光伏组件的菲涅尔反射现象及其对发电量的影响分析

0    引言

光伏发电技术作为可再生能源发电最重要的技术之一 ,在能源转型中具有巨大潜力。光伏组件是光伏系统的核心部件 ,其在应用中的表现对整个系统的性能至关重要 。而菲涅尔反射作为光学中的重要现象 ,在光伏组件应用中发挥着关键作用[1]。本文结合光的波动理论 ,利用菲涅尔公式对典型光伏组件产品的入射角校正系数IAM进行计算 , 并与行业内主流产品实测值进行了对比分析 。同时 ,利用pvsyst软件对IAM所造成的发电量损失进行模拟研究 ,论证了菲涅尔反射现象对于光伏发电的影响。

1   菲涅尔反射的基本原理及公式

菲涅尔反射是指光在两种介质之间传播时发生反射的光学现象[2] 。菲涅尔公式是光学中的重要公式 ,用它能解释反射光的强度、折射光的强度、相位与入射光角度的关系 。在光伏发电中最重要的是反射光的强度与角度的关系 。如图1所示 , 当入射光从介质1入射到介质2时 ,会发生反射和折射现象。

同时 ,根据光的波动理论 ,将入射光分解成垂直于入射面和平行于入射面两个方向的偏振光 , 不同方向的偏振光其折射率和反射率又有不同 。对于入射的自然光而言 , 因为垂直偏振光和平行偏振光的分量相等 ,其反射率(R)可由菲涅尔公式计算得出 ,主要计算公式如下:

式中:R为菲涅尔反射率 ,表示反射光与入射光的能量之比;Rp为平行分量的反射率;Rs为垂直分量的反射率;n1 和n2 分别为两种介质的折射率;θ1 为入射角度;θ2为折射角度。

2   光伏组件的结构

光伏组件的基本结构如图2所示 , 电池片封装在玻璃和胶膜里面 ,玻璃和胶膜都是高透光率材料 。因为不同材料的折射率不同 ,入射光从空气入射到电池片的过程中 ,在不同的界面上会发生3次反射和折射 ,其中主要是反射光1和反射光2。

目前 ,多数光伏组件产品会在玻璃的正面镀一层减反射膜来减小反射光的强度 ,此时组件的典型结构如图3所示(图3中不同介质的厚度只是示意性的 ,不代表产品的实际结构厚度)。太阳光从空气入射到电池片的过程中 ,在不同的界面上会发生4次折射和反射 ,其中主要的反射光还是反射光1和反射光2。

3   光伏组件反射率与入射角的关系

根据公式(1)~(3)分别对图2和图3两种不同结构的光伏组件的反射率进行计算 。计算时假定:

1)入射光在通过玻璃、胶膜、减反射膜等材料时不存在光的吸收 , 只考虑光的反射和折射;

2)不考虑光的波长所对应的不同的反射率 ,按照单一波长进行简化计算;

3)其中各种材料的折射率参数采用行业内常规参数 ,如表1所示。

通过计算 ,在不同入射角下 ,针对没有减反射膜和有减反射膜的光伏组件的整体反射率如图4所示。

通过图4可以看出 ,光伏组件对于光的反射率随着入射角度的增大而变大 ,在光垂直入射(入射角为0O)时反射率最小 , 当入射角度大于50O时反射率增加得非常迅速 。同时 ,在玻璃上镀减反射膜可以显著减小不同角度入射光的反射损失 。这一特性对于光伏组件的发电量影响是非常大的。例如 ,对于固定支架的光伏电站 ,早上或下午的发电性能会显著降低;对于跟踪支架的光伏电站 ,其性能要明显优于固定支架的光伏电站。究其原因 , 除了入射角增大造成的单位面积接收到的光强减小之外 , 菲涅尔反射也起到了很大的作用。所以 ,在对光伏电站进行发电量测算时 ,必须要把IAM损失考虑在内。

4   光伏组件的IAM损失

4.1    理论计算IAM

一般在实验室或生产线对光伏组件的效率和输出功率进行测量和标定时都是采用垂直入射 ,而在实际建设的光伏电站中 , 因为太阳的位置在实时变化 ,太阳光照射到光伏组件表面的角度只有在极个别情况下是垂直的 ,大部分情况下都不是垂直入射 。通常在中午时入射角很小 ,而早上和傍晚入射角很大。根据上面的计算结果 ,不同入射角下光的反射损失与垂直入射时是不同的，所以 ,行业内又把由于入射角不等于0O而造成的损失称为入射角校正(IAM)损失。

目前 ,在光伏发电行业内 ,为了计算IAM损失的大小 ,一般有如下做法:

1)目前 ,光伏组件在型式认证和实际生产的产品进行功率测定时 ,都是利用光伏模拟器进行闪光测试 ,而这种模拟器下的光线是近乎垂直入射光伏组件的 ,所以测定光伏组件的功率已经包括了入射角为0°时的反射损失以及玻璃 、胶膜等对光线的吸收。故在计算IAM时只考虑非垂直入射与垂直入射的减少量 ，就能完全体现出因菲涅尔反射效应所造成的因入射角不同而产生的光照损失。

2)当入射角θi=0时 ,反射损失定义为0,入射到光伏组件内部的光能量定义为E1。

3)当入射角θi ≠0时 ,入射到光伏组件内部的光能量定义为E2。

4)定义IAM=E2/E1。

结合图4的计算结果 ,将不同角度的入射光强度与垂直入射时相比 ,可以计算出没有减反射膜和有减反射膜的光伏组件的IAM数值,如图5所示。

通过图5可以看出，在垂直入射(入射角为0°)时IAM为1，随着入射角度的增大IAM逐渐减小,当入射角度大于50°时IAM减小得非常迅速。

4.2    行业实测IAM

在实际生产中 IIAM是衡量光伏组件性能一个极为重要的指标 I各厂家也会遵循IEC标准[3]在第三方实验室对该性能进行测试认证。有实验室对IAM的影响做过实证性的研究[4] ,实测结果与上面计算结果显示了相同的规律。IAM测试结果也是光伏组件的核心参数之一 ,用于计算光伏电站的实际发电量。

经过收集多个厂家的认证测试数据 , 发现各厂家的测试数据与理论计算有很大的不同 ,这主要是由两方面原因造成的:

1)光伏玻璃主要是采用压延法制作的压花玻璃 ,玻璃表面存在花纹而不是一个平面 ,这就导致空气与玻璃的界面、玻璃与胶膜的界面更为复杂。

2)不同厂家之间所采购的玻璃、胶膜、硅片等都不一样 ,甚至不同批次的产品在参数上都会有细微的差别 ,尤其是各材料的折射率与表1所采用的数据并不一致。

基于以上两点 ,实际各生产厂家实测的IAM值与本文的理论计算值存在较大差异。在生产过程中 ,各厂家会不断改进物料清单和生产工艺来改进系统功率 , 同时IAM也会得到改善。另外 ,玻璃镀膜工艺的改进也会极大地改善IAM,所以各厂家实测的IAM值通常会优于本文的理论计算值 。图6是几个典型厂家的实测IAM值。

对于光伏组件IAM取值的合理范围 , 目前国内外有多种物理模型描述[5] ,但是随着实际生产技术的进步 , 已经不能完全体现行业的真实情况。

4.3   IAM所造成的发电量损失

为了论证IAM对发电量造成的影响 ,利用光伏发电系统模拟软件pvsyst建立了一个光伏电站的模型 ,针对不同IAM所造成的发电量损失进行模拟计算。

模拟电站的参数如表2所示。

在保持其他参数不变的条件下 , 只改变IAM的参数设置 ,模拟计算结果如表3所示。

由表3可以看出 ,IAM参数对于光伏电站的发电量有极大的影响 。在实践中通过优化光学结构减小IAM损失对于提高发电量、增加电站收益有着极为重要的实用价值。在实际的项目实施过程中 ,对于此参数要特别关注 ,在项目进行产品选型时 ,要尽可能选择IAM值较优的产品 ,从而有效提高发电量。

目前 , 随着行业的进步和发展 ,项目的投资方和设计方都已经关注到了IAM参数对于光伏电站性能的重要影响。而对于部分组件生产商 ,为了体现自己的技术优势会夸大IAM参数 ,这就造成项目在投资决策阶段的预测发电量偏高 ,而实际运行中却不达标 。所以 ,有经验的投资商或设计院会对厂家提供的参数进行甄别和验证 ,并结合项目经验做出适当修正。

5    结论

本文利用菲涅尔公式对光伏组件的物理模型进行了分析 ,可以看出入射角的变化对于光伏组件的光学损失有着极大的影响 ,入射角越大损失越大 , 当角度大于50O时光的反射损失会显著增大 。在玻璃上镀减反射膜可以有效减少因入射角不同而造成的光学损失 。通过pvsyst软件对实际电站进行模拟 ,发现选择IAM值较优的产品可以有效提高发电量 ,但同时也需要对厂家提供的参数进行甄别和验证。

[参考文献]

[1]  Martin  N.,Ruiz  J  M.calculation  of  the  Pv  modules angular   losses  under  field  conditions  by  means of  an  analytical  model[J].solar  Energy  Materials &  solar  cells,2001,70  (1) : 25-38.

[2]  赵凯华 ,钟锡华.光学[M].北京:北京大学出版社 ,2017.

[3]  spectral   response , incidence    angle   and    module operating   temperature    measurement : IEc   61853-2 : 2016[s].

[4]  陈鹏 ,林皓 ,孙晓寅 ,等.入射角对大尺寸光伏组件性能影响的实验研究[J].太阳能 ,2024(6):71-77.

[5]  souka  A  F,safwat  H  H.Determination  of  the  optimum orientations   for   the   double-exposure,flat-plate collector  and  its  reflections   [J].solar  Energy, 1966, 10(4) : 170-174.

《机电信息》第22期第10篇