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摘要：当前光伏系统发电效率偏低，支架控制可有效提高发电效率，但当前支架控制复杂。基于此，本文设计了一种配置反射器结构的双面光伏单轴跟踪支架系统，以充分发掘双面光伏背面发电潜力。计算结果表明：改进支架结构后，系统夏、冬两季日发电量分别提高了53.1%、39.8%，实现了降本增效，并有助于推进双面光伏的广泛应用。
关键词：光伏发电；双面光伏；高效发电；支架结构；控制策略
一、改进的双面光伏系统支架结构
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。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。这样可获得更高的发电量，使用户在相同的投资条件下能获得更高的回报。
本文采用單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.
二、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，1D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。因此需要对转动频次进行优化，尽量降低转动频次。其流程如图1所示。
三、仿真分析
选取某地区作为仿真地点，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1.5m，h=0.3m，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PAN-DABifacial60CellN型单晶硅双面电池组件。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，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。
（一）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，1d之内转动18次，其他时间停止不动.晴空指数参考该地近年来天气状况，7月份和1月份平均晴空指数设为0.45和0.36。图2（A）、（B）为该地冬季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。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。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。
（二）转动频次的优化
本文选取冬夏2季作为代表，将1d之内支架转动范围对应的时间段平分为m份，即支架1d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.其中晴天的晴空指数取0.75，多云天取0.45，阴天取0.25。分别比较晴天、多云和阴天天气下系统总发电量变化。
结果表明：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=0.005kW·h，取发电量W最大值±0.005kW·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。
由判定结果可知，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。
（三）系统经济性分析
通过比较配备反射器的斜单轴跟踪双面光伏系统、斜单轴跟踪双面光伏系统、固定倾角单面光伏系统三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0.57A，系统总收益也较高，具有较好的经济性。
四、结语
综上所述，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，延长支架系统的使用寿命，减少后期维护费用，提高光伏系统的稳定性和经济性，值得推广应用。
参考文献：
[1]张俊鹏，王静，何银涛.双面光伏组件介绍及其应用前景分析[J].太阳能，2018（07）：16-18+72.
[2]宋昊，陈昊旻，王亿，恽旻.双面光伏组件的功率测试[J].理化检验（物理分册），2018，54（01）：20-24.
关键词：光伏发电；双面光伏；高效发电；支架结构；控制策略
一、改进的双面光伏系统支架结构
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。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。这样可获得更高的发电量，使用户在相同的投资条件下能获得更高的回报。
本文采用單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.
二、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，1D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。因此需要对转动频次进行优化，尽量降低转动频次。其流程如图1所示。
三、仿真分析
选取某地区作为仿真地点，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1.5m，h=0.3m，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PAN-DABifacial60CellN型单晶硅双面电池组件。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，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。
（一）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，1d之内转动18次，其他时间停止不动.晴空指数参考该地近年来天气状况，7月份和1月份平均晴空指数设为0.45和0.36。图2（A）、（B）为该地冬季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。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。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。
（二）转动频次的优化
本文选取冬夏2季作为代表，将1d之内支架转动范围对应的时间段平分为m份，即支架1d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.其中晴天的晴空指数取0.75，多云天取0.45，阴天取0.25。分别比较晴天、多云和阴天天气下系统总发电量变化。
结果表明：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=0.005kW·h，取发电量W最大值±0.005kW·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。
由判定结果可知，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。
（三）系统经济性分析
通过比较配备反射器的斜单轴跟踪双面光伏系统、斜单轴跟踪双面光伏系统、固定倾角单面光伏系统三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0.57A，系统总收益也较高，具有较好的经济性。
四、结语
综上所述，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，延长支架系统的使用寿命，减少后期维护费用，提高光伏系统的稳定性和经济性，值得推广应用。
参考文献：
[1]张俊鹏，王静，何银涛.双面光伏组件介绍及其应用前景分析[J].太阳能，2018（07）：16-18+72.
[2]宋昊，陈昊旻，王亿，恽旻.双面光伏组件的功率测试[J].理化检验（物理分册），2018，54（01）：20-24.