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作者：Aydan GARROD, Aritra GHOSH

发表时间：15 Dec 2023

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研究亮点

1、概述了BPV技术发展历程

2、论述了BPV农业、建筑等多个领域应用情况及存在的问题

3、分析了BPV应用中的关键计算问题并对比了其平准化电力成本

4、总结了BPV发展中需要解决的问题并对BPV发展前景进行了展望

研究背景及意义

双面光伏（BPV）能够利用面板正面和背面的太阳辐照，进而提高单位面积生成的电能，因此有望替代传统的单面光伏太阳能板。BPV目前处于兴起阶段，其推广应用仍需要不断探索。目前已有BPV相关的综述研究较少，且内容仅涉及BPV的某个方面。本文对BPV当前的主要应用进行深入的研究，并重点关注不同应用场景下BPV系统的改进。

主要研究内容

1、BPV技术起源及发展

由于能够利用面板正面和背面的入射辐照，BPV比单面光伏板能够产生更多的电能。单面光伏与BPV对比如图1和图2所示。

图1 单面和双面光伏板结构单元对比

图2 双面和单面光伏板工作原理对比

第一批商业化的BPV模块由ISOFOTON公司开发，其结构是具有p+nn+结构的双面背面场单元，该单元当时在背面照明下的效率已被证明为12.7%。下图展示了早期的BPV模块。

图3 早期BPV模块

BPV在光伏市场份额中的不断增长，如下图所示。2019年约为15%，预计到2030年， BPV将占光伏市场的70%。

图4 单面和BPV的预测市场份额的比较

2、BPV多种应用

BPV技术的潜在应用包括水面光伏、建筑集成光伏（BIPV）、建筑应用光伏（BAPV）和农业光伏，如图5所示。

图5 BPV应用分类

3、BPV应用基本计算

a）辐照度计算

BPV运行效率可以表示为在相同的测试条件下，单位面积产生的功率与BPV相同功率的单面光伏的等效效率。通常使用双极性因子，其包括太阳能板的正面和背面的效率之比。下图对影响面板正面或背面入射辐照度水平的因素进行可视化。

图6 光伏板和太阳角度示意图

b)电气性能分析

二极管等效电路是分析光伏电气性能的常用方法，可有效减少需要分析的计算和组件的数量。图7和图8分别展示了传统单面面板和双面面板的二极管等效电路。

图7 传统单面光伏的二极管等效电路

图8 双面光伏的单二极管等效电路

BPV模块的伏安特性曲线见下图：

图9 电流-电压关系

4、成本分析

Rodríguez-Gallegos等人研究发现具有单轴跟踪器的BPV系统在绝大多数位置产生的平准化电力成本最低。平准化电力成本为平准化电力成本。双轴跟踪器可产出更高的电能，但其初始投资更高。

图10 不同光伏安装结构的成本

表2给出了不同国家、不同安装结构的光伏系统的平准化电力成本。

5、对BPV一些讨论

在工业方面，BPV在光伏市场的影响力正在显著增长，尽管目前占比不高，但预计将在未来主导光伏市场。到2030年，BPV将占据约70%的市场份额。

在政策需求方面，为了使BPV处于行业的前沿，需要政府和行业领导者的具体支持。这将有助于引领技术标准化的道路。

在BPV应用总结及未来需求方面，需针对应用场景具体讨论。

a)在地面安装BPV方面，目前存在多种基于视图因子或光线跟踪的建模分析方法。需形成计算BPV辐照度的标准化方法。

b)在建筑附着BPV方面，需要较低的地面覆盖率以避免面板间的遮蔽。为了最大限度利用太阳能，应使用垂直BPV面板。BAPV的诸多应用注册是用于绿色屋顶的垂直系统，未来的工作重点是传统的水平屋顶，需研发提升反射效果的涂层。

c)在光伏建筑一体化BPV方面，BIPV应当朝减少视觉突兀感的方向发展。

d)在农业BPV方面，目前缺少关于双面光伏与农作物优化的研究工作。需研究最适于应用BPV的农作物。

e)在水面BPV方面，缺乏使FPV免受风力损坏的研究。BPV模块须安装在较高的水面上，以最大限度地提高后侧辐照度，但是安装高度的升高将影响水面对BPV的散热效果。

结论

本文对BPV研究进展进行了综述，分析了世界不同地区BPV的应用，并对未来BPV发展提供了建议。与单面系统相比，BPV的优势不限于增加电力产量，还包括应用于APV时提高作物生长和减少水蒸发，应用于FPV系统时减少水库水蒸发等。这些优势显示了BPV的巨大通用性和潜力。

原文信息

A review of bifacial solar photovoltaic applications

Aydan GARROD, Aritra GHOSH*

Author information：

Faculty of Environment, Science and Economy (ESE), Renewable Energy, Electric and Electronic Engineering, University of Exeter, Penryn TR10 9FE, UK

Abstract：

Bifacial photovoltaics (BPVs) are a promising alternative to conventional monofacial photovoltaics given their ability to exploit solar irradiance from both the front and rear sides of the panel, allowing for a higher amount of energy production per unit area. The BPV industry is still emerging, and there is much work to be done until it is a fully mature technology. There are a limited number of reviews of the BPV technology, and the reviews focus on different aspects of BPV. This review comprises an extensive in-depth look at BPV applications throughout all the current major applications, identifying studies conducted for each of the applications, and their outcomes, focusing on optimization for BPV systems under different applications, comparing levelized cost of electricity, integrating the use of BPV with existing systems such as green roofs, information on irradiance and electrical modeling, as well as providing future scope for research to improve the technology and help the industry.

Keywords：

bifacial photovoltaics (BPVs), bifacial, photovoltaics, applications, review, solar

Cite this article

Aydan GARROD, Aritra GHOSH. A review of bifacial solar photovoltaic applications. Front. Energy, 2023, 17(6): 704–726

通讯作者简介

Aritra Ghosh，英国埃克塞特大学可再生能源学院讲师。曾担任爱尔兰都柏林科技大学工业与工程光学中心研究员。他是工程、数学和物理app学院可再生能源小组的成员，也是跨学科环境与可持续发展研究所的成员。他还担任可再生能源工程和全球可再生能源工程理学硕士项目主任。

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