使用SunSolve和PVsyst计算农光互补系统的双面增益
本文探讨如何预测农光互补系统的双面增益，该增益根据系统设计和条件的不同，年度变化幅度可达2%至50%。我们比较了SunSolve直观的光线追踪方法和PVsyst需要确定复杂双面修正因子的行业标准方法。
· Keith McIntosh · research · 13 min read
农光互补系统的建模具有挑战性，特别是下图所示的东西向波浪形配置。模组正面的辐射度计算相对直接，但背面的辐射度呢？有多少光线穿过模组之间的缝隙，从地面或作物反射，穿过结构支撑到达模组背面？这并不容易。
因此，随着对农光互补的兴趣不断增长，我们越来越频繁地听到一个问题：
如何预测我的农光互补系统的双面增益？
本文描述了回答这个问题的几种方法。
**图1：**双面波浪形农光互补系统的（左）实际和（右）仿真视图，采用半透明模组。
农光互补是否有典型的双面增益？
由于双面增益对农光互补系统的发电量有显著贡献，工程师预测增益如何受模组布局、方向和结构支撑影响是很重要的。
不幸的是，农光互补系统的双面增益没有单一的估算值。农光互补设计的多样性太大——许多系统都是根据可用土地或特定作物定制的——而且，增益在一天和一年中都在变化。
例如，图1系统的年增益计算为6%，但在任何时间点的增益在晴朗夏日中午低至4.3%，或在太阳接近地平线时高达48%。为了说明这种变化性，图2绘制了一年中每小时的增益，显示了(a)当太阳高悬天空时增益最低，随着太阳下降而缓慢增加，然后在太阳在地平线10°或15°内时快速增加；(b)晴朗天空下增益最低，随着天空变得更多云而增加。
**图2：**图1系统的双面增益相对于(a)太阳天顶角和(b)漫射分数的图表。符号表示一年中每小时的增益；线表示年度增益。
图2中的数值是图1中波浪型农光互补系统特有的。在模组间距更紧密、模组透明度更低、作物吸收性更强或结构支撑更突出的系统中，增益将显著降低。当然，反之亦然。
此外，农光互补系统有时可以使用垂直模组（图3）、跟踪器或各种方向的固定系统，年增益可以从2%到50%不等。
那么，是否有快速可靠的方法来估算农光互补系统的双面增益？
我们描述两种可能的方法：SunSolve和PVsyst。
**图3：**垂直双面农光互补系统的(a)实际和(b)仿真视图。
SunSolve
SunSolve Yield提供了一种快速直观的方法来确定农光互补系统的双面增益。
要在SunSolve中创建双面农光互补系统，需要通过设置东西向模组的方向和布局、从CAD模型加载系统的结构支撑、选择不透明或半透明模组、将东西向模组串联到逆变器，以及如果需要的话，在模组下方添加作物来定义系统的物理尺寸。
如图1(b)所示，SunSolve包含仿真系统的3D可视化，有助于确认虚拟系统是否正确创建。
然后SunSolve使用光线追踪来模拟系统光学，计算每个电池的正面和背面辐射度，然后求解模组和串的电路。年产量在1-10分钟内求解，持续时间取决于模组的光学复杂性以及时间步长是5分钟、15分钟还是60分钟。计算包括光谱和热效应，以及由不均匀辐射度引起的电气失配。
最后，为了计算双面增益，并行运行两个仿真：(i)基线仿真，和(ii)防止光线进入模组背面的修改仿真。这些仿真之间的相对差异就是双面增益。
PVsyst
建模双面增益的另一种方法是使用PVsyst，这是系统建模的行业标准软件。
然而，在撰写本文时，仿真波浪系统需要复杂的程序。虽然PVsyst包含仿真”圆顶”（波浪系统）的选项，但不允许它们是双面的。因此，必须创建两个独立的”无限棚架”系统——一个用于东向模组，另一个用于西向模组——并为两者都选择双面选项。
然后PVsyst的光学模型计算模组背面的辐射度，假设(i)模组之间没有横向间隙，(ii)模组是不透明的，(iii)相邻的模组行完全是同一类型的系统。因此，为了仿真图4(a)的东西向波浪结构，PVsyst仿真东向模组的背面光学，就好像西向模组不存在一样，如图4(b)所示，西向的情况也是如此。在用视角因子方法计算这个”理想”情况后，PVsyst然后用两个光学因子修改背面辐射度，即”结构遮阴因子”fS和”棚架透明因子”fT，并通过背面”失配损失因子”fMR修改产生的输出功率。
图4：(a)东向和西向模组，(b)只有东向模组。
因此，这种方法需要用户输入fS、fT和fMR的值，其中：
fS 考虑结构支撑和任何作物的背面遮阴，以及缺失的相邻模组行的遮阴（例如，仿真东向行时缺失的西向模组）；
fT 考虑由于光线在模组之间的横向间隙中通过或通过半透明模组而产生的额外背面辐射度；
fMR 考虑由于不均匀辐射度和背面产生的电气失配损失。
这些输入都不能从简单的几何原理轻松计算，也不能在没有复制系统的复杂实验装置的情况下测量。
**图5：**PVsyst双面系统界面的截图：（左）“双面系统定义”屏幕，（右）“无限跟踪器2D模型”
SunSolve和PVsyst结合
PVsyst构成了产量预测的行业标准，其报告易于解释和信任。因此，行业有一个明确定义的程序来确定农光互补系统——以及任何其他双面系统——的fS、fT和fMR是很重要的。
确定fS、fT和fMR的常用方法是使用结合光线追踪和SPICE的程序，如SunSolve。
该程序包括在SunSolve中创建最能代表实际系统的系统。在这种情况下，fS、fT和fMR为零；即，不应用修正，因为仿真已经考虑了遮阴、透射和失配。然后修改SunSolve输入，使仿真越来越模拟PVsyst仿真的”理想”系统，该系统没有支撑、间距、透明度或失配。在每次仿真后，可以确定另一个修正因子。例如，fS通过比较排除结构组件时的解和包含它们时的解来确定。
这里描述了确定SAT和固定倾斜系统这些因子的程序。（已为SunSolve用户自动化。）该程序也适用于垂直光伏系统，前提是PVsyst仿真将东向和西向行视为两个独立的无限棚架系统，其中光学间距设置为东向和西向行之间的距离。
但该程序尚不适用于波浪型系统。需要新的程序，其中非基线仿真排除相对面向的模组以模拟PVsyst。
图6绘制了图1波浪系统的fS、fT和fMR。线表示能量加权年平均值，如将输入PVsyst的值。符号显示能量加权日值，由于太阳位置和天气变化而具有季节性依赖性。我们在2025年EU PVSEC上发表的论文”农光互补系统的双面因子”中描述了这些趋势和其他趋势的原因。联系我们获取论文预印本。
**图6：**图1波浪系统的日值（符号）和年值（线）fT、fS和fMR，东向行为橙色，西向行为红色。这些fS和fT值与人们对遮阴和透射因子的预期不同，因为它们是为PVsyst提出的双无限棚架方法确定的。
结论
农光互补系统的双面增益是显著的，但在没有仿真的情况下很难估算。
SunSolve Yield提供了一种准确直观的方法来求解增益。也可以使用PVsyst来求解增益，但这需要用户输入三个双面因子，这些因子需要用SunSolve等程序来求解。
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