榮丹丹，蔣京娜，倪健雄，何　毅

（1. 光伏材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051；2. 英利能源（中國(guó)）有限公司，河北 保定 071051）

0　前　言

隨著全球化石資源日趨枯竭，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，人類(lèi)不斷采取措施減少化石能源的消耗，大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能以及核聚變能等新能源技術(shù)。太陽(yáng)能作為一種清潔、高效、取之不盡的新能源被廣泛利用在各個(gè)領(lǐng)域。光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能的一種利用形式，以其無(wú)污染、無(wú)噪音、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)成為最具潛力的新能源之一[1-3]。

目前，光伏行業(yè)主要向高功率和低成本方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外光伏廠家及研究機(jī)構(gòu)主要從提高光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率、提高光伏組件產(chǎn)品性能、提高光伏組件光的有效接收面積及系統(tǒng)端最大功率點(diǎn)跟蹤等幾方面降低光伏系統(tǒng)的度電成本[4-6]。研究表明，通過(guò)對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)增強(qiáng)光伏組件對(duì)光的有效吸收可提高光伏系統(tǒng)單瓦發(fā)電量[6]。傳統(tǒng)的光伏組件為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率最大化，在安裝時(shí)組件需要具有一定安裝傾角，一年中方陣最佳傾角取決于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，大部分地面和屋頂光伏?xiàng)目均采用固定傾角的安裝方式，盡管在個(gè)別地面光伏項(xiàng)目中采用的自動(dòng)追日系統(tǒng)可以使發(fā)電量提20%～30%，但在使用過(guò)程中仍有一部分光會(huì)被組件表面反射到空氣中造成浪費(fèi)，同時(shí)由于支架成本的大幅增高（1～2.5倍甚至更高），運(yùn)行維護(hù)成本的大量增加，一定程度上限制了這種安裝方式的推廣[7-11]。

為了增加光伏組件表面受光面積，提高光伏陣列的發(fā)電量，本文通過(guò)考慮實(shí)驗(yàn)電站當(dāng)?shù)鼐暥燃肮夥到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中太陽(yáng)高度角的變化，設(shè)計(jì)了一種具有反光結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)光伏系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)利用反射原理，設(shè)置反光系統(tǒng)，將光伏陣列之間的太陽(yáng)光充分利用，進(jìn)而提高組件的功率輸出，降低發(fā)電成本，提高土地利用率，并研究其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)電量增益情況，探討了不同月份及不同氣候條件下光伏系統(tǒng)發(fā)電量變化。

1　設(shè)計(jì)原理

實(shí)驗(yàn)電站所用的反光材料主要包括反光板和白石子。其中，反光板結(jié)構(gòu)如圖1所示，反光板和光伏組件尺寸相同，由玻璃、透明EVA、白色EVA以及背板材料層壓裝框而成。具有反光結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)具有反射性能的反光材料（反光板和白石子）將光線反射至電站中光伏組件的電池片表面，在相同光照條件下能夠增加入射到組件表面的光功率，進(jìn)而提升整個(gè)光伏電站的發(fā)電功率。

實(shí)驗(yàn)電站地點(diǎn)為河北保定地區(qū)，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整反光板的安裝角度來(lái)優(yōu)化其反光效果。電站中光伏組件最佳安裝傾角為40°，保定夏至日太陽(yáng)高度角為 73°27′，冬至日太陽(yáng)高度角為 27°20′[11]，根據(jù)入射角法則、三角公式等進(jìn)行推算，要保證反光板的光線全部照射到光伏組件上，可計(jì)算得出夏至日和冬至日的反光板水平安裝角度分別為 84°23′和115°37′，反光系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖 2。圖 2標(biāo)示了實(shí)驗(yàn)電站在夏至日和冬至日兩種氣候狀態(tài)下太陽(yáng)入射光線經(jīng)過(guò)反光板的反射路徑以及反光板安裝角度[11]。

圖1　反光板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1　Diagram of the reflector structure

圖2　反光系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig. 2　Diagram of reflector system design

2　實(shí)驗(yàn)方案

選用260 W多晶組件，建設(shè)兩個(gè)容量為2 kW的地面電站，兩排電站東西向?qū)R排布。其中，南側(cè)電站為對(duì)比電站，電站背景不做任何處理；北側(cè)電站為實(shí)驗(yàn)電站，電站背景采用反光板、白石子進(jìn)行處理。分別將白色反光板放置于第一排電站的支架后側(cè)和第二排電站組件的斜后方，兩排電站中間的空地鋪設(shè)白色石子，根據(jù)季節(jié)影響太陽(yáng)高度角變化情況計(jì)算角度，控制反光板角度，保證太陽(yáng)光反射至組件表面并且不對(duì)電站組件造成遮擋。為了增加對(duì)比準(zhǔn)確性，在逆變器與并網(wǎng)端之間增加電表，同時(shí)監(jiān)控兩個(gè)電站發(fā)電量，電站效果圖見(jiàn)圖3。

圖3　電站效果圖Fig. 3　Diagram of the photovoltaic system

3　實(shí)驗(yàn)部分

3.1　實(shí)驗(yàn)材料信息及設(shè)備信息

本實(shí)驗(yàn)所有組件使用的電池片均為相同效率的P型晶體硅太陽(yáng)能電池，功率為260 W，封裝材料為鋼化玻璃、常規(guī)EVA材料和TPE結(jié)構(gòu)的背板。選用常規(guī)表面結(jié)構(gòu)的焊帶，其規(guī)格均為厚0.25 mm ×寬1.3 mm。光伏組件功率測(cè)試的設(shè)備為Pasan太陽(yáng)能模擬器；檢驗(yàn)組件內(nèi)部電池片隱裂的設(shè)備為德國(guó)Ophelms 公司的OPT200A型EL測(cè)試儀。

本實(shí)驗(yàn)所用反光材料為白色EVA反光板（白色EVA反光板主要由玻璃、透明EVA、白色EVA、背板、邊框?qū)訅憾?，如圖1所示）和白石子材料，白色EVA和白石子的平均反射率均在90%左右，逆變器采用格林科電2 kW逆變器。

3.2　電站建設(shè)及數(shù)據(jù)記錄過(guò)程

階段一。2016年1～3月，在保定地區(qū)分別建設(shè)完成2 kW的實(shí)驗(yàn)電站及對(duì)比電站，電站安裝傾角為40°，電站距離地面40 cm，實(shí)驗(yàn)電站反光板角度按照冬至日反光板角度安裝，反光板尺寸為1.64 m ×0.99 m，電站布局如圖4a所示。于4月開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，記錄每天實(shí)驗(yàn)電站及對(duì)比電站發(fā)電量、斜輻照量、環(huán)境溫度、風(fēng)速等。分析實(shí)驗(yàn)電站在上方反光板、對(duì)比電站后方反光板和白石子同時(shí)作用下的發(fā)電量增益情況，表1為2016年4月整個(gè)月平均日發(fā)電量情況。

階段二。2016年5月對(duì)實(shí)驗(yàn)電站上方反光板角度進(jìn)行了傾角調(diào)節(jié)，調(diào)整后電站布局圖見(jiàn)圖 4b，使其不再對(duì)實(shí)驗(yàn)電站陣列起到反射作用，統(tǒng)計(jì)6～11月電站數(shù)據(jù)，驗(yàn)證白石子和對(duì)比電站后方反光板同時(shí)作用下和階段一時(shí)的發(fā)電量對(duì)比情況。

表2為2016年6～11月實(shí)驗(yàn)電站與對(duì)比電站平均日發(fā)電量及斜輻照量情況。根據(jù)6～11月氣象數(shù)據(jù)，表3為晴天和陰雨霧霾天時(shí)實(shí)驗(yàn)電站與對(duì)比電站平均日發(fā)電量及斜輻照量情況。

圖4　調(diào)整前（a）和調(diào)整后（b）的電站布局圖Fig. 4　Diagram of the photovoltaic system layout before (a) and after adjusting (b)

表1　2016年4月平均日發(fā)電量及斜輻照量統(tǒng)計(jì)表Table 1　Daily average generation and tilted irradiation in April, 2016

表2　2016年6～11月平均日發(fā)電量及斜輻照量統(tǒng)計(jì)表Table 2　Daily average generation and tilted irradiation in June to November, 2016

表3　2016年6～11月晴天和陰雨天的平均日發(fā)電量及斜輻照量統(tǒng)計(jì)表Table 3　Daily average generation and tilted irradiation on sunny and rainy days in June to November, 2016

4　結(jié)果與討論

由表1可知，實(shí)驗(yàn)電站通過(guò)設(shè)置白石子及反光板等反光背景可有效提高發(fā)電量。2016年4月的日均斜輻照量為5.9 kW/m2，實(shí)驗(yàn)電站日均發(fā)電量比對(duì)比電站高 7.69%。其發(fā)電量提高的原因?yàn)?，太?yáng)光中的直射光或散射光可以照射到反光板后反射到光伏組件表面，同時(shí)通過(guò)白石子反射的散射光可以照射到組件表面，進(jìn)而提高組件對(duì)光的吸收，提高組件發(fā)電量。

由表2可知，實(shí)驗(yàn)電站上方的反光板失去作用以后，僅有白石子作為主要反光背景，2016年6～11月電站發(fā)電量比4月發(fā)電量有所降低，月平均增益率為6.46%，比4月降低了1.23%，發(fā)電量與輻照量大致成正比關(guān)系，如圖5所示。每個(gè)月的日平均發(fā)電量增益和斜輻照量規(guī)律性不大，可能是由于保定地區(qū)各月份氣候特點(diǎn)不同，其中6～9月處于雨季，且6月和7月為典型的雨季、伴有大風(fēng)（7月同時(shí)伴隨電站維護(hù)），10月和11月當(dāng)?shù)亻_(kāi)始出現(xiàn)霧霾天氣，不同月份晴天的天數(shù)不同，不同氣候特點(diǎn)下光照特點(diǎn)不同。

圖5　2016年6～11月平均日發(fā)電量及斜輻照量Fig. 5　Daily average generation and tilted irradiation from June to November, 2016

對(duì)比表3數(shù)據(jù)，相同月份中，晴天和陰雨天日均發(fā)電量增益與斜輻照量有關(guān)。在陰雨或霧霾天氣時(shí)比晴天時(shí)實(shí)驗(yàn)電站每個(gè)月日均發(fā)電量比對(duì)比電站增益大，平均增益率為 0.57%，發(fā)電量增益率與輻照量大致成反比關(guān)系，如圖6所示。這是由于陰雨及霧霾天氣下，太陽(yáng)光中散射光輻射量占比較大，散射光可以通過(guò)白石子反射到實(shí)驗(yàn)電站中，因此以白石子為反光背景的實(shí)驗(yàn)電站比同期對(duì)比電站發(fā)電量高。

圖6　2016年6～11月晴天和陰雨天發(fā)電量增益率及斜輻照量Fig. 6　Daily average generation and tilted irradiation on sunny and rainy days from June to November, 2016

5　結(jié)　語(yǔ)

本文從反光材料對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響角度出發(fā)，建立實(shí)驗(yàn)電站，分析反光條件下反光實(shí)驗(yàn)電站較常規(guī)電站的發(fā)電量增益。根據(jù)輻照強(qiáng)度不同，反光系統(tǒng)發(fā)電量增益率總體保持在5%～10%之間。實(shí)驗(yàn)期間，綜合發(fā)電量增益率達(dá) 7.69%，發(fā)電量與輻照量大致成正比關(guān)系，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論為提高光伏電站發(fā)電量提供參考依據(jù)和思路，后期通過(guò)優(yōu)化反光電站背景，可有效提高光伏系統(tǒng)發(fā)電量，降低系統(tǒng)成本。