摘要
双面光伏组件在低碳建筑应用中具有独特优势，但常受到周围较高物体或建筑立面的遮挡问题影响，尤其是在光伏建筑一体化系统（BIPV）中。由于该问题在分析过程中存在多种变量因素的影响，目前还缺乏关于双面组件在实际环境中受遮挡影响的定量研究。本研究通过在建筑物平屋顶上构建实验对比系统，对双面组件和单面组件在不同遮挡面积比例下的光伏性能进行了实验测试和分析。结果显示，尽管由于动态太阳辐射强度的影响，输出功率的规律性难以确定，但从光电效率角度来看，双面和单面光伏组件的性能随遮挡比例变化仍呈现一定线性规律。在小遮挡比例下，双面光伏组件出现了光电效率高于无遮挡情况的异常现象。同时，本研究提出了基于遮挡测试结果的回归近似方法（RAST方法）以测算分析双面组件在实际环境条件下实际双面增益，并得到了：在现有屋顶安装条件下，两块不同倾角双面组件的平均双面增益分别为8.86%和11.30%。
关键词：太阳能；双面光伏组件；阴影；数值拟合，双面增益
建筑领域的高能耗是全球关注的问题。在过去十年中，多个国家通过技术和政策层面提出了具体措施和标准，以鼓励能效和节能。光伏建筑一体化（BIPV）对减少建筑能耗具有重要意义。然而，在光伏系统中，光伏电池的部分遮挡问题严重影响其性能，甚至可能导致热斑损坏。光伏系统安装在建筑上时，遮挡问题尤其常见，因为光伏组件容易被周围较高物体或建筑自立面遮挡。但目前关于双面光伏组件在实际环境（如建筑屋顶环境）中遮挡程度变化下的光伏性能变化特征缺乏定量和定性分析。此外，双面组件在前侧光伏电池部分遮挡的情况下，由于后侧光伏性能的附加因素，其特性将不同于单面组件，这与双面增益的典型指标有关，即后侧和前侧光伏电池输出功率的比率。此外，双面组件的前后侧太阳辐射强度差异大且不可预测，使得其环境条件和影响因素更加复杂。上述多变量分析难度使得量化双面组件光伏性能与遮挡比例之间的关系成为一个挑战。
1. 关于双面光伏系统在实际建筑环境条件下受电池片遮挡问题影响的特征研究，填补了现有研究的空白。
2. 单双面光伏系统在实际室外复杂环境下对比实验方法：通过双面-单面光伏对比实验系统在实际室外环境条件下进行对比测试分析的方法，有利于全面准确的定性和定量分析了双面组件的光电性能在实际环境条件下受不同遮挡面积比例的影响特征。
3. RAST方法：提出了一种基于遮挡测试结果的回归近似方法（RAST方法），用于计算分析双面光伏组件在实际环境条件下双面增益值。相比于IEC TS 60904-1-2技术规范中提出的方法，该方法更加简洁，并且适用于任意实际双面组件的测试和评估。
本文在建筑屋顶上建立了双面-单面光伏对比实验系统，并对不同电池片正面遮挡比例条件下双面-单面光伏系统的光电性能进行了室外长周期对比测试，同时研究提出了基于遮挡实验测算分析双面光伏系统在实际环境下双面增益的方法，主要结果如下：
（1）从整体趋势来看，双面和单面光伏系统的光电效率都随着遮挡比例的增加而线性下降。但值得注意的是，当遮挡比例较小时，双面光伏系统的光电效率存在高于无遮挡时效率的反常现象，表明双面光伏系统与单面光伏系统在工作特性方面具有明显差异。
（2）双面光伏系统的光电效率同时受到光伏电池遮挡比例和前后侧接收到的太阳辐射强度比的影响，但与光伏电池的水平或垂直遮挡形式关系不大。实验结果显示，当遮挡比例足够大时，双面光伏系统的光电效率明显随遮挡比例线性下降，因而此时主要受前侧遮挡的影响。本研究给出了双面光伏系统的光伏效率与遮挡比的拟合线性关系。
（3）提出了一种基于遮挡测试结果的回归近似方法（RAST方法），用于测算分析无遮挡条件下双面光伏组件的双面增益，并用于分析实验条件下两个不同双面光伏组件的平均双面增益。
作者
Chenglong Luo1*, Yuandan Wu1,2, Xiaoxiao Su1, Wu Zou2, Yanshun Yu1, Qingyang Jiang3, Lijie Xu4
本论文通讯作者和第一作者为罗成龙博士、研究员，现工作于南京理工大学能源与动力工程学院，中国科学技术大学本科、博士（硕博连读）毕业；长期从事太阳能光伏光热综合利用（PV/T）技术、高效光伏应用及太阳能建筑应用等方面的研究工作；以第1完成人获得省自然科学奖二等奖、亚太经合组织（APEC）2024APSTI奖和“中广核新能源光热杯”太阳能热利用技术创新大赛一等奖等；主持国家自然基金项目2项、国家发改委世界银行GEF项目子课题1项、江苏省重点研发计划项目等省部级科技项目5项和市厅级项目十余项等；作为骨干参与完成国家863计划、科技支撑计划、中科院知识创新工程等30余项国家和省部级重大科研项目。
Luo C, Wu Y, Su X, et al. (2023). Influence and characteristic of shading on photovoltaic performance of bifacial modules and method for estimating bifacial gain. Building Simulation, 16: 1821-1833.
https://doi.org/10.1007/s12273-022-0966-0
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遮挡对双面组件光伏性能的影响、特性及双面增益估算方法
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2023年SCI影响因子5.5，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
