灰塵對(duì)光伏發(fā)電的影響及組件清洗研究

左杰川

摘要：光伏發(fā)電是當(dāng)今最常見(jiàn)的一種新能源方式，為社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了極大的便利，但是灰塵會(huì)對(duì)光伏電池板能源轉(zhuǎn)化帶來(lái)極大的影響。本文從影響光伏發(fā)電的灰塵種類(lèi)出發(fā)，依次介紹灰塵影響發(fā)電的原理、灰塵的清理方式等，以供相關(guān)研究人員參考。

關(guān)鍵詞：灰塵;光伏發(fā)電;組件清洗

能源問(wèn)題是關(guān)乎世界發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，傳統(tǒng)的發(fā)電方式主要以火力發(fā)電為主，但會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的污染以及能源的浪費(fèi)，而水利以及風(fēng)力發(fā)電也存在其局限性，需要滿(mǎn)足一定的地理?xiàng)l件才能保證生產(chǎn)生活中用電的需要，而太陽(yáng)能作為一種高效清潔的再生能源，在全球各地都能夠得到充分利用。具最新數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年6月18日，全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量2.6億千瓦，同比增長(zhǎng)24.7%;全國(guó)主要發(fā)電企業(yè)電源工程中太陽(yáng)能發(fā)電117億元，同比增長(zhǎng)8.9%，因此太陽(yáng)能發(fā)電在我國(guó)能源行業(yè)占據(jù)的地位與日俱增。灰塵是影響太陽(yáng)能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素之一，其不僅阻礙了光伏板對(duì)于太陽(yáng)能的吸收，嚴(yán)重的情況還會(huì)損壞太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施。如果按照全球裝機(jī)量為500GW來(lái)估計(jì)，灰塵對(duì)發(fā)電站的影響在5%以上，那么每年因?yàn)榛覊m影響光伏發(fā)電系統(tǒng)造成的損失將會(huì)高達(dá)50億美元，且隨電站裝機(jī)量的增長(zhǎng)其損失愈發(fā)嚴(yán)重，而定期對(duì)光伏發(fā)電組件展開(kāi)清洗是有效減少灰塵影響的必要措施。

1.灰塵的來(lái)源以及特性

1.1灰塵的來(lái)源

灰塵是在空氣中不均勻分散的微小顆粒，主要是由土沫、工業(yè)粉塵、燃燒煙塵、蟲(chóng)卵等粉末狀物質(zhì)構(gòu)成，對(duì)人體健康有較大危害。通常情況下，當(dāng)灰塵小于10μm時(shí)即可對(duì)人體健康造成影響;當(dāng)灰塵小于2.5μm（PM2.5）便可穿過(guò)人體的肺泡直達(dá)血液，對(duì)人體組織器官造成損傷。根據(jù)來(lái)源可以將灰塵分為自然灰塵以及人為灰塵，自然灰塵是因?yàn)槟嗤痢r石等經(jīng)過(guò)自然長(zhǎng)期的風(fēng)化腐蝕形成了微小的顆粒，然后經(jīng)由自然界的大氣運(yùn)動(dòng)被傳送到全球各個(gè)區(qū)域;人為灰塵是由人類(lèi)的日常生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的微小顆粒，比如建筑行業(yè)的水泥、石灰石等粉塵，交通運(yùn)輸汽車(chē)尾氣排放造成的粉塵，工業(yè)生產(chǎn)廢氣排放造成的粉塵等。

1.2粉塵的性質(zhì)

粉塵的性質(zhì)主要分為物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，均會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生影響。其物理性質(zhì)包括導(dǎo)熱性、吸水性以及摩擦性等。導(dǎo)熱性是指灰塵對(duì)于太陽(yáng)能熱量的傳導(dǎo)能力，根據(jù)灰塵屬性不同可以將其分為強(qiáng)導(dǎo)熱灰塵以及弱導(dǎo)熱灰塵;吸水性指的是灰塵對(duì)于空氣中水分的吸收能力，吸水性差的灰塵較容易被清除，吸水性好的灰塵吸附能力強(qiáng)較難被清除;摩擦性指的是灰塵的外形影響灰塵運(yùn)動(dòng)過(guò)程的摩擦力，進(jìn)而影響其清除效果。灰塵的化學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在其酸堿性上，由于灰塵具有吸附作用，能將空氣中的物質(zhì)吸附到自身，從而體現(xiàn)出酸堿性，其酸堿性不同，對(duì)于光伏板的腐蝕效果也不同，因此對(duì)于不同灰塵的清潔方式也不同。

2.灰塵對(duì)于光伏發(fā)電的影響原理

2.1遮擋效應(yīng)

遮擋效應(yīng)是指灰塵覆蓋在光伏電池板上阻擋了其對(duì)太陽(yáng)能的吸收和轉(zhuǎn)化，主要受灰塵粒徑的影響。首先，粒徑越大，對(duì)于光照的阻礙越強(qiáng)，太陽(yáng)能輻射到光伏板上的基礎(chǔ)能源也就越少;其次，灰塵不僅對(duì)光照有一個(gè)阻擋作用，而且在灰塵顆粒的縫隙間，由于灰塵的反射以及散射作用，再一次將入射的光源分散，從而影響了光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換。據(jù)相關(guān)研究顯示，清潔的太陽(yáng)能板要比積灰太陽(yáng)能板的輸出功率高出15%，且積灰量越高，對(duì)于輸出功率的影響效果越強(qiáng)。

2.2溫度效應(yīng)

灰塵對(duì)于太陽(yáng)能電池板的影響還體現(xiàn)在其對(duì)熱平衡的影響上。對(duì)于清潔的太陽(yáng)能電池板而言，其整個(gè)受光面是均勻的，因此能達(dá)到平衡。如果在太陽(yáng)能電池板表面積存灰塵、樹(shù)葉甚至鳥(niǎo)糞等，在遮擋處太陽(yáng)能板的散熱就會(huì)受到阻礙其熱平衡被破壞，久而久之，遮擋處的溫度要高于未遮擋處，部分零件由于溫度過(guò)高出現(xiàn)被燒壞的暗斑—熱斑。這不僅會(huì)使太陽(yáng)能電池焊點(diǎn)融化、封裝材料老化、影響電池的使用壽命，嚴(yán)重的情況還會(huì)帶來(lái)安全隱患。

2.3腐蝕效應(yīng)

太陽(yáng)能電池板外表面通常為硅基材料，在焊接處大多數(shù)為金屬材料，較易受到酸堿性物質(zhì)的腐蝕。當(dāng)灰塵沉積到太陽(yáng)能電池面板上，由于會(huì)吸附空氣中的其它雜質(zhì)而呈現(xiàn)酸堿性，對(duì)太陽(yáng)能電池表面造成損傷，影響太陽(yáng)能電池的使用壽命。此外太陽(yáng)能電池表面被腐蝕后，會(huì)出現(xiàn)坑坑洼洼的現(xiàn)象，讓灰塵更容易堆積，如此造成惡性循環(huán)，進(jìn)一步影響光電之間的轉(zhuǎn)化。當(dāng)外界光照入射到太陽(yáng)能面板的凹凸不平處，會(huì)發(fā)生漫反射現(xiàn)象，導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳導(dǎo)的均勻性被破壞。太陽(yáng)能面板越粗糙，光折射的能量也就越小，最后轉(zhuǎn)化生成的電能也就越小，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池發(fā)電量減小。

3.太陽(yáng)能電池上灰塵的清潔原理

灰塵能夠在太陽(yáng)能電池板上積存主要是由于重力、摩擦力、范德華力的存在，不僅在灰塵與太陽(yáng)能電池板上存在相互作用力，灰塵與灰塵之間也存在相互作用力，因此在清除灰塵時(shí)，要盡量選擇作用力最小的方向進(jìn)行。我們可以將太陽(yáng)能板上灰塵受到的力合成分解獲得法向粘附力和切向粘附力，切向粘附力較小一般可以忽略。當(dāng)用水流對(duì)太陽(yáng)能電池清潔時(shí)，由于灰塵受到浮力作用可以抵消其重力以及范德華力，因此較容易與太陽(yáng)能電池板分離，此時(shí)要盡量避免讓灰塵與太陽(yáng)能電池板發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)增大其摩擦力。如果想要加快清潔速度還可以向水中加入表面活性劑，使其產(chǎn)生強(qiáng)的靜電引力的作用讓灰塵與太陽(yáng)能電池板分離。

4.太陽(yáng)能電池板清潔的具體措施

4.1人工清洗

人工清洗是最原始的清潔措施，但是人工操作周期長(zhǎng)、效率低、消費(fèi)的人力物力資源多，因此不適合大型光伏發(fā)電廠，具體的人工清洗方式可以分為人工干洗以及人工水洗。

人工干洗是指操作人員使用長(zhǎng)柄拖布配合專(zhuān)用的清洗劑進(jìn)行灰塵處理的一種方式。由于清洗劑中含有表面活性劑，可以增大拖布與灰塵之間的靜電引力，可以有效的吸附灰塵，避免清潔時(shí)塵土飛揚(yáng)的現(xiàn)象。但是操作人員在進(jìn)行清潔時(shí)可以會(huì)因?yàn)橛昧Σ划?dāng)造成太陽(yáng)能電池表面損壞。

人工水洗是指操作人員用水管或者在水車(chē)上用噴頭將水流噴向太陽(yáng)能電池表面清潔灰塵，相比于人工干洗其效率有所提高，但會(huì)浪費(fèi)大量的水資源;此外在水流噴射時(shí)會(huì)在太陽(yáng)能電池表面施加一個(gè)應(yīng)力，造成其內(nèi)部出現(xiàn)隱裂的現(xiàn)象，如果忽略可能會(huì)造成其局部區(qū)域短路，影響光電轉(zhuǎn)化;使用水進(jìn)行清潔時(shí)，如果處理不當(dāng)會(huì)在太陽(yáng)能面板上出現(xiàn)水漬，影響光線射入，如果在冬季進(jìn)行清潔時(shí)也可能出現(xiàn)結(jié)冰，同樣會(huì)影響光線射入，因此不建議使用。

4.2半自動(dòng)清洗

半自動(dòng)清洗主要有專(zhuān)門(mén)的工程車(chē)輛負(fù)責(zé)操作，相比于人工清洗對(duì)于水的依賴(lài)作用小且作用力均勻，不會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池出現(xiàn)隱裂的現(xiàn)象;但是半自動(dòng)清洗對(duì)于光伏組件的高度、寬度以及陣列間距都有嚴(yán)格的要求，因此使用受到一定限制。

4.3全自動(dòng)清洗

全自動(dòng)清洗是將清洗組件安裝到光伏組件的陣列上，通過(guò)程序控制完成對(duì)太陽(yáng)能電池的清洗。我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)智能清掃機(jī)器人，可以完成較高難度下的太陽(yáng)能電池清潔工作，它具有智能、自動(dòng)、無(wú)水、均勻等優(yōu)點(diǎn)，但是有造價(jià)較貴、發(fā)生故障時(shí)不宜處理的缺點(diǎn)。

5.小結(jié)

隨著科技的發(fā)展，超聲清理、氣壓清理、靜電清理和激光清理等新的除塵方式也被應(yīng)用于光伏發(fā)電廠中。因此電站管理人員要選擇適合自己電站的清潔方式，最大限度的提升電站的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦錦繡. 灰塵對(duì)光伏發(fā)電的影響及其清洗方式分析[J]. 經(jīng)營(yíng)管理者，2017（12）：399.

[2]牛海霞，王京，董正茂. 光伏組件表面灰塵和溫度對(duì)其發(fā)電量預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2018，04（No.398）：84-85.

[3]楊亞林，朱德蘭，李丹，等. 積灰和光照強(qiáng)度對(duì)光伏組件輸出功率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，v.35;No.357（05）：211-219.

[4]馬磊，楊國(guó)華，徐維昌. 光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化與儀表，2018，v.33;No.238（01）：29-33.