2018, Vol. 51文章信息
- 李大虎, 罗俊阳, 方华亮, 孙建波, 程龙, 周长征
- LI Dahu, LUO Junyang, FANG Hualiang, SUN Jianbo, CHENG Long, ZHOU Changzheng
- 双面光伏高效发电的支架结构及控制
- Research on tracker structure and control of bifacial photovoltaic system with high-efficiency power generation
- 武汉大学学报(工学版), 2018, 51(8): 708-714
- Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(8): 708-714
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2018-08-007
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文章历史
- 收稿日期: 2018-02-22
2. 武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430072;
3. 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072;
4. 国网十堰供电公司，湖北 十堰 442000
2. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430072, China;
3. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
4. State Grid Shiyan Power Supply Company, Shiyan 442000, China
目前在国家政策大力引导扶持下，我国可再生能源发展迅猛，中国已成为全球第一大光伏发电应用市场，户用光伏所占比重越来越大.由于各地的光照资源、上网电价补贴力度不一，各地区户用光伏的收益能力有较大差距.如何针对本地实际光照条件，对跟踪式光伏系统结构和支架控制策略进行改进和优化以提高光伏电池的发电量，是提高户用光伏收益能力最为直接有效的办法.
相较于普通单面电池，双面电池的背面可以接收周围的反射光和散射光进行发电，在户外时，双面电池能得到更高的发电量[1-3].因双面电池组件的价格与单面电池相差不大，所以双面电池在提高单位面积发电量，降低系统发电成本方面比传统单面电池更具有优势[4].双面电池主要分为P型双面电池和N型双面电池，相对于P型双面电池，N型双面电池无光致衰减，发电效率更高[5-7].
双面电池的安装多采用固定式，对其研究文献也有很多.文献[8、9]分析得出固定式双面电池的安装角度、离地高度和地面反射率，是影响双面电池发电量的主要因素.文献[10]的实验结果表明东西向垂直安装的双面电池发电量最高，1天中会有2个发电高峰，但是其未能有效利用正午阳光辐射最强时段的光照.有一些学者在固定式双面电池下方装设反射器，来增加双面电池背面的发电量，并取得了不错的效果[4, 11, 12].文献[4]实验结果表明安装反射器结构的双面电池，其发电量要高于采用单轴跟踪的单面电池.文献[11]通过在水平双面电池下方装设反射器和聚光器，将双面电池发电量提高40%~50%.文献[12]通过改进反射器材料，提高其反射率，以达到增加双面电池背面发电量的目的.但还未有人尝试将双面电池应用在跟踪式支架上，并对其发电量进行研究.
综上所述，为提高双面电池发电量，简化系统支架的控制，尝试将N型双面电池应用在加入反射器结构的单轴跟踪支架上进行研究，并提出一种针对不同日期和天气情况的支架转动频次优化策略.选择单轴跟踪支架，是由于其较双轴跟踪支架控制方式更为简单，性能更稳定，前期购买成本和后期维护费用更少.由于单轴跟踪支架占地面积远大于固定式支架，且反射器结构会占用部分支架面板面积，进一步增加了系统的占地面积，造成系统的场地面积需求较高.考虑到我国城市可利用空间狭小，且土地成本较高，所以改进后的支架较适合应用在我国闲置土地较多、土地成本低廉的农村地区.
本文首先介绍了改进后的双面光伏系统支架结构.然后建立了加入反射器结构后双面电池的发电量计算模型，以及支架转动频次的优化模型.最后通过理论计算和经济性分析，发现改进结构的双面光伏系统发电量和收益能力得到有效提高，支架控制优化策略能够灵活有效地降低转动频次.
1 改进的双面光伏系统支架结构一般户用光伏发电系统包括光伏组件、太阳能控制器、逆变器、储能系统和负载.其中光伏组件负责将太阳能转化为电能，其他部分负责将光伏组件发出的电能进行转换、存储和分配使用.改进后的系统支架结构主要通过提高双面电池接收到的辐射量，从源头上增大光伏组件发电量.
图 1是水平放置时的支架结构图.在支架面板框架上，将双面电池抬高一定高度，在其两边各安装1块有一定倾角的镜子作为反射器.双面电池抬高，既有利于空气流通，帮助电池组件散热，避免组件温度过高降低其发电功率，也使双面电池背面更加容易接收周围环境的反射光和散射光.左右两边反射器的作用是将照射在其表面的直射光通过反射作用，改变其传播方向，使之最终照射在双面电池的背面.
|
| 图 1 支架面板框架水平放置时的结构示意图 Figure 1 Structure diagram of tracker's frame panel when it is placed horizontally |
为了使太阳正面直射双面电池时，反射器可将光线均匀地反射在电池背面，反射器的安装角度β的大小需要与电池抬高高度h、双面电池的宽度K满足以下条件：
(1)
同时反射器的宽K′与β、h有关：
(2)
反射器的长L′与电池的长L相等：
(3)
虽然加入反射器会在一定程度上占用支架面板的面积，但会大幅提高同等面积双面电池接收的辐射量，能充分利用双面电池背面发电特性，获得更高的发电量，使用户在相同的投资条件下能获得更高的回报.
本文采用单轴跟踪支架来跟踪太阳位置变化，太阳白天的位置可以通过天文算法计算其高度角和方位角来确定，但单轴跟踪支架只能跟踪其中一个角度的变化.在一般情况下，单轴跟踪支架的倾角固定不变，通过改变电池组件方位角来跟踪太阳方位角变化.本文采取的是分步跟踪策略，即每隔一定时间，支架转动1次，使电池组件停在太阳方位角将要到达的位置上等待太阳自西向东经过.
2 发电量计算模型及系统经济性分析模型 2.1 双面电池发电量计算模型为了定量研究双面电池组件的发电量，本文建立了双面电池正反2面辐照量的数学计算模型，并且考虑了反射器结构对电池背面辐照量的影响，计算出双面电池组件的发电量.
对于一般的单面电池，其接收的辐射量主要由直射光、周围环境散射光和反射光组成.但是对双面电池来说除了正面接收的辐射量以外，其背面同时能接收周围环境的散射光和反射光.由于加入了反射器结构，本文中双面电池背面还会接收到一部分来自于反射器的直射光线.因此双面电池接收的辐照量计算模型如下所示.
双面电池正面接收的总辐照度[13]可以表示为
(4)
式中：Ibt、Idt、Igt分别为双面电池正面接收的直射辐照度、散射辐照度、反射辐照度；Ib、Id分别表示水平地面的直射辐照度、散射辐照度；I′SC为修正后的太阳常数；θ1为直射光在双面电池上的入射角；β为双面电池的倾角；P为周围环境的反射率；KT为晴空指数.
双面电池反面接收的总辐照度可以表示为
(5)
根据文献[14]，双面电池背面接收的周围环境的散射辐照度Idt_rear和反射辐照度Igt_rear的计算公式如下式所示：
(6)
(7)
(8)
式中：FV为角系数，代表水平地面直接投射到电池板背面上的辐射能量，占水平地面辐射能量的百分比；H为双面电池组件中心点离地高度.
经由左右两边反射器反射照在双面电池背面的辐照度分别表示为
(9)
(10)
式中：P1为反射器镜面的反射率；L为双面电池板宽度；Lleft和Lright分别为左右两边反射器上有效反射区域上下边界的间距；θ2、θ3分别为光线左右两边反射器上的入射角.
则双面电池接收的总辐照度为
(11)
由于双面电池正面和背面的光电转化效率不同，背面效率大概是正面的90%.设双面电池正面光电转化效率为ηfront，则单位面积的双面电池可以发出的功率表示为
(12)
对其在时间上积分，即可得双面电池的发电量：
(13)
式中:t1~t2是日出日落时间内的一段时间，t1 < t2.
2.2 系统经济性分析模型改进双面光伏系统支架结构会增加系统初期建设成本，但能有效提升系统发电量，进而提高系统收益.用成本回收年限y以及光伏系统整个生命周期的收益Iall来衡量其经济性.
成本的回收年限y表示为
(14)
式中：C1为支架结构成本；C2为电池成本；C3为系统配套设备成本；C4为每年占地成本；C5为每年系统维修成本；W0为光伏系统年平均发电量；r为电价.
光伏系统总收益Iall表示为
(15)
其中, N为系统使用寿命.
3 支架转动频次的优化控制策略一般单轴跟踪支架的倾角固定不变，通过改变电池组件方位角以跟踪太阳方位角变化，跟踪精度越高，电池组件的方位角与太阳方位角实时差值就越小，电池组件发电量就越大.但对于跟踪系统来说，跟踪精度越高，1 d内转动频次就越高，支架启停过程的耗电量也将越大，此时会出现频繁转动电池组件增加的发电量不足以弥补支架增加的耗电量的情况.且转动频次越高，系统元件越易磨损，导致故障率升高，系统的后期维护成本也将增加.因此需要对转动频次进行优化选择，使系统获得高发电量的同时，尽量降低转动频次.
设光伏系统总发电量为W，支架耗电量为W2，则有
(16)
(17)
式中：W0为完成1 d转动任务后回归原位做的功；m为转动频次；ΔW为电动机每启停1次消耗的电能.
最优转动频次按下式确定：
(18)
转动频次集M为系统总发电量W最大值±ΔW范围内对应转动频次的集合，取其中最小值mbest作为系统最优转动频次.集合M中各个转动频次对应的系统总发电量差值很小，因此可以将集合M看做最大发电量对应的转动频次解集.由于转动频次越高，支架元件损耗越大，不利于延长支架使用寿命，因此取集合M中最小值作为转动频次的最优解.
基于上述分析，本文提出了能够灵活改变支架转动频次的支架控制策略，其流程如图 2所示.根据天气预报，提前对晴空指数进行评估，然后结合当地经纬度和日期确定第2 d太阳的运行轨迹，进而确定支架方位角变化范围.通过计算光伏系统发电量，确定转动频次解集M，从中选出最优转动频次并进行支架转动控制.每当夜幕降临或有大风天气时，控制支架放平.
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| 图 2 支架控制策略流程图 Figure 2 Flowchart of tracker's control strategy |
选取武汉地区(114.36°E，30.54°N)作为仿真地点，将其夏季7月17日和冬季1月17日作为代表日来进行仿真.其中周围环境的反射率设为0.3；反射器的反射率设为0.9.设定单轴跟踪和固定式支架的倾角都为30°，支架可旋转角度范围为-90°~ 90°.双面电池板中心离地高度设为1.5 m，h=0.3 m，以保证双面电池最大化接收周围环境的散射光和反射光.
双面电池组件参数设定参考了英利公司PANDA Bifacial 60 Cell N型单晶硅双面电池组件.设电池组件长1.66 m，宽0.99 m，其正面光电转化效率为20.1%，反面光电转化效率为正面的90%.为方便对比，假设单面电池尺寸与双面电池大小相同，其光电转化效率设为20.1%，与双面电池正面保持一致.
根据式(1)~(3)，令β=36.6°，考虑到实际情况下，光线不可能一直垂直入射双面电池，所以需要给反射器设计一定的裕量，保证双面电池背面接收尽可能多且均匀地反射光线，设其长为1.9 m，宽为0.50 m.
选取在斜单轴跟踪方式下加反射器的双面电池、不加反射器的双面电池和单面电池，以及在固定倾角方式下不加反射器的双面电池和单面电池，共5个应用情景(以下分别用A、B、C、D、E来表示)，通过Matlab计算对比各个应用情况下电池日发电量，然后在不同日期、不同天气、不同转动频次等条件下对将双面电池总发电量进行比较，得出支架转动频次的最优方案.
4.2 不同应用情况下电池组件的发电量设定支架仅在-90°~90°内转动，1 d之内转动18次，其他时间停止不动.晴空指数参考武汉近年来天气状况，7月份和1月份平均晴空指数设为0.45和0.36.图 3(a)、(b)为武汉冬季1月17日和夏季7月17日双面电池组件接收到的辐照度曲线.曲线1、2、3、4、5分别是应用情景A、B、D、C、E下电池接收的辐照度曲线.
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| 图 3 电池组件接收到的辐照度曲线 Figure 3 Irradiance curves of battery modules |
由图 3可以明显看出，曲线1呈锯齿状小范围波动，并不平滑，是由于在每次支架转动动作完成后，反射器提供的辐射量增益随着太阳方位角的增大，先增大后减小.转动次数越多，辐照度曲线将越平滑.将5个曲线对时间进行积分，并换算成发电量，得到发电量柱状图, 如图 4所示，图中A、B、C、D、E分别对应5种不同应用情景下电池组件日发电量.
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| 图 4 5种应用情景下各个电池组件发电量柱状图 Figure 4 Histogram of battery modules's power generation under 5 application scenarios |
通过比较可以发现：在同种支架下双面电池的发电量多于单面电池；单轴跟踪有利于提高双面电池的发电量，冬夏2季单轴跟踪下双面电池的发电量较固定式双面电池的增幅分别为9.72%、28.06%；与固定式双面电池相比，改进支架结构后，冬夏2季单轴跟踪下双面电池日发电量分别提高了39.8%、53.1%，高于双面电池在不加反射器的单轴跟踪支架下的日发电量，体现出本文设计的反射器结构对于双面电池发电量有良好的增益作用.
4.3 转动频次的优化本文选取冬夏2季作为代表，将1 d之内支架转动范围对应的时间段平分为m份，即支架1 d之内转动m次，以2~40次为范围，以2次为间隔，计算加入反射器结构的光伏系统在各个不同天气、不同转动频次下的总发电量，并在图 5中表示出来.其中晴天的晴空指数取0.75，多云天取0.45，阴天取0.25[15, 16].用曲线1、2、3分别来表示晴天、多云和阴天天气下系统总发电量变化.
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| 图 5 各个转动频次下系统总发电量变化曲线 Figure 5 Curves of total power generation with different rotation times |
从图 5中可以看出：随着转动频次增加，系统总发电量先增大后减小；每条曲线在最大值附近变化平缓，说明此时支架转动频次小幅度变动对于系统总发电量影响几乎可以忽略不计，因此取发电量最大值±ΔW范围内对应的最小转动频次作为最优解，既可以最大化系统总体发电量，又可以尽量降低支架转动频次，延长支架使用寿命.
若设转动频次每增加1次，电机启停过程耗电量增加ΔW=0.005 kW·h，取发电量W最大值±0.005 kW·h范围内对应的最小转动频次作为最优解.基于此判定条件，可得表 1.
| 冬季1月17日 | 夏季7月17日 | ||||||
| 晴天 | 多云 | 阴天 | 晴天 | 多云 | 阴天 | ||
| 转动频次集合 | 18 | 14 | 10 | 10 | 8 | 6 | |
| 20 | 16 | 12 | 12 | 10 | 8 | ||
| 22 | 18 | 14 | 14 | 12 | |||
| 24 | 20 | 16 | 16 | ||||
| 18 | |||||||
| 最优转动频次 | 18 | 14 | 10 | 10 | 8 | 6 | |
如表 1所示，不同日期、不同天气下，支架最优转动频次各不相同.在冬夏2季随着光照条件变差，晴空指数减小，系统的最优转动频次越来越小；冬季的最优转动频次明显高于夏季，主要是由于冬季支架转动范围对应的时间段长度远大于夏季.
4.4 系统经济性分析设系统使用寿命N取25 a，电价r取0.85 ￥/kW·h，根据式(14)、(15)，可得表 2.
| 初期成本/(￥·W-1) | 年均收益/(￥·W-1) | Y/a | Iall/(￥·W-1) | |
| A | 8.31 | 1.12 | 8.03 | 17.54 |
| B | 7.29 | 0.96 | 8.11 | 15.17 |
| E | 6.56 | 0.92 | 7.46 | 15.40 |
通过比较A(配备反射器的斜单轴跟踪双面光伏系统)、B(斜单轴跟踪双面光伏系统)、E(固定倾角单面光伏系统) 3种不同应用情景的经济性，可以发现：单纯的双面光伏单轴跟踪系统的回收年限和总收益表现均较差；改进支架结构后的双面光伏系统的成本较未改进前回收年限有所缩短，总收益得到有效提升；虽然改进结构后初期投资成本变高，但其后期收益能力更强，成本回收年限仅比固定单面光伏系统多出0.57 a，系统总收益也较高，具有较好的经济性.
5 结论从改进系统支架结构和优化支架转动频次两方面着手，可有效提高户用双面光伏系统的发电量和整体收益.
通过分析目前双面电池研究和应用现状，提出采用斜单轴跟踪支架的双面电池发电系统.并为了能充分利用双面电池背面发电的特性，在斜单轴跟踪支架上设计了简易有效的反射器结构，然后建立了加入反射器结构后双面电池接收的总辐照度计算模型，并通过Matlab仿真计算和经济性分析验证了加入反射器结构后的双面电池发电量大幅提高，收益能力得到改善.可以为户用双面光伏系统的实用结构设计提供参考.
通过分析支架转动频次与系统总发电量之间的关系，提出可以灵活改变转动频次的支架控制策略，能在最大化系统发电量的同时有效降低支架转动频次，有利于延长支架系统的使用寿命，减少后期维护费用，能提高光伏系统的稳定性和经济性.
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