甘肅省光伏發電站的積塵特點及清洗方式研究

郭 豹，劉 楊，葉 燁，李修樹，楊靜安

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

作為一種重要的可再生能源，太陽能具有分布范圍廣、綠色低碳和清潔等特點。近些年來，隨著技術水平的提高，光伏發電的裝機容量大幅提升[1-2]，2021年和2022年，我國光伏新增裝機分別達到了5 488萬、8 741萬kW[3]。伴隨光伏發電產業的大規模發展，電站運維面臨的一些問題開始凸顯[4]，其中重要的一個方面是光伏組件表面的積塵。積塵不僅會降低組件上玻璃的透光性，也會對光伏組件功率和散熱產生影響，甚至導致熱斑效應[5]，對組件造成損害。對光伏電站的積塵特性和清潔方式進行研究，對于提升光伏電站的運維和管理水平，提高運行收益[6-7]具有重要的意義。

針對光伏積塵及清潔方式，國內外學者開展了不同方面的研究。Mekhilef等[8]研究了積塵程度、濕度和空氣流速對于光伏組件效率的影響，發現幾種因素會相互作用，共同對組件效率產生影響。吳穎超[9]分析了積塵量對光伏組件輸出功率的影響，指出長年的積塵對光伏組件的功率影響可達17%，并根據積塵以及清洗的情況分析了清洗的收益情況。曲宏偉等[10]通過理論和試驗方法研究了積塵對光伏組件的短路電流、開路電壓的影響問題。余操等[11]通過試驗發現不同輻射強度下，清潔的增益效果有較大區別，在200 W/m2以上的輻射強度下，上午的清潔增益更高。董伯先[12]對介紹了目前光伏電站清潔的各類技術類型，對各類技術的優、缺點進行比較，并指出未來清潔技術的發展方向。

盡管目前針對光伏組件積塵和清潔方式方面已經開展了的較多的研究，但目前多數研究的電站樣本數量偏少，對于不同地區、不同電站還缺少較系統的比較，因此無法提出區域性的針對措施。此外，由于影響電站積塵的因素較多，而我國不同地區地理、環境、水資源情況的區別較大，因此電站實際應采取的清洗策略也需要結合水源獲取的難易程度、清洗成本、天氣、清洗收益等因素綜合考慮，針對實際電站展開的研究仍然不夠充分。

甘肅省作為我國重要的新能源基地，太陽能資源豐富，且具有基地化、規?；_發條件，光伏發電產業得到迅速發展，目前已經建成了張掖、金昌、武威、酒泉等幾個百萬千瓦級光伏建設基地。但與此同時，由于地理位置的特殊性，甘肅光伏電站易受沙塵影響而產生較嚴重的積塵，清洗方式也受到地理位置偏遠、水資源稀缺等因素限制。本文針對甘肅省不同地區的光伏電站的實際情況，對電站的積塵特點以及目前實際采用的清潔方式、頻率，成本和用水量等內容開展研究，然后結合電站的運行數據對主要清潔方式的實際效果進行分析，最后結合不同地區的水資源情況、積塵情況等對清洗方式的改進提出建議。

1 積塵的形成及類型

一般來說，灰塵可主要分為有機灰塵和無機灰塵。有機灰塵多是生物源的，其來源包括如植物、動物、微生物等生物，無機灰塵多為非生物型的，其來源包括土壤、巖石等。由于來源的不同，不同地區灰塵的物理和化學性質表現出較大區別。從物理性質來說，不同類型的灰塵的粒徑、形狀、密度、透光性會有明顯不同；而從化學性質來說，不同灰塵的酸堿性、腐蝕性也可能表現出差異。

在自然界中，灰塵的運動主要由風、雨、雪等自然活動驅動：當光伏板阻擋灰塵的運動時，部分灰塵會在風力、重力、靜電力等作用下沉積，從而形成積塵。從形成過程來區分，積塵可以分為以下幾種類型。

(1)干燥型積塵。在重力、范德華力、靜電力、摩擦力等作用下，灰塵在光伏板表面保持受力平衡從而停留在表面形成積塵，此種灰塵可稱為干燥型積塵，清理難度較低。

(2)潤濕性積塵。遇到雨水、露水或雪時，光伏板表面產生的水流攜帶灰塵流動，被邊框阻擋后積存，在水分蒸發后將形成一定大小的積塵帶，這種積塵較難清理。

(3)生物活動型積塵。由于鳥類等生物活動，其糞便也可能粘附在光伏板上，形成難以清理的積垢。

(4)腐蝕性積塵?；覊m含有有機或無機化學成分時，有些呈酸性，當灰塵通過縫隙進入組件內部時可能與內部的金屬材料發生化學反應或腐蝕作用，從而使組件產生腐蝕現象。

這幾種灰塵的典型形態如圖1所示。

圖1 不同類型的積塵

2 積塵對光伏組件的影響

(1)遮擋效應。一方面光伏組件長時間置于空氣中，空氣中的塵埃會大量覆蓋在光伏組件表面并阻擋了部分太陽輻射量，導致照射到光伏組件表面的有效面積減少；另一方面，灰塵會影響光伏組件表面玻璃的透射率，灰塵的沉積厚度越大，面板的透射率越低，其吸收的太陽輻射也越低。光伏組件接受的太陽輻照量減少，光伏發電效率隨之下降。

(2)溫度效應。當光伏組件部分面積受到灰塵遮擋時，被遮擋的部分不能正常工作，同時還會阻擋熱量向外傳遞。經過長時間的太陽光照射，被遮蓋的光伏組件由于熱量不能及時向外傳遞致使其溫度會遠遠大于沒有被灰塵遮蓋的部分，溫度過高時光伏組件表面會出現燒壞的暗斑，暗斑嚴重時會導致光伏組件大面積損壞。

(3)腐蝕效應。因灰塵的成分比較復雜，有的是酸性物質，當灰塵或者潮濕的水氣通過縫隙入侵到內部時，光伏組件可能會產生腐蝕，導致組件的損傷。

3 光伏組件的清洗方法

定期對光伏組件進行清潔，對于提升電站的效益具有重要意義。根據清潔方式和手段的不同，光伏組件除塵的方法主要包括以下幾種。

3.1 自然除塵法

利用大自然的降雨、降雪、風力等實現光伏面板的自潔，其缺點在于隨機性大，需要自然的風、雨條件，對于某些特定種類的積塵、清潔效果不佳。

3.2 人工除塵

人工除塵是光伏板清潔的最為傳統方式之一，使用的方式包括刷子直接清潔、濕拖布清潔、使用噴頭人工噴淋，以及灑水車噴淋清潔等，如圖2所示。人工清潔的優勢在于操作簡單，效果好，但其缺點在于耗水量大，人工成本相對較高。

圖2 人工除塵的幾種方式

3.3 機器人除塵

機器人除塵自動化程度高，可以提高效率、減少人力。在工作過程中，大部分種類的機器人可以利用太陽能充電，并使用刷子、軟纖維或氣流來除塵。清洗機器人的類型眾多，部分機器人采用了無水刷除的方式工作，這樣可以節省水資源。機器人除塵的缺點在于初期投入成本高、維護較為復雜，存在一定的故障率，對于場區不規整、起伏落差大的光伏場區適用性不佳。

3.4 其他除塵方式

除了上述幾種清潔方式外，還有其他的一些除塵技術：在光伏板上安裝的自動噴淋頭[14]；基于電磁或超聲波技術開發的除塵設備[15]；光伏表面的自清潔技術等[16]。這些技術都有各自的局限性，如有些成熟度不高，目前尚未得到廣泛的應用。

4 甘肅不同地區積塵特點和清洗方式研究

水洗是光伏電站清潔的主要方式之一。甘肅省的水資源分布呈現南北差異大的特點，南部水資源相對豐富，北部水資源極為匱乏。對于北部區域，光伏清洗受水源限制較多，因此研究主要針對甘肅中部和北部區域，涉及武威、張掖、嘉峪關、酒泉等幾個光伏發電產業較為集中的地區。共選取了9個電站，電站位置如圖3所示。

圖3 研究電站位置(星型標記為電站所處位置)

圖4為所研究部分電站的積塵照片。可以看出，當遭遇沙塵或長時間不清理時，光伏組件將受到灰塵的嚴重影響，幾乎所有的表面都將被較厚的灰塵層覆蓋，如圖4a所示。此外，不同電站的積塵均以干燥型積塵為主，僅圖4c邊框區域存在極為少量的潤濕型積塵；而不同電站的積塵粒徑也表現出區別，如圖4d的積塵粒徑更大。

圖4 不同地區電站的組件積塵形式

電站清洗方式、頻次、成本和用水量等信息如表1所示。從清洗方式可以看出，所有的電站均采用了水洗進行清潔，而灑水車的應用最為普及，在9個電站中均有應用。分析原因是因為甘肅省積塵以干燥普通型為主，水洗效果好，且電站地形相對平整規則，場區道路的行車條件好，灑水車的噴灑式清潔可以極大地提高清潔效率，降低清洗成本。

表1 甘肅不同地區電站的清潔方式

從清洗頻率來看，9個電站每年至少清理4次，甘肅東西不同地區電站的清洗頻次表現出較大差異。甘肅西部的酒泉、嘉峪關地區電站明顯偏多，部分電站的清洗頻率甚至達到一月一次；武威和張掖地區電站的清洗頻次相對偏低，一部分原因在于這些區域會有季節性降雨或降雪，起到了自然清潔的作用。

從用水量可以看出，不同電站單位MW的用水量存在較大區別，最低值約為5 m3，最高值則達到11.5 m3左右。影響清潔用水量有2方面因素，一是清潔水車的性能和噴灑方式不同(如圖5所示)，二是組件規格、積塵的嚴重程度有所不同。

圖5 2種不同的噴灑形式

從清洗成本來看，單位MW的清洗費用最低為600元，最高1 400元。造成清洗費用差別的主要有2個因素，一是因電站所處位置不同而導致人工成本差異，二是電站附近水源的緊缺程度產生的用水成本差異。在馬鬃山地區，水源成本本身較高，加之電站遠離水源地，部分電站單次取水需要往返100 km，水費和交通費用都會導致清洗成本有比較大的增加，該地區用水成本已經超過了人工成本。

對于所研究的樣本電站，除了水洗和自然清洗2種方式，也有部分電站對部分方陣使用干掛式清潔機器人對光伏板進行清潔測試，如圖6所示。機器人的清洗效果明顯，部分機器人無需用水，未來推廣潛力巨大，但目前仍面臨初期投資成本高，長期運行經驗缺乏等問題，可靠性、穩定性還有待進一步驗證。

圖6 機器人清洗效果

5 不同清洗方式的實際效果分析

從不同地區電站清洗的方式來看，灑水車清洗和自然清洗是甘肅省內電站清洗所采用的主要的清潔手段，本節結合電站實際運行情況對這2種清理方式的實際應用效果進行分析。

由于光伏組件的單日發電量受輻照度最大值、變化趨勢、空氣溫度、遮擋、積塵程度等多個因素影響，研究電站灰塵的實際清洗效果時，難以找到完全一致的外部條件，因此本文采用了單日峰值功率對比法來進行研究。這是因為峰值功率為瞬時值，直接反映出光伏組件的最大發電能力，可以消除輻照度、溫度等時變特性的影響，可相對準確地反映清洗效果。

5.1 案例1——光伏電站自然降雪清洗效果分析

自然降水清洗主要是指光伏組件通過風、雨、雪等消除積塵的過程。其中，降雪的清理主要是通過積雪熔化帶走灰塵。張掖肅南99.5 MW電站一期裝機總容量為50 MWp，電站容配比為1。1月22日和2月16日遭遇了降雪，2次降雪間隔近1個月，期間無其他降雨或降雪，可以用來分析自然積塵一個月內降雪的清潔效果。圖7a給出了2月16日降雪當日和前后5 d電站峰值功率的變化。

圖7 降雪的清潔作用

從圖7a可以看出，降雪日電站的峰值功率為7.8 MW，相比雪前有了大幅的降低，說明降雪天氣對電站發電的影響非常顯著。降雪前5 d期間，最大的峰值功率為41.81 MW，出現在2月14日；降雪后的最大峰值為44.92 MW，出現在2月19日。降雪清潔使電站峰值功率增加了3.11 MW，提升了約7.4%。

圖7b給出了雪后光伏組件的狀態，在熔化雪水的作用下，組件大部分區域表面已經變為清潔的狀態，融雪表現出良好的清潔能力。但也值得注意，仍有部分組件表面有少量積雪堆積，這些局部的積雪也需盡快清理，否則容易導致局部熱斑的現象，危害光伏組件的安全運行。

5.2 案例2——水洗的實際效果分析

為了研究灑水車的實際清理效果，以甘肅敦煌地區20 MWp的光伏電站作為研究對象，該電站自備水車、每月對光伏板進行一次清理。整個電站的單次清理時間約7 d到10 d不等，清理時間較長，期間組件會持續受到沙塵和其他環境的影響。為了更準確地比較灑水車的清理效果，選取一個方陣作為試驗組使用灑水車清潔，另一方陣作為對照組保持自然積塵狀態，通過逆變器讀取2個方陣每日的發電數據。圖8給出了單元單日的峰值功率隨積塵時間的變化情況。

圖8 清洗與未清洗方陣單日的峰值變化

從圖8可以看出，在3月20日清洗后的10 d內，清洗方陣的峰值功率都明顯的高于未清洗方陣。清洗后5日內，峰值功率最大提升了39 kW，約為9.98%。隨著時間的增加，2個方陣最大峰值逐漸接近，4月5日2個方陣峰值功率偏差降低為3.1%。

5.3 清洗方式的選擇和經濟性比較

從上述案例看出，自然清洗和水洗的效果均可以達到較好的效果，都應該重視其對在保障電站經濟效益上的作用。此外，從案例2可以看出，在未經沙塵等極端天氣時，單次清洗的效果可保持10 d以上。考慮到大部分電站的直流側存在一定超裝，按1.2容配比計算，在光伏組件不衰減情況下，可允許直流側峰值功率降低近20%，因此大部分電站的清洗無需過分頻繁。

當采用機器人清洗時，由于所需機器人數量多，單價較高，當前50 MW的電站機器人初始投資成本約為900萬元。相比之下，用水成本低的區域單次人工清洗成本最低僅約3萬元，機器人的經濟效益不突出，但在水洗成本高的區域更具推廣價值。

6 結論與建議

本文對針對甘肅武威、張掖、嘉峪關和酒泉幾個地區光伏電站的組件的積塵和清潔情況進行統計分析，包括清潔方式、清潔頻次、清潔用水量和清潔成本等，共選取9個樣本電站。然后結合2個電站的實際運行數據對不同清潔手段的實際效果進行分析，研究結果表明：

(1)水洗是目前甘肅省光伏電站廣泛應用的清洗方式，而灑水車噴洗具有較高的普及率。在清洗用水量方面，根據水車設計、光伏組件型號和積塵程度的不同，單位MW用水量在4.5～11.5 m3之間。

(2)水洗可以有效的對積塵進行清理，自然降水清洗和人工清洗均可以得到較好的清理效果。在自然積塵近一個月后，兩種方式分別可以提升約7.4%和9.98%的峰值功率。對于降水相對較多的甘肅南部地區，應合理地結合自然降水情況制定清洗計劃，從而有效降低清洗成本。

(3)甘肅省不同地區的光伏清洗成本具有較大差異，當水源成本和取水交通成本較高時，取用水成本將明顯提升，甚至超過人工費用，在這些地區推廣節水的新型清潔技術具有重要意義。其中，干洗機器人清洗效果明顯，在缺水的甘肅北部長期使用時具有成本優勢，推廣潛力較大。