一、引言
农业活动和光伏发电相结合的农业光伏系统，可以克服土地换食物和土地换能源的竞争。与传统的地面光伏电站相比，农业光伏具有诸多优势，这些优势主要贯穿于三个不同的领域，例如能源、食物和水。
首先，光伏发电和农作物生产的相互结合可以提高整体的经济效益，可缩短光伏项目的投资回收期。从纯能源角度，与传统地面光伏电站相比，农业光伏系统得益于农作物的生长环境及较高的组件安装高度，在光伏阵列内部可以提供小气候，使得光伏组件背面的工作温度更低，可增加光伏组件的输出功率。
其次，从食物和水的角度，农业光伏系统可带来更高的农作物产量。根据光伏电站设计原则，光伏阵列存在一定的距离，对有效辐射的分布有着显著影响。另外，阵列之间的土地存在一定的阴影遮蔽，可减少该区域农作物所需的水量的蒸发，因此不仅增加了土壤的湿度，还有利于农作物的生长。
目前，传统农业光伏电站主要以固定式支架安装为主，支架上组件支架安装多排，为了不影响农作物种植和生长，组件最低点离地面高度一般较高。
近几年，国内外相关机构、支架生产商开始研究新型的农业光伏系统，并结合市场上主流的双面光伏组件开发了配套的垂直安装农业光伏系统，并围绕太阳辐射和遮荫、光伏和农作物产量进行了大量的理论和实践研究。
本文基于上述背景开展了双面组件垂直安装应用场景的相关研究，针对爱康N型异质结（HJT）双面双玻组件，通过商业软件进行了模拟仿真，从阵列间距、方阵面积、发电等方面分析了垂直安装方式与其他安装方式的差异。最后基于海外客户提供的测算报告，以欧洲波兰首都华沙为仿真项目地，重点分析了爱康HJT组件与PERC组件在垂直安装方式上的发电性能。
结果显示：爱康HJT-460W组件较PERC-400W双面双玻组件可提升发电11.95%。从组件参数角度看，增益部分主要来源于HJT组件较高的双面率。传统PERC组件双面率70%，爱康HJT组件双面率已达到了85%~90%，增加了15%~20%。
二、垂直安装方式与其他安装方式的比较
01）不同安装角度下的阵列间距比较
传统农业光伏电站对于组件的安装方式一般是最佳倾角安装，组件离地高度较高，组件选型可以使用单面发电组件，也可以选择使用双面发电组件。而垂直安装方式的最佳选型则为双面组件，组件的安装朝向不再是正南方向，而是东西朝向。无论是上午还是下午，组件的正面和背面均可接收直接辐射、散射辐射和地面反射辐射。
与传统最佳倾角安装相比，垂直安装方式下，阵列的间距则更大。例如，某纬度48.1371°地区，组件1P垂直安装，组件长度2.262m，当组件的安装角度从10°至90°变化时，根据光伏电站设计规范，冬至日上午太阳时9时至15时阵列不存在遮挡为计算原则，可得阵列的东西间距从5.1m逐渐增加至14.4m。如图1和图2所示为阵列东西间距示意图和计算结果。
02）不同安装方式下的方阵面积比较
由于组件所采用的支架类型、支架角度不同，这部分对固定支架、垂直安装、平单轴跟踪支架三种方式的方阵面积进行了比较。以德国慕尼黑为计算场地，光伏电站采用相同组件和逆变器，装机容量保持一致。可发现由于不同安装方式阵列间距的不同，方阵面积存在一定差异，其中垂直安装系统的阵列面积较其他安装方式要高一些。如下表所示。
表1 不同安装方式的方阵面积比较
03）不同安装方式下的发电性能比较
以德国慕尼黑为项目地进行测算，设定草地的地面反射率25%，下表为同一组件在不同安装方式下的发电性能比较，其中单面组件背面双面率按0%考虑。仿真可得：垂直安装方式发电小时数（单位千瓦发电量，单位：kWh/kW，下同）为1146h，略低于当地最佳倾角条件下单面组件的发电小时数1167h。垂直安装方式较固定式支架、平单轴跟踪支架，发电小时数有所下降，这是组件正背面辐射接收量的差异所决定的。
表2 不同安装方式发电性能比较
三、垂直安装仿真案例：HJT组件对比PERC组件
上述从三方面分析了垂直安装方式与其他安装方式的差异，不过垂直安装方式有自身的优势，它的差异化应用场景主要有农业光伏、光伏围栏等，也适用于寒冷积雪区域。以下针对农业光伏场景，基于海外客户报告，分析了HJT组件与PERC组件的发电性能。
仿真地点位于波兰首都华沙（ 北纬 52.2298° N，经度 :21.0118° E），该项目地的水平面总辐量为1071.7kWh/㎡（Meteonorm8.0软件），年平均温度9.26℃。
图3 波兰华沙地理位置
HJT组件采用460W双面双玻（双面率90%），PERC组件采用400W双面双玻（双面率70%），装机容量分别为10.001和10MW。安装方式均采用 1P垂直安装，客户设置的组件朝向为正面朝西（方位角90°），逆变器类型为SUN2000-60KTL-M0组串式逆变器。组件参数、系统配置和阵列设计可参考表3至表5。
海外技术专家采用光伏仿真软件PVsyst来模拟两款组件的发电性能， 地面反射率设置为0.25（草地）。由于垂直安装可有效防止积雪沉积及灰尘污垢，灰尘遮蔽损失百分比设置为0%。
四、垂直安装对比组件发电性能仿真结果分析
1）首年发电仿真结果
图4 爱康HJT-460W组件仿真结果（部分）
图5 PERC-400W组件仿真结果（部分）
根据模拟结果，PERC400W组件及异质结460W双面组件的首年月份发电对比结果如下图所示。在3月至9月，异质结组件的发电提升较为明显，而在10月至次年2月，差异较小。
对于10MW地面光伏电站，采用异质结460W组件，其双面率90%，对全年发电水平起着决定作用，其首年发电量为10743MWh，发电小时数为1074.3h，而采用PERC400W双面组件，由于双面率较低，首年发电量仅为9597MWh，发电小时数为959.6h，爱康异质结组件发电小时数提升了11.95%。
图6首年月度发电量仿真结果对比
2）典型日辐射对比
下图为典型日的正面背面辐照度比较，辐照度大小与太阳的方位有关。根据仿真结果，两款组件所接收的辐射量是相同的。上午时刻，太阳的方位位于东面，组件背面主要接收直接辐射、地面的反射和大气中的散射辐射，组件正面主要接收大气中的散射辐射和地面的一部分反射辐射，而到了下午正好相反。
图7典型日正面背面辐照对比
基于上图的每个时刻的辐照度数据，以中午11点为分界点，初步估算可得：上午正面辐照度总量为706.8W/㎡，背面辐照度总量为3820.8 W/㎡，下午正面辐照度总量为4776.8W/㎡，背面辐照度总量为363.65 W/㎡，因此下午的辐射总量要高于上午。
关于组件正面朝向设计，可对比全年上午和下午正面和背面的辐射大小，若全年下午的辐射高于上午，组件背面的朝向一般设计为正西方向。
3）出力曲线对比
下图为典型日的出力曲线比较，曲线呈现双峰特性。光伏出力最大的时刻不是出现在中午，而是上午或下午，因此在一定程度上可缓解电网的负担。
由于组件正面朝西，背面朝东，上午时刻，组件背面接收辐射，由于异质结组件的双面率较高，因此总体出力大小高于PERC组件。到了下午，太阳照射在组件的正面，虽然背面的辐射接收量较小，但是异质结组件的每小时出力大小仍略高于PERC组件。
图8典型日出力曲线比较
上述仅从电站运行的第一年分析，若考虑光伏组件25-30年的全生命周期，由于异质结组件具有较低的线性衰减率，仅-0.25%/年的功率衰减，较PERC组件可实现全生命发电周期内能更高的发电量输出。
五、小结
文中在农业光伏的大背景下，阐述了垂直安装方式的特点，分析了组件阵列间距与安装角度的关系，对于使用同一组件型号的不同安装方式的阵列面积及发电能力进行了比较，并基于海外客户仿真报告，分析了爱康HJT双面双玻组件和PERC双面双玻组件在垂直安装方式下的发电性能。结果显示：
（1）垂直安装方式的优势：适用于农业光伏、光伏围栏等特殊应用场合。对于组件的选型一般选择双面双玻组件，且双面组件的双面率对发电性能影响较大。
（2）垂直安装方式的不足之处：较最佳倾角固定安装、平单轴支架安装方式，阵列面积会有所增加，首年发电小时数有所下降。
（3）由于HJT组件兼具高转换效率、低温度系数、低衰减率与高可靠性。基于海外客户提供的测算报告，对于本文所述的农业光伏场景，爱康460W异质结双面双玻组件得益于较高的双面率（85%-90%）和组件转换效率，在垂直安装应用场景优势显著。基于仿真结果，在波兰华沙地区，与PERC双面双玻组件相比，发电可提升10%以上（具体为11.95%）。
（4）垂直安装方式适用于农业光伏电站的另一个特点：由于垂直安装，土地占用率非常低，大大提高了土地的利用效率，且阵列的间距一般设计10m以上，几乎不影响农业机械化设备的正常通行。垂直安装地面上存在较多的遮阴区域，有利于保持土地的湿润，减少水分的蒸发，利于喜阴植物的生长，提高农作物的产量。
（5）目前垂直安装方式的系统设计及配套支架均有成熟方案，与PERC组件相比，电站将获得理想的投资收益。
（6）文中还指出，垂直安装方式场景双面组件的朝向设计与全年上午和下午时段的辐射量有关，具体应根据实际项目分析。
在过去乃至未来，爱康一直致力于提升组件产品性能，在异质结组件的赛道上，将一如既往地携手全球合作伙伴，加速推广产品在全球范围内的应用，为客户带来更好的产品价值，持续为光伏产业的发展做出贡献。
