西安城區(qū)灰塵對(duì)分布式光伏電站輸出功率的影響分析

陜西光伏產(chǎn)業(yè)有限公司 ■ 王鋒 張永強(qiáng) 才深

一 引言

近兩年，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)接連受到國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢(shì)低迷的沖擊，加上美歐“雙反”的重創(chuàng)，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)逐漸由大型并網(wǎng)電站向城市屋頂分布式光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。與大型并網(wǎng)光伏電站不同，分布式光伏電站具有“容量小、分布廣、總量大”的特點(diǎn)。其選址著眼于廣闊的城市閑置屋頂，布置靈活，潛在容量十分可觀。因此從中央到地方紛紛出臺(tái)鼓勵(lì)政策促其發(fā)展，如2009年國(guó)家開(kāi)始實(shí)施至今的“金太陽(yáng)”工程、上海市的《上海市10萬(wàn)個(gè)屋頂計(jì)劃》、深圳、杭州、揚(yáng)州等地的“陽(yáng)光屋頂”計(jì)劃[1]等。

隨著城市環(huán)境的日趨惡化，特別是秋冬季節(jié)北方集中出現(xiàn)的霧霾天氣，給分布式光伏發(fā)電帶來(lái)了不小的影響。霧霾中的大氣顆粒物不僅吸收陽(yáng)光使能見(jiàn)度降低[2]，還造成灰塵沉積增加。太陽(yáng)電池組件表面積灰，輸出功率就會(huì)降低，降幅甚至達(dá)到26%[3]。類(lèi)似的大氣環(huán)境總是區(qū)域性出現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)的分布式光伏電站都將受其影響，對(duì)該地區(qū)功率輸出總量造成不小的損失。

本文選取西安城區(qū)冬季環(huán)境污染較嚴(yán)重的一段時(shí)間，在一處運(yùn)行多年的小型屋頂分布式光伏電站設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探索灰塵積累對(duì)分布式光伏電站發(fā)電量的影響，以期為城市中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)提出一點(diǎn)維護(hù)和管理的參考。

二 灰塵對(duì)分布式光伏電站的影響

國(guó)內(nèi)外對(duì)于灰塵對(duì)光伏系統(tǒng)影響的研究起步很早，上世紀(jì)80年代初，Gammon R B等人[4]已發(fā)現(xiàn)大氣污染對(duì)于太陽(yáng)能利用的嚴(yán)重影響。灰塵對(duì)太陽(yáng)電池功率輸出的影響主要是散熱和受光兩方面。

1 灰塵對(duì)光伏組件散熱的影響。

目前光伏電站使用最多的是硅基太陽(yáng)電池組件，硅基太陽(yáng)電池對(duì)溫度十分敏感，灰塵在太陽(yáng)電池組件表面積累，會(huì)增大光伏組件的傳熱熱阻，像是給光伏組件蓋上了一層“棉被”，影響其散熱。研究表明太陽(yáng)電池溫度上升1℃，輸出功率約下降0.5%。

2 灰塵對(duì)光伏組件受光的影響。

灰塵沉積在光伏組件受光面，首先會(huì)遮擋光線(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池的照射，造成太陽(yáng)電池接受陽(yáng)光的有效面積減少；其次會(huì)使部分光線(xiàn)的入射角度發(fā)生改變，造成光線(xiàn)在玻璃蓋板中不均勻傳播[5]，影響太陽(yáng)電池對(duì)光線(xiàn)的接受，導(dǎo)致輸出功率下降。

三 實(shí)驗(yàn)部分

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

在西安市區(qū)一處樓頂太陽(yáng)能電站中，選擇電站中地形較好，光伏組件四周遮擋較少，布置相鄰的三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域含有16塊光伏組件，分別編號(hào)為1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

2 實(shí)驗(yàn)方法

以1區(qū)作為對(duì)比(戶(hù)外自然條件下充分積灰)，不作處理，其他兩區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一清洗(指利用清水沖洗光伏組件表面的積灰并揩干)；利用電站監(jiān)控系統(tǒng)，記錄3個(gè)發(fā)電區(qū)域在清洗前后的每日累積發(fā)電量，研究其變化規(guī)律。

3 數(shù)據(jù)篩選

利用電站的監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能，各區(qū)每日的發(fā)電量數(shù)據(jù)可自動(dòng)完成統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖2。

獲取清洗前后從2012年11月23日至2013年1月3日共40天內(nèi)的各區(qū)數(shù)據(jù)，繪成曲線(xiàn)如圖3(為觀察清晰，將1區(qū)發(fā)電量曲線(xiàn)上移5個(gè)單位，3區(qū)下移5個(gè)單位)。

對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選(注1)、匯總、比較和分析后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)歷史報(bào)表

圖3 各區(qū)發(fā)電量數(shù)據(jù)

四 結(jié)果與討論

1 發(fā)電量結(jié)果

從圖3可知，三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域日累積發(fā)電量的峰值和谷值總是同時(shí)出現(xiàn)，發(fā)電量的變化規(guī)律也呈現(xiàn)出高度一致性。證明了所選區(qū)域的實(shí)驗(yàn)條件基本相同，且試驗(yàn)期間各分布式光伏系統(tǒng)均工作正常。

為進(jìn)一步說(shuō)明三個(gè)區(qū)域發(fā)電量變化的關(guān)系，提出一個(gè)無(wú)因次量σ：

其中，Q1、Q2、Q3分別是1、2、3區(qū)每日的累積發(fā)電量。

當(dāng)σ＜1時(shí)，表明1區(qū)發(fā)電量高于其他兩區(qū)。當(dāng)σ＞1時(shí)，則表示1區(qū)發(fā)電量低于其他兩區(qū)。

2 發(fā)電量變化預(yù)測(cè)值

因?yàn)?個(gè)發(fā)電區(qū)域的裝機(jī)容量基本相等，可以預(yù)見(jiàn)σ值的變化，會(huì)隨時(shí)間推移分為3段：清洗前σ值是一個(gè)穩(wěn)定值；清洗后穩(wěn)定被破壞，2、3區(qū)發(fā)電量增加，1區(qū)不變，σ值會(huì)增大；隨著灰塵沉積，σ值會(huì)緩慢穩(wěn)定，直到與清洗前相等；σ值的

變化預(yù)測(cè)如圖4所示。

圖4 清洗前后σ1和σ2的預(yù)測(cè)值

3 發(fā)電量變化實(shí)際值

統(tǒng)計(jì)清洗前后每日的σ1和σ2實(shí)際值，繪成曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 清洗前后σ1和σ2的實(shí)際值

從圖5可知，實(shí)際σ1和σ2曲線(xiàn)與預(yù)測(cè)基本吻合，曲線(xiàn)隨時(shí)間推移分成3段：12月6日前σ1和σ2穩(wěn)定在0.95～1.05間；12月20日后σ1和σ2穩(wěn)定在1.0～1.05間；12月6日至12月20日，σ1和σ2則遠(yuǎn)高于其它兩個(gè)區(qū)間。表1統(tǒng)計(jì)了σ1和σ2清洗前后的平均值。

從表1可知，清潔前后光伏組件的輸出功率約提高15%，12月20日后，輸出功率則降低至與清潔前相等。

表1 σ1與σ2的平均值

4 曲線(xiàn)陡降的原因初探

從圖5可知，12月21日前后σ1和σ2值突然降低，圖線(xiàn)非常陡峭。這與預(yù)期不相符。

由前文分析可知，發(fā)電量降低是光伏組件表面的積灰引起的。一般說(shuō)來(lái)，粗顆粒物多以滾動(dòng)方式搬運(yùn)；中細(xì)顆粒物多以跳躍方式搬運(yùn)；極細(xì)顆粒物多以懸浮方式搬運(yùn)[6]。本次實(shí)驗(yàn)中的光伏電站位于城市樓頂，距地高度約為20m，光伏組件表面積灰的主要來(lái)源是懸浮在大氣中的極細(xì)顆粒物。

圖6 實(shí)驗(yàn)期間高新區(qū)可吸入顆粒物(PM10)含量

查閱實(shí)驗(yàn)期間西安高新區(qū)可吸入顆粒物(PM10)含量，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)期間，特別是清洗組件后，高新區(qū)可吸入顆粒物(PM10)含量一直比較高，甚至多日出現(xiàn)重污染。

12月21日西安市區(qū)突降大雪，降雪促進(jìn)了大氣中顆粒物的沉降，由于降雪對(duì)組件表面的沖刷作用很小，降雪消融后，顆粒物會(huì)留在組件表面，因此2、3區(qū)輸出功率出現(xiàn)銳減。

可見(jiàn)，大氣中顆粒物若不積沉在光伏組件上，對(duì)光伏組件輸出功率影響不大；但此大雪或霧霾等降塵天氣會(huì)加速顆粒物的沉降，導(dǎo)致光伏組件的輸出功率驟降。

因此降塵天氣之后，再清洗光伏組件將能獲得更高的發(fā)電收益。

五 結(jié)論

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總、分析后，可得到以下結(jié)論：

(1)大氣中顆粒物漂浮時(shí)，對(duì)光伏組件的輸出功率影響不明顯。

(2)在相同條件下，清潔的光伏組件與積灰的光伏組件相比，其輸出功率要高出至少15%。

(3)降雪會(huì)加速光伏組件表面積灰。

(4)大氣污染嚴(yán)重的情況下，清潔光伏組件的最佳時(shí)機(jī)在大雪等降塵天氣之后。

[1] 劉光旭，吳文祥，張緒教，等.屋頂可用太陽(yáng)能資源評(píng)估研究——以2000年江蘇省數(shù)據(jù)為例[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2010,19(11):1242－1248.

[2] 董雪玲.大氣可吸入顆粒物對(duì)環(huán)境和人體健康的危害[J].資源·產(chǎn)業(yè),2004,6(5):50－53.

[3] Jiang Hai, Lin Lu, Ke Sun. Experimental investigation of the impact of airborne dust deposition on the performance of solar photovoltaic (PV)modules[J].Atmospheric Environment, 2011,45(25):4299－4304.

[4] Gammon R B,Huning J R,Reid M S, et al. Urban air pollution and solar energy[J]. International Journal of Ambient Energy,1981,2(4):183－195.

[5] 居發(fā)禮.積灰對(duì)光伏發(fā)電工程的影響研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[6] 韓永明，杜佩軒，李智明，等.西安市灰塵循環(huán)模式及搬運(yùn)沉積[J].物探與化探.2003,27(3):227－229.