本文是一篇工程硕士论文，本文建立了双面光伏电池功率输出数学模型，主要对双面光伏斜单轴跟踪系统进行设计和优化。首先对比单/双面光伏单轴跟踪系统的发电量，说明双面光伏单轴跟踪系统发电量的增益情况；然后根据太阳运动情况设计单轴跟踪算法，以双面光伏组件输出功率最大为目标，引入遗传算法寻优获得斜单轴跟踪系统年最佳倾斜角和季节性最佳倾斜角方案；最后对典型地区双面光伏组件不同支架系统下的发电量分析和 LCOE 评估研究。
第一章 绪论
1.1  课题研究背景
第一次工业革命给人们带来了“能源”一词，如今，由于工业化国家和新兴国家的能源需求在增加，全世界的能源需求一直在迅速上升[1]。但是，天然气、煤炭、沥青岩和石油等化石燃料是不可再生的能源，使得能源开采引起了全球各国的关注，过度开发必然会导致不可再生能源的过度消耗，这将带来能源安全问题。此外，化石燃料的过度消耗意味着空气中甲烷、CO2和氧化亚氮等气体大量排放，引起地球温度上升，导致温室效应加剧。因此，人类文明和地球生物正面临一些环境问题，如导致全球变暖的气体排放增加、森林衰退、空气污染和不可再生地球资源的稀缺。如图 1-1，这导致全球变暖，带来灾难性后果和极端天气事件，例如地球温度升高、海冰退缩、海洋酸化、暴雨和严重干旱。为了在不损害环境的情况下实现节约自然资源和满足人类日益增长的能源需求的可持续发展，可再生和可持续的清洁能源是地球的替代解决方案，比如核能、风能、水力发电、地热能和太阳能等等。太阳能的光可通过光伏电站中的光伏设备转换为电能[2]，或在集中式太阳能发电厂中转换为热量[3]。对于能量获取和数量来说，太阳能是最丰富的可再生能源和清洁能源，具有良好的发展前景。
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太阳能光伏在中国发挥着越来越重要的作用，以用可再生能源替代化石燃料能源。截至 2020 年底，光伏总装机容量在全球高达 760.4 GW，超过 1GW 新增光伏容量的国家有 20 个。拥有全球最大光伏市场的中国，如图 1-2 所示，其 2020 年光伏电池装机容量高达 48.2GW，而且光伏装机容量高达 253.43GW，是 2016 年制定的国家太阳能光伏目标的 2.5 倍。大型光伏电站上的分布式太阳能光伏系统已引起关注，包括不受限制的位置和附近电力利用的潜力，可降低传输成本和电力损耗[4]。
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1.2  课题研究的目的及意义
太阳能光伏已成为世界上增长最快的可再生能源之一，国内的常规光伏电池经历了十几年的发展，转换效率的提高空间越发缩紧，光伏产业未来研究方向将转向双面光伏电池和跟踪支架，在新一波光伏发电走向平价化中这将成为关键性技术。因此对双面光伏电池复杂环境下数学模型的研究并为双面光伏跟踪支架最大化发电量提供有效的优化途径是非常有价值的。
本课题主要目的是为了建立双面光伏系统的数学模型和设计双面斜单轴跟踪系统以及根据当地天气条件实现倾斜角最优化。本文经过单/双面单轴跟踪系统试验分析得到它们之间在年发电量和季节性发电量的差异；设计和优化不同时间点下的斜单轴跟踪系统的最佳倾斜角的发电量的差异；最后对优化后的斜单轴跟踪系统和其他支架系统进行经济性分析，得到各种方案下的 LCOE 和最佳支架系统。
双面光伏电池技术的第一项工作可以追溯到 Hiroshi 在 1966 年颁发的一项专利[8]。1997 年，A.Luque 等[9]制造并展示第一个双面光伏实验室。随后每年发表几篇与双面光伏相关的高效率和实际应用的文章。2013 年，许鹏等[10]为了获得更高的光伏模型的准确性和双二极管的求解速度，采取了实际情况的双二极管模型简化和修正的办法来优化二极管光伏模型，可以使光伏电池的计算的准确性得到进一步的提高。作者通过Matlab/Simulink 平台建立了光伏组件的等效电路仿真模型，组件在不同工况写的输出功率模拟得到了实现，并通过与厂家提供的实验数据进行对比，发现最大功率偏差和最大功率点处的电压偏差在合理范围以内，说明了该模型具有极高的准确度。2014 年，Singh等[11]提出了一种通过同时进行前后照明的双面照明来表征双面光伏电池模型的方法，该方法包括在 STC 下测量前侧电气参数和后侧短路电流。
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第二章 光伏组件输出特性与双面光伏组件数学模型研究
2.1  光伏发电工作原理
光伏电池是一种半导体制作的电子设备，它能够将太阳能转化为电能[40]。在该电池中，当来自太阳的光子被吸收和来自半导体材料表面的自由电子被射出时，自由电子就会发生流动，从而形成一个空穴，该空穴进一步被另一个电子占据。这整个过程被称为光生伏打效应，这一现象最早由法国物理学家 ME Becquerel 在 1839 年观察到[41]。如图2-1 所示，在光伏电池中，自由电子沿一个方向流动，空穴沿相反方向流动，导致电流沿空穴方向流动。吸收的光子直接影响电流的大小，吸收光子的数量越多，则会产生更多的电子和空穴，从而就会产生更大的电流，因此，光伏电池会根据光的强度产生变化的电流。光伏电池工作首先吸收光以产生空穴和自由电子，空穴和电子的分离，最后建立跨 P-N 结的电势差。
近十几年清洁能源的发展，太阳能光伏发电已经成为使用最广泛的可再生能源之一。光伏发电的效率和成本一直是科学家的关注的焦点。在这种情况下，双面光伏电池特别引人注目。双面光伏电池正反两面能够同时收集太阳的辐射，从而可以更有效利用漫反射辐射和反射辐射，因此与单面光伏电池相比，双面光伏电池在能源利用率和成本支出更胜一筹。
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2.2  双面光伏电池类型介绍
1994 年，第一届世界光伏会议上，有专家展示了p+-n-n+结构的双面光伏电池，随之大批量的研究人员对制造双面光伏电池的技术进行研究，并取得了显著的进展，其中包括钝化等技术，并且在商业化的推进下，双面光伏电池实现大批量生产。图 2-3 表示世界光伏电池市场占比变化趋势[43]，2020 年的光伏行业市场中，单面光伏电池依旧占据主要市场，占整个光伏电池数量的 80%。预计到 2025 年，双面光伏电池在光伏行业的占比将超过单面光伏电池。现在的双面光伏市场上主要包括 PERC 双面光伏电池、N 型双面光伏电池和异质结双面光伏电池，在市场竞争之下，单面光伏电池组件被市场淘汰，而双面光伏电池逐渐占据光伏电池的市场，特别是 PERC 双面光伏电池已经成为了市场的主流光伏电池。
双面光伏组件在冬季的时候，能够较快把积雪融化，减少积雪覆盖时间，降低清洁频率，延长使用寿命。双面光伏电池正面和背面都来自太阳的紫外线，而且无框架的双面光伏电池还可以减少由电势差所导致的降解问题。
双面太阳电池背面的局部接触使它们能够收集来自正面和背面的太阳入射辐射和反射辐射，这种特殊的结构有助于增加 5%~30%的功率输出。而双面光伏电池的成本等于具有相同前表面的常规单面模块的成本，在发电量增加的情况下，可以降低 2%~6%的系统平均能源成本。
双面光伏电池组件可以垂直安装，面向东西方的垂直安装方式在清晨和午后产生的输出功率都比传统安装的单面要高，而且还能节省空间，提高土地利用率，这种安装方式还能降低表面灰尘的沉积。双面光伏电池还可以作为路边的隔音屏障安装，而且不太容易被雪覆盖，降低环境因素对电池的影响。
此外，采用双玻璃的双面光伏电池在耐磨损和绝缘性能方面更有优势，而且也在一定程度上提高了防火等级，降低光伏引起的灾害。
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第三章 双面光伏单轴跟踪系统设计及实验 ........................... 26
3.1  光伏跟踪系统类型阐述 ............................. 26
3.1.1  被动式光伏跟踪技术 ......................... 26
3.1.2  主动式光伏跟踪系统 ................................... 28
第四章 斜单轴跟踪系统的优化 ...................... 41
4.1  双面光伏组件输出功率 ................................ 41
4.2  优化倾斜角算法设计 ....................................... 42
4.3  气象资料分析 ...................................... 44
第五章 双面光伏斜单轴跟踪系统经济分析 .................................. 54
5.1  经济分析数学模型 .................................. 54
5.2  不同跟踪方式的 LCOE 比较 ................................... 54
5.3  斜单轴跟踪双面光伏系统总成本分析 ............................... 58
第五章 双面光伏斜单轴跟踪系统经济分析
5.1  经济分析数学模型
LCOE 是对各种发电方案的整体竞争力进行有用的总结评估，它等于项目生命周期内发生的总成本总和与装置在其生命周期服务期间产生的总电量之比。LCOE 方法考虑了项目生命周期内发生的总体安装成本和相关的能源生产。
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其中 Co 项目初始资本支出，T 为预计项目的寿命年限或者合同时间，t 为系统运行年限，Ct 为“t”时间内的项目成本，i 为通货膨胀率，d 为光伏组件退化率，j 折现率，Et 在“t”时间内产生的能量。
从公式（5.1）说明了 LCOE 取决于市场经济参数和光伏发电系统的发电量。双面光伏发电系统年发电量受到了当地的太阳辐射、天气变化和双面光伏电池转化效率的影响，在晴天时双面光伏发电系统可稳定持续输出功率；在多云天气时双面光伏发电系统间断性输出功率，在阴雨天时双面光伏发电系统输出功率较低。随着光伏电池技术的不断发展，光伏电池的转化效率也在不断提高。光伏发电系统的初始资本支出包括光伏电池、安装支架、电线、逆变器以及土地租用资金等等，系统的初始成本跟随着设备的价格变动，另外初始成本还受到光伏阵列的布置，合理的光伏阵列布置能够减少安装支架和土地面积的使用，而且合理的阵列布置还能充分考虑遮光方面，一定程度提高光伏发电系统发电量。
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第六章 全文总结与展望
6.1  全文总结
双面光伏电池技术的性能评估和应用是学术界和光伏市场的热门话题，特别是双面光伏组件与跟踪装置配备使用成为光伏发电市场的主流，因此本文建立了双面光伏电池功率输出数学模型，主要对双面光伏斜单轴跟踪系统进行设计和优化。首先对比单/双面光伏单轴跟踪系统的发电量，说明双面光伏单轴跟踪系统发电量的增益情况；然后根据太阳运动情况设计单轴跟踪算法，以双面光伏组件输出功率最大为目标，引入遗传算法寻优获得斜单轴跟踪系统年最佳倾斜角和季节性最佳倾斜角方案；最后对典型地区双面光伏组件不同支架系统下的发电量分析和 LCOE 评估研究。
（1）首先介绍光伏电池的工作原理和双面光伏组件的结构，以及总结双面光伏电池的优缺点；然后基于光伏组件等效电路模型，建立关于单二极管五个方程并求解五参数，得出在任意工作环境下天合光能股份有限公司生产的 500W 单晶硅双面光伏电池的输出特性曲线；最后建立双面光伏电池正背面的太阳辐照和温度数学模型，为后续倾斜角优化和经济分析做准备。
（2）首先利用视日轨迹法，设计了单轴太阳能跟踪算法；接着基于单/双面光伏组件单轴跟踪实验平台，验证单/双面光伏跟踪发电量的差异，并分别对单/双面光伏组件在不同天气和不同季节的状况下发电量的对比分析，实测发现从早上 6 点到晚上 18 点双面跟踪比单面跟踪可多出 12.56 %的发电量；分析四种天气下单/双面光伏组件的发电量，发现在晴天增益最大为 0.733kwh/kwp，比单面光伏组件多出 9.3%，在雨天和阴天的发电量曲线非常接近，增益非常小；一年中单/双面组件跟踪不同季节发电量增益比较来看，夏季增益功率最大为 38.91 kwh/kwp，比单面光伏组件多出 8.73%，冬季增益功率最低，其值为 6.56 kwh/kwp。对于光伏组件年发电量，双面光伏跟踪比单面光伏跟踪增益为 8.1%。最后分析了安装在水面上和草地上两种不同地形的不同反射率对双面光伏单轴跟踪系统发电量的影响，表明具有较高反射率水面的光伏发电量低于反射率较低的草地。