双面与单面光伏组件性能比较评估的光-热-电耦合建模

《Energy Conversion and Management-X》：Coupled Optical–Thermal–Electrical modeling for comparative performance assessment of bifacial and monofacial photovoltaic modules

　　

双面光伏组件从两个表面收集辐射，相比单面技术具有优势。然而，同时耦合光学、热和电行为在不同运行条件下的建模框架仍然有限。本研究开发并验证了一种用于双面与单面光伏组件性能分析的耦合多物理场模型。光学子模型采用视角因子理论估算背面辐照度，热子模型使用一维五层能量平衡。电性能使用单二极管模型进行模拟，五个参数通过混合遗传算法和内点优化提取。该模型针对在德黑兰户外条件下测试的580 W双面组件进行了验证，功率预测的平均绝对百分比误差（MAPE）为4.61%，温度预测为0.93%。参数分析研究了温度、风速、正面和背面辐照度、地面反照率及倾斜角对组件性能的影响。风速从1增加到6 m·s^–1使双面功率提升4.9%，同时组件温度降低4.6%。背面辐照度从100增加到600 W·m^–2使双面功率提升37.7%，双面增益从9.11%增加到50.26%。年发电量的最佳倾斜角为30°，而垂直安装相对于单面参考组件产生33.5%的双面增益。总体而言，结果表明双面组件的性能优势强烈依赖于背面辐照度、地面反照率和安装几何形状。验证基于单一户外测试地点和有限实验期的测量；因此，需要进一步在不同气候、季节和安装条件下进行验证以推广研究结果。

在全球能源转型背景下，光伏发电已成为可再生能源电力系统的核心组成部分。双面光伏组件（bifacial photovoltaic，bPV）因能同时从正面和背面捕获太阳辐射，相比传统单面光伏组件（monofacial photovoltaic，mPV）在相同安装面积下可产生更高能量产出。然而，现有研究大多仅关注光学、热学或电学行为的单一维度，缺少能够同时耦合光-热-电过程并考虑动态环境条件的统一建模框架。具体而言，目前存在以下研究空白：第一，缺少光学、热学和电学模型的同步耦合；第二，缺少在多个环境参数同时作用下的动态比较分析；第三，耦合模型在真实户外条件下的实验验证十分有限；第四，对双面玻璃-玻璃结构与单面玻璃-背板结构在相同工况下的热敏感性对比关注不足。为此，研究人员开发并验证了一种完全耦合的光-热-电多物理场模型，系统评估了环境温度、风速、前后辐照度、地面反照率及倾斜角对组件性能的影响，并对比了双面与单面组件的性能差异。该模型为双面光伏系统的性能评估和安装设计提供了定量工具，有助于指导不同气候与安装场景下的双面组件优化部署。相关成果发表于《Energy Conversion and Management-X》。

本研究采用的主要关键技术方法包括：光学子模型基于视角因子（view factor）理论计算背面辐照度；热学子模型采用一维五层能量平衡方程，将组件划分为正面玻璃、顶部封装层、硅层、底部封装层和背面玻璃（单面组件为Tedlar背板）；电气子模型采用单二极管模型，其五个参数通过混合遗传算法（Genetic Algorithm，GA）与内点优化算法提取；模型验证采用在伊朗德黑兰（35.7°N，51.4°E）户外条件下对580 W双面组件进行测量的数据，记录间隔为每小时，实测参数包括环境温度、前后辐照度、风速、背板温度和电功率。此外，对功率测量进行了不确定度传播分析，以量化测量误差对验证结果的影响。

2.1 验证：通过对比模拟与实测的组件温度和功率输出，验证了耦合模型的准确性。温度预测的平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error，MAPE）为0.93%，功率预测的MAPE为4.61%；功率测量不确定度为3.34–4.16 W，误差条远小于测量值，表明模型可靠。

2.2 参数研究：
2.2.1 环境温度：模拟研究发现，当环境温度从260 K升至310 K时，双面和单面组件的温度分别升高17.0%和17.83%，功率均下降14.4%。双面增益几乎不变（约17.4%–17.74%），说明环境温度对双面技术的相对优势影响很小。
2.2.2 风速：风速从1 m·s^–1增至6 m·s^–1时，双面组件温度降低4.6%，功率提升4.9%；单面组件温度降低3.7%，功率提升2.4%。双面增益从17.73%升至18.97%，表明双面组件因玻璃-玻璃结构具有更好的散热能力，更受益于强制对流冷却。
2.2.3 正面辐照：正面辐照从500 W·m^–2增至1000 W·m^–2时，双面和单面组件温度分别升高5.0%和5.4%，功率分别增加66.8%和89.5%。双面增益从29.4%降至13.9%，因为背面辐照贡献占比在高正面辐照下相对减小。
2.2.4 背面辐照：背面辐照从100 W·m^–2增至600 W·m^–2时，双面组件温度从324.2 K升至340.5 K，功率从470.3 W增至647.6 W，双面增益从9.11%剧增至50.26%；单面组件不受背面辐照影响，功率恒为431.0 W。这表明背面辐照度是决定双面优势的最关键因素。

2.3 反照率与倾斜角对能量产出的影响：
2.3.1 反照率：地面反照率从0.2增至0.7时，双面组件年发电量从1278.7 kWh增至1577.9 kWh（增幅23.4%），单面组件仅从1143.5 kWh增至1188.8 kWh（增幅4.0%）。双面增益在低反照率时约11.8%，高反照率时达32.7%。反照率越高，双面组件优势越明显，尤其在夏季月份。
2.3.2 倾斜角：双面和单面组件均在30°倾斜角时获得最大年发电量（双面1338.4 kWh，单面1154.5 kWh）。垂直安装（90°）时双面组件产生1049.1 kWh，单面仅785.6 kWh，对应33.5%的双面增益。季节分析表明，冬季高倾斜角更优，夏季低倾斜角更优，而水平安装（0°）时双面增益几乎为零。

讨论：上述结果表明，双面组件的性能优势强烈依赖于背面辐照度、地面反照率以及安装几何。环境温度对双面增益影响有限，而风速的冷却作用对双面组件更为有利。正面辐照的提升会稀释双面增益，但绝对功率仍增加。这些发现强调了在低反照率或低背面辐照环境下，双面组件的额外成本可能无法得到补偿；反之，高反照率、垂直安装或高支架配置可最大化双面收益。

研究结论：本研究提出了一种完全耦合的光-热-电模型，用于评估和比较双面与单面光伏组件的性能。该模型使用在德黑兰户外条件下安装的580 W双面光伏组件进行了实验验证，平均绝对百分比误差为4.61%，表明所提出的框架能够准确预测双面光伏系统的电学和热学行为。结果表明，背面辐照度是影响双面光伏性能的主导因素。将背面辐照度从100增加到600 W·m^–2，双面输出功率提高了37.7%，双面增益从9.11%增加到50.26%，而单面组件不受影响。地面反照率被确定为第二个最重要的参数，使双面组件的年发电量提高了23.4%（从1278.7 kWh增加到1577.9 kWh），而单面组件仅提高了4.0%。风速也通过对流冷却增强促进了性能提升，使双面输出功率提高4.9%，同时组件温度降低4.6%。相比之下，环境温度对双面增益影响有限。相反，正面辐照度表现出双重效应：增加了绝对功率输出，同时降低了相对双面增益。年能量分析表明，两种技术在30°倾斜角时达到最大年发电量。而垂直安装（90°）时表现出最大的性能差异，双面组件产生1049.1 kWh，而单面组件为785.6 kWh，对应33.5%的双面增益。季节性分析进一步表明，冬季首选较高的倾斜角，而夏季首选较低的倾斜角。总体而言，所提出的模型为环境条件和安装参数对双面光伏性能的影响提供了有用的定量见解，并可作为系统性能评估和安装设计的实用工具。本研究的结果应在所采用的建模假设和验证条件的范围内进行解释。该模型使用了从单一地理位置（德黑兰）在有限实验期内获得的测量数据进行了实验验证。此外，模拟采用小时气象数据，并使用简化的视角因子和地面反射表示。污垢、局部遮挡、电失配和组件退化等额外现象未在本模型中明确考虑。此外，虽然双面光伏模型经过了实验验证，但单面组件作为参考案例通过数值建模纳入，以实现一致的比较评估。未来的研究应进一步将实验验证扩展到多种气候和更长监测周期，纳入更详细的光学和环境影响，并调查所提出框架在更广泛的安装配置和操作条件下的适用性。