雙面光伏反射聚光發(fā)電裝置的研究

袁全紅

(廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞 523083)

近年來，晶體硅組件發(fā)電效率提升緩慢，平均每年約提高0.5%。與此同時，雙面光伏發(fā)電技術發(fā)展迅速，雙面組件在光伏發(fā)電市場的占比也快速上升。2019 年下半年，中國約30%的公用事業(yè)規(guī)模項目使用了雙面太陽能組件。雖然玻璃價格上漲影響了市場占比的增幅，2020 年雙面組件市場占比為29.7%，是2019 年的2 倍多。隨著玻璃供應的改善，預計2023 年，單雙面組件市場占比相當[1]。

雙面組件正反(背)兩面均可接收太陽光發(fā)電。單晶光伏組件正面轉換效率一般為18%～22%。雙面光伏組件(用玻璃或透明背板封裝)背面的光電轉換效率是正面的60%～90%，但由于背面光照強度低，因此背面發(fā)電量較少。如單晶n 型雙面光伏組件的正面轉換效率為18.34%，背面轉換效率為15.59%，組件綜合轉換效率達到19.90%。雙面光伏組件在草地條件下發(fā)電量比單面組件可提高8%～10%，在雪地條件下發(fā)電量能提高30%[2-3]。雙面光伏發(fā)電關鍵是要能提高背面光照強度，才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢。如果能針對雙面太陽電池組件，開發(fā)出背面聚光裝置，就能大幅度提高組件的發(fā)電量[4]。

目前關于雙面光伏反射裝置的研究尚不多見。李大虎等[5]設計了一種方位角跟蹤反射裝置，通過仿真得出冬季和夏季單軸跟蹤下雙面電池日發(fā)電量比固定式雙面電池分別提高39.8%和53.1%。侯慧等[6]設計了一種雙軸跟蹤反射裝置，并通過仿真得出冬季和夏季比固定式單面電池分別提高93%和94%，比雙軸跟蹤雙面電池日發(fā)電量分別提高30.4%和15.5%。

1 雙平面鏡反射的分析

如圖1 所示，設PV 板的長度為L，水平放置，在其下方左右兩邊各放置一塊傾斜的平面鏡MS 和M'S'，太陽光線通過左邊平面鏡M 和S 點反射后，剛好到達光伏板背面的最左邊和最右邊，而通過右邊平面鏡M'和S'點反射后，剛好到達光伏板背面的最右邊和最左邊。整套光伏板發(fā)電裝置采用2 自由度實時追蹤(即太陽的高度角和方位角)，光伏板始終與太陽光垂直，則兩塊平面鏡的反射光線始終剛好覆蓋光伏板背面。

圖1 雙平面鏡反射原理圖

設平面鏡最低點S 與PV 板的高度差為h，平面鏡的傾角為a，鏡面有效反射區(qū)為MS 和M'S'，設長度均為l。平面鏡光線的入射角為r，光伏板背面的入射角為b。則各幾何參數關系如下：

幾何聚光比p為系統(tǒng)的光線入射面與光線接收面的面積比，由于此處平面鏡反射光線是平行光，所以也等于光線入射面l與光線接收面長度L 之比。反射光的光學聚光比P是指光線接收面與光線入射面的平均輻照度之比，由于光伏板背面反射光線是平行光，所以其入射角b相同，P也等于幾何聚光比p與反射系數h和cos(b)的乘積,所以滿足如下關系：

可見，平面鏡高度h越低，平面鏡的傾角a 越小，光學聚光比P越大。但是，由于空間的限制，h不能太大。取L=5 dm，h=0.9，h=0～2L，通過MATLAB 編程，可以得出反射光線強度隨h的變化規(guī)律，如圖2 所示。

圖2 反射各參數隨高度h的變化曲線

由圖2 可以看出：當h從0 增大到2L時，平面鏡的傾角a基本為線性變化，從45°下降到13.3°；反射鏡長度l從0 升到4.6 dm，光線反射強度P則從0 升到1.44。

2 平面鏡聚光發(fā)電裝置的設計

雙平面鏡聚光發(fā)電裝置如圖3 所示，整個裝置由旋轉底座，電池板和反射鏡支架和電動推桿3 大部分組成。

圖3 雙平面鏡聚光發(fā)電裝置立體圖

旋轉底座左側下方的轉動軸安裝在地面的固定軸套內，右側的紅色步進電機驅動滾輪使底座轉動，可對太陽的方位角g進行跟蹤，如圖4(a)所示[7]。步進電機轉角b1為:

式中：R1為滾輪相對底座轉動軸轉動的半徑；R2為滾輪半徑。

電池板和平面鏡都固定安裝在田字架上面，平面鏡反射光線剛好覆蓋光伏板背面。田字架的前邊鉸接在底座的支撐架上，后邊通過一個電動推桿的升降，可對太陽的高度角q進行跟蹤，如圖4 所示。設電動推桿與底座支撐架的前后距離為B，則電動推桿高度H與“田字”架傾角q的關系如下：

圖4 雙平面鏡聚光發(fā)電裝置

本裝置結構簡單，安裝方便。反射鏡除平面玻璃鏡外，也可采用鍍膜鋁板。鍍膜鋁板反射效率90%以上，更輕便，易拆裝。三角形底板的中心設有單片機控制器，設定好當地的經度和緯度，控制器就能自動計算出每天某一時刻太陽的方位角和高度角，再輸出控制信號，驅動滾輪使底座轉動，并控制電動推桿的升降。由于兩塊平面鏡相對電池組件的位置始終不變，因此，采用一套雙軸實時跟蹤系統(tǒng)就可以實現光伏電池板和反射鏡同時對太陽光進行跟蹤。

3 反射裝置的發(fā)電仿真與實驗

為了驗證反射鏡聚光的發(fā)電效果，可建立太陽電池發(fā)電的工程數學模型，并對發(fā)電量進行仿真分析[8-9]。

3.1 太陽電池的等效電路

太陽電池工程數學模型的等效電路如圖5 所示。光伏電池的實際電流是Iph，它的大小與太陽電池板的有效表面積以及實際光照強度相關。ID為電路中二極管中流過的暗電流，RS是光伏電池等效串聯電阻，Rsh為旁漏電阻。一般Rsh→∞，Ish→0，可得到太陽電池四參數模型[10]。

圖5 太陽電池的等效電路

式中：I0為二極管反向飽和電流，A；n為二極管理想因子；U為負載電壓，V；Ut為光伏電池熱電壓，V；Ut=qk/T，k為玻爾茲曼常數；q為電子的電荷量；T為太陽電池溫度，K。

一般利用具有代表性的點來求解方程(1)，以獲得光伏電池特性曲線，如：

其中，短路電流ISC、開路電壓UOC、峰值電流Im和峰值電壓Um由產品銘牌給出，聯立式(7)～(10)，可求解太陽電池的四參數I0、Rs、n和U。

根據以上方程式，可以建立太陽電池發(fā)電的Simulink 數學模型，如圖6 所示。

圖6 光伏電池發(fā)電的Simulink模型

輸入參數為S、T、Sr、Tr共4 個。S為太陽光輻射強度，T為實測溫度，Sr為太陽光標準輻射強度1 000 W/m2，Tr為標準室溫25 ℃。示波器輸出參數為三個：U、I和P，分別為太陽電池電壓、電流和功率，以便于觀察分析結果。

3.2 太陽電池發(fā)電仿真模型

由于目前市場上雙面組件的面積都較大，一般在1.6 m×1.0 m 以上，做實驗不方便。故可選用尺寸較小的單面組件，選用星火公司BSF-50W 單面組件，設定該組件參數Uoc=21.6 V，Isc=3.05 A，Um=18 V，Im=2.78 A，即可進行發(fā)電量仿真計算。

當T=51 ℃,S為543 W/m2時的仿真計算，其峰值電流Im為1.63 A，峰值電壓為15 V，峰值功率Pm為24.4 W。電池板發(fā)電功率P-I響應曲線如圖7 所示。

圖7 電池板發(fā)電功率P-I響應曲線

3.3 反射太陽能發(fā)電裝置發(fā)電實驗

為了驗證仿真結果，溫度計采用順科達工業(yè)紅外測溫儀，太陽光輻照度采用欣寶SM206 太陽能輻射測量儀，太陽能MTTP 充電控制器采用悠昊600W-MTTP 充電控制器(自帶電流、電壓實時顯示功能)，按照圖1 安裝實驗裝置。為便于實驗，可只安裝了一面反射鏡。分別測量不同條件下電池組件的發(fā)電量，數據見表1。

表1 電池組件的發(fā)電參數對比

電池組件正面朝上的3 組數據是為了驗證Simulink 模型的準確性，此時不用反射鏡；而背面朝上的3 組數據是為了驗證平面鏡反射光線的發(fā)電效果，此時要用反射鏡。表中，Um、Im為測量值，Pm測量=Um×Im；Pm計算值為工程數學模型Simulink 的仿真結果。

由表1 可以看出，當電池組件正面朝上時，最大發(fā)電功率的測量值比Simulink 仿真計算值低6%～10%，主要原因是充電控制器的MTTP 具有一定延遲性，尚未達到最大功率；此外太陽能輻射測量儀的靈敏度高，測量時由于受云層和氣流影響，數值隨外界條件變化波動頻繁；或者組件表面灰塵可能會影響發(fā)電功率，使其略有下降。

當電池組件背面朝上時，最大發(fā)電功率測量值與Simulink 仿真計算值相比低40.7%～49.0%。

根據圖1 實驗裝置的實際參數，當設定平面鏡反射系數h為0.9 時，則通過單個平面鏡反射后，組件背面反射光線強度為：

即組件背面朝上時，反射光強度和發(fā)電功率比正面都低37%。組件正面朝上時，實驗誤差低6.4%～10%。這與背面朝上時，最大發(fā)電功率的測量值比計算值偏低40.7%～49.0%的情況是基本吻合的。

如果光伏發(fā)電裝置采用雙面鏡反射，據上述數據推論，背面發(fā)電系數可達正面的1.26 倍。如果背面發(fā)電功率是正面的80%，則背面發(fā)電功率可增加1倍，從而實現發(fā)電量倍增。

為了驗證平面鏡反射的效果，定制了尺寸為55 cm×55 cm 的PERC 雙面光伏組件。在標準光照條件下，正面、背面額定功率分別為50.8 和40.4 W，背面發(fā)電率為正面的80%。2021 年12 月8 號，在戶外3 種太陽光直射條件下，實測發(fā)電功率對比數據見圖8。圖中，正面為單正面發(fā)電(遮擋背面)；雙面為不遮擋背面，有地面漫反射；反射1 采用單塊亞克力鏡片反射；反射2 采用單塊玻璃鏡片反射。

圖8 三種戶外環(huán)境條件實測發(fā)電功率對比柱狀圖

在三種戶外環(huán)境條件下，背面發(fā)電功率(遮擋正面)均為0，正面發(fā)電功率分別為35.0、36.2 和28.4 W。

在以上三種戶外環(huán)境條件下，雙面發(fā)電功率分別為36.8、38.0 和30.1 W。分別比單正面發(fā)電功率(遮擋背面)高5.1%、5%和6%。

采用單塊亞克力鏡片反射后，雙面發(fā)電功率分別為50.0、51.8 和40.3 W。分別比單正面發(fā)電(遮擋背面)提高了43.1%、43.4%和41.8%。

采用單塊玻璃鏡片反射后，雙面發(fā)電功率分別為51.0、52.2 和41.5 W，分別比正面提高了45.7%、44.2%和46.1%，可見采用反射鏡后，發(fā)電功率都能夠大幅提高，而且玻璃鏡片比亞克力鏡片的效果略好。實驗中亞克力鏡片易變形，散射后反射強度降低，需要襯背支撐。此外，如果出現云霧，反射后發(fā)電功率會大幅下降。

4 小結

通過MATLAB 編程，可以得出反射光線各參數隨高度差h的變化規(guī)律。平面鏡最低點S 與PV 組件高度差h越低，a 越小，光學聚光比P越大。但是由于實際安裝空間限制，h不能太大。

設計了一套雙平面鏡聚光發(fā)電裝置，可以整體實現光伏板和平面鏡對太陽的實時二維跟蹤。

建立的Simulink 模型仿真結果與實驗測量值基本吻合。雙面鏡反射后背面發(fā)電系數可達正面的1.26 倍，如果背面發(fā)電率為80%以上，則可實現電池組件發(fā)電量倍增。如果前后方向也增加雙面鏡反射，則背面發(fā)電量會進一步增大。

通過雙玻雙面電池板戶外實測，采用單塊亞克力鏡片或玻璃鏡片反射后均比正面發(fā)電功率大幅提高，且玻璃鏡片反射效果比亞克力鏡片略好。

本雙平面鏡聚光發(fā)電裝置簡單緊湊，易于控制。相對于雙軸實時追蹤系統(tǒng)只需要添加兩塊平面鏡和簡單支架，就能大幅提高發(fā)電量，成本低，性價比高。如果采用易于拆裝的鍍鋁或亞克力反射鏡，更加輕便低廉，可在廣大太陽能資源豐富的地區(qū)推廣。