3%（图 6）。相邻百叶叶片之间的垂直中心距 d 为 0.30 m。归一化叶片间距比定义为 ，其中 w 为叶片宽度。因此，较大的 d/w 代表较低的立面填充密度。阵列朝南。每

辐照度和空间阴影场验证

为进一步评估电芯级空间预测能力，从 2026 年 1 月 7 日 15:30 的辐射红外图像中提取了框架阴影边界。五片垂直百叶叶片分别进行了透视校正，观测到的边界从纵向温度梯度中确定。与 PPOE 投影的对比结果显示整体 IoU 为 92.4%，归一化平均绝对边界位移为 =0.19，对应 0.19 个电芯宽度（图 7）。在所有……

结论

本研究为 bPVB 系统的辐照度到失配传播开发了一个电芯分辨的 PPOE 模型。主要结论如下：

1) 该模型在研究条件下再现了测量的空间响应和电气响应。预测的阴影边界达到 IoU 92.4% 和 Eb=0.19，静态 误差不超过 2.05%。动态功率预测在晴天、阴云和阴天条件下 CV(RMSE) 值为 8.59–14.50%。

2) 玻璃修正后的 VF……

CRediT 作者贡献声明

Zhen Tian：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。Yongqing Zhao：写作 – 审阅与编辑，方法论。Ying Yang：写作 – 审阅与编辑。Martin Hauer：写作 – 审阅与编辑。David Geisler-Moroder：写作 – 审阅与编辑。Tobias Weiss：写作 – 审阅与编辑。Sida Du：写作 – 原创草稿，可视化，验证，软件，方法论，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性

数据可根据要求提供。

竞争性利益声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由中国国家重点研发计划（项目编号 2023YFE0106700）、中国国家自然科学基金（项目编号 52378096）和湖南省研究生创新基金（项目编号 CX20250661）资助。作者感谢古瑞瓦特技术有限公司对实验工作的支持。奥地利作者通过"CFS4LowCarb：面向复杂采光系统的集成光热解决方案"项目获得资助。

Sida Du | Yongqing Zhao | Zhen Tian | Ying Yang | David Geisler-Moroder | Martin Hauer | Tobias Weiss