灰塵對光伏發電的影響及組件清洗研究

■ 孟偉君 樸鐵軍 司德亮，2 張文華，2 于俊峰，2 陳志燕

(1.內蒙古神舟光伏電力有限公司；2.巴彥淖爾市農墾神州光伏電力有限公司)

0 引言

能源是當今世界日益關注的熱點之一，而太陽能作為一種可再生的清潔能源備受重視。近年來，國內外都在大力推廣太陽能光伏發電，積極進行光伏電站的建設。2013年，全球光伏新增裝機市場達36 GW，同比增長12%；我國新增裝機容量達10 GW，同比增長122%，居全球首位。預計2014年全球光伏新增裝機量將達43 GW，我國達到12 GW。從以上數據可看出，我國光伏發電事業飛速發展，光伏電站裝機容量急速擴張。追求發展速度的同時，更應注重發展質量，如何提高光伏電站發電效率、增加光伏電站發電量，是值得探索研究的重要課題[1]。

空氣中的灰塵覆蓋對光伏電池板能量轉換的影響非常大。美國“機遇”號火星探測器在執行任務過程中就曾面臨過這個問題，從2004～2010的6年時間里，功率衰減了1/3。同樣，無論屋頂光伏電站還是地面光伏電站，都面臨組件積灰的情況，灰塵是影響光伏電站發電量的關鍵因素之一。進行灰塵對光伏發電的影響及組件清洗的研究是非常必要的[2]。

1 灰塵對光伏發電的影響分析

灰塵是由懸浮在空氣中的微粒所組成的不均勻分散體系，附著在光伏電池板上會影響光伏電池的發電量和壽命。本文從灰塵的來源、種類、影響光伏發電的原理等幾個方面來分析，說明其對光伏發電的重要影響。

1.1 灰塵的來源和種類

灰塵的來源主要有兩個方面：自然和人為。灰塵的自然來源主要是土壤、巖石、大氣沉降物，經過風化等自然作用后，分裂成細小的微粒，在空氣動力系統的作用下傳輸到各個地方；灰塵的人為來源主要是在人類的生產活動過程中產生的，受人類影響較大，如城市交通、建筑施工、工業加工、燃燒等。為了便于研究，我們可將灰塵按其物理性質和化學性質進行分類。

1.1.1 物理性質分類

灰塵的物理性質有很多，包括：粒徑、顏色、密度、吸水性、導熱性、分散度、粘附性等。其中，粒徑、導熱性、吸水性、粘附性、摩擦性等都是與光伏發電緊密聯系的物理性質。

灰塵粒徑是表征灰塵顆粒大小的參數，不同的灰塵粒徑不同，對光伏電池板的遮擋也不同，按灰塵粒徑的大小可將灰塵分為粗灰塵和細灰塵。

灰塵的導熱性影響光伏電池板熱平衡，在陽光照射下，積灰光伏電池板的溫度與清潔光伏電池板溫度存在差異，從灰塵的導熱性方面可將灰塵分為強導熱灰塵和弱導熱灰塵。

灰塵大多具有吸水性，根據其吸水程度可將灰塵分為干松積灰和粘結積灰。干松積灰一般較易吹除，但其顆粒潮濕后，易形成粘結積灰，粘結積灰吸附性較強，一般較難清除。

灰塵在流動過程中對光伏組件表面所產生不同程度的磨損，稱其為灰塵的摩擦性。硬度高、密度大、帶有棱角的灰塵磨損性大。根據灰塵的摩擦性可將灰塵分為強磨損性灰塵和弱磨損性灰塵。使用壓縮空氣吹掃方法除塵時，需考慮灰塵的摩擦性。

1.1.2 化學性質分類

有些灰塵化學性質比較不活潑，如黑炭顆粒、碳酸鈣和氫氧化鋁粉塵等；有些灰塵本身帶有酸性，例如硫酸煙霧、光化學煙霧等；有些灰塵本身帶有堿性，如金屬氧化物顆粒、石灰石粉塵、水泥粉塵等。

灰塵中飄塵顆粒多、粒徑小、表面積大，它們有很強的吸附能力，能將空氣中的有害物質吸附到表面，從而呈酸性或堿性。另外，灰塵中往往含有粘土等物質，會吸收空氣中的水分，然后發生水解反應，分解出膠粘狀的氫氧化鋁，帶有堿性。

灰塵的酸堿性不同，對光伏電池板的腐蝕作用也不同。腐蝕作用越強，光伏電池板表面損害越嚴重。因此，從化學性質上可將灰塵分為中性灰塵、酸性灰塵和堿性灰塵。

1.2 灰塵影響光伏發電的原理

從灰塵的物理性質和化學性質出發，分析其影響光伏電池發電的原因，可歸結為遮擋效應、溫度效應和腐蝕效應3個方面。

1.2.1 灰塵的遮擋效應

光伏電池板表面的灰塵，根據其粒徑的大小，不同程度遮擋光線對電池板的照射，使得實際到達光伏電池的光線大大減少。另外，在灰塵的影響下，一部分光線的傳播均勻性發生了改變。如圖 1所示[1]。

圖1 灰塵遮擋下的光線傳播示意圖

圖1中，光強為E的光線照射到灰塵表面，ΔE1被灰塵吸收后變為熱能，ΔE2被灰塵向四周散射。被散射的光線中可能有部分照射到玻璃蓋板上，圖中E1光線就是被灰塵散射到玻璃蓋板上的光線，在玻璃蓋板上又形成了一次折射和反射，最終有E12的光強進入玻璃蓋板。

由于灰塵的遮擋作用，實際到達光伏玻璃蓋板表面的光強為E1，進入玻璃蓋板的能量較無積灰時要少E-E1，從而使得光電效應較清潔狀態下弱，因此積灰組件的發電量要比清潔組件少[3]。

1.2.2 灰塵的溫度效應

光伏電池板表面的灰塵，一方面遮擋太陽光線對組件的照射，減少了投射到光伏電池表面的太陽輻射量[4]；另一方面導致光伏電池板的傳熱形式發生了變化。

現有光伏電池板熱平衡模型是建立在清潔面板情況下[5]，實際上在光伏電池投入運行后，其表面的灰塵、樹葉、鳥糞等物質會影響光伏發電的熱平衡。當光伏組件表面有灰塵時，長久的陽光照射使組件表面受遮擋部分升溫遠大于未被遮擋部分，溫度過高時會出現燒壞的暗斑——熱斑[6]，如圖2所示。熱斑效是影響光伏組件輸出功率和使用壽命的重要因素，可導致光伏電池局部燒毀形成暗斑、焊點熔化、封裝材料老化等永久性損壞，甚至可能導致安全隱患[7]。

圖2 光伏組件熱斑及損壞現象

1.2.3 灰塵的腐蝕效應

光伏電池蓋板表面大多為玻璃材質，玻璃的主要成分是二氧化硅和石灰石等，當濕潤的酸性或堿性灰塵附在玻璃蓋板表面時，玻璃蓋板成分物質都能與酸或堿反應。隨著玻璃在酸性或堿性環境里的時間增長，玻璃表面就會慢慢被侵蝕，從而在表面形成坑坑洼洼的現象，導致光線在蓋板表面形成漫反射，在玻璃中的傳播均勻性受到破壞。

如圖3所示[1]，灰塵對玻璃蓋板的腐蝕引起蓋板表面呈現許多凹面，使得原來光滑的玻璃蓋板變成非光滑面，增強了玻璃蓋板表面的漫反射。

圖3 受腐蝕的光伏組件光線傳播示意圖

由圖3可知，照射到凹面的光線傳播路徑與照射到光滑表面的光線傳播路徑明顯不同。光強為E的光線照射到凹面內，經過多次反射與折射過程，最終進入玻璃蓋板的能量為E1+E21。而同樣光強為E的光線照射到平滑表面后，經過一次折射和反射，E′1的光強進入玻璃蓋板，E′2的光強被蓋板表面反射。

那么到底哪種方式進入玻璃蓋板的光線更強呢，不妨根據能量守恒定律進行分析。在光的反射和折射中，能量是守恒的，能量的分布情況滿足：

其中，Ii為入射光強；Id為漫反射光強；Is為鏡面反射光強；It為透射光強；Iv為被物體所吸收的光強。

灰塵對玻璃蓋板的不斷腐蝕，使得光伏電池表面越來越粗糙，隨著粗糙程度的加深，漫反射逐漸增強。若把光伏組件看成一個理想的漫反射表面，當光源來自一個方向時，漫反射光會均勻地向各個方向傳播。根據Lambert余弦定律可知：

其中，Id為漫反射光強；Kd為漫反射系數；θ為入射點P的法向N與入射光源L的夾角，如圖 4所示[1]。

圖4 入射光示意圖

漫反射系數Kd與物體表面粗糙程度相關，0

1.3 灰塵影響發電量的實例

通過理論分析，灰塵在多方面影響光伏發電量。實際上，國內外研究人員對這方面也做了大量工作。

圖5是美國圣地亞哥市某光伏電站灰塵導致的發電量損失率。5月15日～8月29日期間沒有降雨，灰塵導致光伏電站發電量的損失率一直在增加，最高時為22%，這也意味著在8月29日時，約有22%的發電量因降塵而損失。

圖5 美國圣地亞哥某光伏電站1年中灰塵導致的發電量損失值

圖6是位于地中海東岸的塞浦路斯某電站降塵對發電量的損失值。從圖6中可知，無論單晶硅組件、多晶硅組件還是非晶硅組件，都是隨著在外面放置的時間越久，降塵越多，對發電量的減弱作用越強。在干旱持續了12周后，單晶和多晶的發電量損失率達到了約14%。

圖6 某電站干旱期每周發電量損失值

圖7為塞浦路斯某電站一次沙塵暴過后測到的電池板功率損失值都在10%以上。

圖7 某電站沙塵暴過后電池板功率損失值

我國大部分大型地面光伏電站分布在西北地區，而西北地區又是我國沙塵暴較嚴重的地區。所以，我國更應該重視大型光伏電站電池板的清潔。

2 光伏電站組件清洗研究

組件積灰對光伏電站發電量的影響已逐漸引起電站管理人員的重視，目前很多光伏電站及相關電力公司都在探索研究經濟、有效的組件清洗方案，同時也出現了一些專業從事光伏組件清洗的公司。但是，不同地區降塵情況不同，光伏電站水資源情況及場站地形地貌也有所差異，因此組件清洗方式的選擇不能一概而論。

2.1 國內外光伏組件清洗方式

目前國內外已有的組件清洗方式按照其自動化水平大致可分為3類：人工清洗方式、半自動清洗方式和自動清洗方式。按照清洗時的用水量可分為有水清潔和無水清潔，其中有水清潔可根據是否敷設水管分為有管道清潔和無管道清潔。

2.1.1 人工清洗方式

人工清洗方式有人力擦洗、直噴水清洗、壓縮空氣吹掃等。

人力擦洗是最原始的組件清洗方式，完全依靠人力完成，如圖8所示。這種清洗方式工作效率低、清洗周期長、人力成本高，還存在人身安全隱患，北方冬季無法工作的情況，大型光伏電站很少采用人力擦洗的方式。

圖8 人力擦洗方式清潔組件(圖片來自網絡)

直噴水清洗是以接在水車上(或水管上)的高壓噴頭向光伏組件表面噴水沖刷，從而達到清洗的目的，如圖9所示。這種清洗方式明顯優于人力擦洗，清洗效率高一些，但用水量較大，每MWp光伏組件清洗一次約用10 m3水，一些地面光伏電站目前均采用此種清洗方式。

壓縮空氣吹掃是通過專用裝置吹出壓縮空氣清除組件表面的灰塵，用于水資源匱乏的地區。這種方式效率低，且存在灰塵高速摩擦組件的問題，目前很少有電站使用。

圖9 直噴水方式清洗組件(圖片來自網絡)

2.1.2 半自動清洗方式

半自動清洗是通過人工操作專用清洗車(清洗裝置)的方式實現光伏組件的清潔，如圖10所示。半自動清洗方式既有有水清潔也有無水清潔，對水資源的依賴性較低，但對光伏組件陣列的高度、寬度、陣列間路面狀況的要求較為苛刻，無法滿足所有大型光伏電站的應用需求。

圖10 專用組件清洗車(圖片來自網絡)

2.1.3 自動清洗方式

自動清洗方式是將清洗裝置安裝在光伏組件陣列上，通過程序控制電機的轉動實現裝置對光伏組件的自動清洗。這種清洗方式成本高昂，設計復雜，多用于研發、測試，很少正式用于大型光伏電站。但隨著其成本的降低，將來可能會取代非自動清洗方式，是未來光伏電站組件清洗的發展趨勢。

圖11 自動清洗方式(圖片來自網絡)

綜上所述，目前已有的光伏組件清洗方式可謂五花八門，各種清洗方式均有優缺點，只有通過科學、合理地對比分析，才能選擇最適合電站的清洗方式。

2.2 組件清洗方式選擇

不同光伏電站的規模、環境、地形，以及組件安裝高度、傾角、安裝方式等均有所不同，因此選擇組件清洗方式時，需從光伏電站實際情況出發進行分析。分析的內容主要概括為制約條件、清洗費用、清洗周期、清洗效果4方面。

2.2.1 制約條件

選擇光伏組件清洗方式首先要考慮光伏場站的各種制約條件，如水資源情況、路面情況、組件高度等。排除不符合條件的清洗方式，然后再進一步選擇。制約條件主要考慮的內容歸納為以下幾點：

1)場站水資源情況、供水方式——判斷可否使用有水清潔系統；

2)場站地面情況，陣列間路面情況——判斷是否可使用清洗車；

3)光伏組件安裝方式，組件高度、傾角——判斷是否可使用清掃式清潔系統；

4)光伏陣列支架情況——判斷是否可安裝自動清潔系統。

2.2.2 清洗費用

清洗費用是很重要的一項參考內容，選擇清洗方式時必須要考慮費用是否合理。不同光伏電站清洗組件帶來的收益不同，所以清洗費用的投入也應視情況而定。清洗費用的確定應與清洗時間和清洗效益相關，清洗費用要盡量低、清洗時間要盡量短、清洗效益要盡量高，三者間應找尋平衡點。一般來說，在一個清洗周期T內，清洗費用不應超過清洗效益的20%。

2.2.3 清洗時間

清洗時間的確定同樣與清洗費用、清洗效益相關，另外還需借助光伏場站的一些輔助判別條件。此處引入灰塵日遮蔽率Sd的概念，即經過一段時間后灰塵沉積對組件發電量的影響率。可在光伏場站選取典型的兩塊組件(或兩個區域的組件)進行對比，一塊每天擦洗，另一塊不做處理，并通過自動監測系統對兩塊組件的發電量進行實時監測，則灰塵遮蔽率的計算式為：

式中，Sd為灰塵日遮蔽率；Qc為干凈組件日發電量；Qd為污濁組件日發電量。

通過遮蔽率，可計算出理論清洗效益：

式中，Pd為清洗后的理論日發電增長效益；Qd為電站當日發電量；C為上網電價。

通過以上公式，根據清洗要求進一步確定清洗時間t。若要求清洗費用不超過理論清洗效益的20%，則需滿足以下條件(假設灰塵遮蔽率是線性變化)：

式中，T為一個清洗周期；t為清洗一次的時間；E為清洗一次的費用。

按照一個清洗周期T內，清洗費用不超過清洗效益的20%這個要求，當滿足公式 (5)時，t的最大值就是最長清洗時間。而選取清洗方式時，必須滿足整個光伏電站的清洗時間小于t。另外，在電站實際運行過程中，應根據實際情況不斷調整清洗周期的判斷條件，以實現最大收益。

2.2.4 清洗效果

清洗效果也是選擇清洗方式的一個重要參考條件。以上對理論清洗效益進行了分析，在此基礎上，可選用某種清洗方式試清洗。然后對實際清洗后的數據進行分析，對比實際清洗效益與理論清洗效益的差別，即可看出實際清洗的效果，根據清洗效果再做選擇。

綜上所述，從實際出發，分別按制約條件、清洗費用、清洗時間、清洗效果4方面綜合比對，選取最適宜的光伏電站清洗方式，是必要且行之有效的一種方法。

3 光伏電站組件清洗效益分析

選擇一種合理的清洗方式，能顯著提高光伏電站的運行效益。某西北荒漠5 MWp光伏電站水資源豐富，通過以上4方面對比，最終選擇了水車高壓噴頭沖洗的方式。一次清洗費用約5000元，不同季節清洗周期不同，基本在1～2個月之間。圖12為該電站清洗前后的數據對比(選取對比區域為500 kWp)。

從圖12可知，在1月12日～2月12日這一個月內，組件清洗前(1月12日～1月26日)兩個區域發電量相差甚微，且1號區域組件發電量略高于2號區域；組件清洗后(1月27日～2月12日)2號區域組件發電量明顯高于1號區域，且日照越好，效果越明顯。經計算，清洗后2號區域組件發電量較1號區域高出10.62%。

由于干燥、風沙大等原因，我國西北荒漠電站組件積灰嚴重，及時有效的清洗措施可將年發電量提高約8%～12%。對于5 MWp光伏電站，選取一套行之有效的組件清洗方案，1年將帶來80萬左右的收益，相當于多發電1個月。

4 結語

對于已投入運行的光伏電站，光伏組件的清洗是運營管理的一項重要指標。目前很多企業、研究機構都投入到光伏組件清洗工作的研究，使得光伏組件清洗水平不斷提高、成本不斷降低。但是，不同光伏電站之間的差異造成眾多清洗方式出現。電站管理人員不僅要學會如何選取最適合自己電站的清洗方式，而且要不斷研發更合理、更經濟、更高效的組件清洗方式，以最大限度提高電站的運行效益。

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