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发展中的双面光伏发电

2020-06-29,星期一

什么是双面光伏?

通过超越全球能源发电容量的吉瓦数(GW),双面光伏正慢慢找到成为主流的方向。并且,越来越多收集到的组件性能数据都有助于获得更可靠的效率增益预测。我们在本文中尝试概括叙述了双面光伏领域中的当前研究、亟待解决的疑问以及技术开发等问题。

相见于“另一面”

过去二十年间,光伏(PV)已发展成为一种成熟的技术,因此很难再有大幅度的效率提升。如今主要依靠缩减投资和运营成本来实现降低平准化度电成本(LCOE),而非通过技术进步提高 PV 电池的能源输出。

然而,能显著提高 PV 电池效率的比较可靠的方法是将组件的背面也用于发电。因此,在不扩大组件占地的情况下,可同时利用反射或漫射的阳光进行发电。

人们似乎已对双面光伏的巨大潜能达成了共识。但是,在能量输出增益的模拟和测量方法尚未普遍建立的情况下,通过双面 PV 组件预测的效率增长有着很大差异;这取决于假设的系统设置、地点和表面反照率以及所用的模拟算法。

双面光伏发电如何作用?

其主要理念很简单。除了用 PV 组件的一面来收集太阳光线外,还可通过背面采集来自多个角度的反射和散射光线以生产更多电力。除了对背面材料和内部互联进行相应调整外,电池技术和几何结构均以经验证的单面组件原理为基础。也就是说,在未来 10 年内,双面 PV 很可能从一个发展远景顺利转变为被广泛应用的技术,且预计世界市场占有率将高达 30-50%。

发展中的双面光伏发电

优化会对另一面的性能产生负面影响。因此,为双面 PV 电厂寻求理想设置是一个复杂的挑战。由于倾角是组件效率的一个重要因素,前后面的理想角度可以不同。 另一个参数则是组件的长度和各排组件之间的距离,即地面覆盖率(GCR)。适应太阳光束入射角度的高 GCR 值通常可提高一个发电厂的效率。但即使对单面PV 发电厂而言,较高的 GCR 值也会在太阳高度角较低的早晨或傍晚时分发生相互遮挡的情况。对于双面光伏发电厂,遮挡则是一个更大的问题。理想状态是在各排组件之间有足够的空间形成一个大小适合的表面,使地面反射不被遮挡。可是这将降低地面覆盖率和电厂的单位面积输出。 与组件设置相关的参数还包括建筑高度和扭力管。扭力管的作用是跟踪 PV 组件,因此应将双面组件放置于更高的位置,从而对更多来自地面的多角度的反照辐射光线进行转化;但建设成本也将由此增加。这一概念也同样适用于为了避免安装件构成遮蔽而修改扭力结构。

尽管早在 20 世纪 60 年代便已对双面 PV 电池进行了研究和开发,其被广泛使用的时代仍未到来。市场观察员们的普遍解释是,与单面系统相比,双面系统缺少可信赖的产量增益计算方法。因此,投资者们继续观望,因无法完全知晓准确的效率提升,而犹豫是否以更大的规模推动双面系统。即便在大数据和机器学习的年代,组件背面的太阳能辐射模拟仍是一项复杂的任务。因此,全世界的公司和研究机构持续对各种不同潜在相关参数及其对能量输出的影响进行调查研究。

除了符合其他标准外,这些研究项目还覆盖了:

  • 地面反照率的影响

  • 背板材料

  • 系统设置和组件的几何结构

  • 测量背面的太阳能辐射

  • 系统设置&组件几何结构


在单面 PV 组件中,被转化为电力的太阳光束直接来自天空。与之相反,双面组件的背面则收集在阴影迷宫、地面纹理和结构型障碍中穿行的光线。而对一面太阳辐照度进行优化会对另一面的性能产生负面影响。因此,为双面 PV 电厂寻求理想设置是一个复杂的挑战。由于倾角是组件效率的一个重要因素,前后面的理想角度可以不同。

另一个参数则是组件的长度和各排组件之间的距离,即地面覆盖率(GCR)。适应太阳光束入射角度的高 GCR 值通常可提高一个发电厂的效率。但即使对单面PV 发电厂而言,较高的 GCR 值也会在太阳高度角较低的早晨或傍晚时分发生相互遮挡的情况。对于双面光伏发电厂,遮挡则是一个更大的问题。理想状态是在各排组件之间有足够的空间形成一个大小适合的表面,使地面反射不被遮挡。可是这将降低地面覆盖率和电厂的单位面积输出。

与组件设置相关的参数还包括建筑高度和扭力管。扭力管的作用是跟踪 PV 组件,因此应将双面组件放置于更高的位置,从而对更多来自地面的多角度的反照辐射光线进行转化;但建设成本也将由此增加。这一概念也同样适用于为了避免安装件构成遮蔽而修改扭力结构。

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