光伏電站落塵影響分析及清掃機器人提效研究

廖 皓， 單詩涵， 劉 聰， 周楚昂， 田維生

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

光伏發電是一種可再生能源，它是將太陽能轉化成電能的過程。在光伏板上，太陽能會被吸收，電子從材料的價帶躍遷到導帶，形成電流，進而發電。落塵是指空氣中的粉塵、沙塵、煙塵等微小顆粒物質。落塵對光伏板的影響是多方面的，包括影響太陽輻射的強度、損傷光伏板表面等，對發電量造成影響[1]。

當前，光伏已經成為我國的重要大力發展的能源之一。但落塵對于光伏發電的影響不容忽略，不同地區落塵的情況也是千差萬別的。因此，本文將會對于落塵在中國各個地區對于光伏發電量的影響進行探討，并且結合數據進行分析。

1 光伏電站概況

光伏電站主要分為集中式光伏電站和分布式光伏電站。在光伏電站建成后，后期運維會直接影響發電量。中國地域遼闊，尤其是光伏電站所處的環境大多極為惡劣，其中落塵的存在對于發電量影響極為巨大，導致發電量的降低。另外降水量、風力等級、灰塵性質、安裝的傾斜角度、落塵的沉積濃度等。這些因素均會對光伏發電產生一定程度的影響[2]。

目前國內相關方面的研究較少，因此在這里引入國外對于落塵對光伏發電效率影響方面的研究分析。

2 國外針對落塵影響研究

考慮到落塵對于光伏發電量的損失，國外研究機構和學者通過建立各種實驗和模型詳細論證了落塵的影響性程度，并結合地域差異、落塵類型、降水量差異、土壤特征、太陽入射角等，將落塵對于發電量的影響進行了量化研究。

2.1 落塵概念

在上述落塵的分析理論中可以引入落塵概念，我們可以理解為污染對于光伏發電的影響。引入這個概念是因為國外機構將落塵率定義為影響光伏發電的一個重要手段，通過對日平均落塵率、年平均落塵率評估出一套合理的演算模型，從而測算出落塵對于光伏發電的影響。

落塵污染很容易造成每天1%的發電量損失，當然也是一種特定地點的現象，尤其受當地氣候條件的強烈影響。主要的污染類型：礦塵沉積，鳥糞便、細菌、生物膜、地衣、苔蘚或真菌、植物碎片或花粉、發動機尾氣或工業排放和農業排放如飼料粉塵[3]。

2.2 污染物對組件發電影響

有各項研究表明了污染對于光伏組件產生了嚴重的影響，但對于影響的程度我們需要通過實驗數據分析并得出結論。

研究分別選取了世界上幾個有著不同氣候條件和污染源類型的區域進行了測試，他們分別是意大利安科納，地中海氣候；美國亞利桑那州，熱帶沙漠氣候；印度的金奈，濕熱/干燥的氣候；德國科隆氣候較為溫和；沙特阿拉伯的圖瓦爾，熱帶的沙漠氣候同時伴隨沙塵暴。

通過對上述幾個地點采集到對應的年輻照度總和的數據范圍，對該幾個地區長達兩年的實驗數據采集。

實驗結果分析：

1）自身清潔度影響：降雨導致光伏組件的性能幾乎完全恢復。但如果濕度冷凝物在表面或由藻類生長引起，可能會發生永久污染，從而導致發電量的下降；

2）氣候因素影響：在研究結果中發現當實驗類型為熱帶沙漠氣候或干旱氣候時，SLF 的值將不可預測，即光伏發電效率的變化情況將極難統計出規律，因此需要更多的數據支撐；

3）同為熱帶沙漠氣候的美國亞利桑那州和沙特的圖瓦爾進行比較發現，由于亞利桑那州周期性降雨的存在，年損失發電量的下降小于4%，而圖瓦爾大量的粉塵沉降和缺少降雨導致年性能損失大于50%。

2.3 多因素對光伏發電效率疊加影響

在上述我們討論到落塵對于發電量的影響是極為嚴峻的，但在這其中仍然存在其他因素配合落塵對光伏發電帶來影響，將這些因素綜合在一起將導致發電效率減少形成線性疊加的關系。

這里主要包括降水量降塵量、光伏板的傾斜角度、輻照度、散熱、地區積塵差異、風的影響、空氣污染、灰塵性質等。這些因素的存在均會導致光伏發電損失[4]。

1）在沙特阿拉伯對光伏面板積灰的除塵效果進行了研究，選擇固定傾角24.6°進行為期8 個月的實驗，結果表明，每天清洗的面板比從未清洗的面板輸出功率增加了32%[5]。

2）在印度Garg 進行了45°角的積塵遮擋實驗，結果顯示，在灰塵遮蔽作用下光伏面板的平均透射率在10 d 后降低了8%[6]。

3）Hegazy 以0°～90°的光伏面板進行灰塵對輻照度影響的實驗，當灰塵沉積較少時對輻照度影響較小，當面板灰塵增多時對輻照度的影響也相應增大[7]。

4）散熱也是影響光伏發電的一個重要因素之一，當灰塵量積累到一定程度時就會在光伏板局部形成積聚效應，輕則影響發電，重則可能會形成熱斑，對光伏組件的壽命也會產生嚴重的影響。實驗表面當光伏板表面每升高1 ℃，發電輸出功率下降0.5%[8]。

5）Goossens 等經過在沙漠的長期觀測發現：灰塵最大程度沉積通常在最高風速時才會形成。此外，風洞內的實驗表明：在高風速影響下形成的積塵將有更高透射率；通過不同風向對灰塵沉積過程的影響發現，刮向面板表面的風會提高積塵效果，而刮向面板背面的風幾乎不影響灰塵沉積作用。較大風速對沉積在光伏組件表面的非粘結性灰塵有除塵效果[10]。

6）Hegazy 和Elminir 等研究了積塵對于暴露在環境中的清潔玻璃試樣的影響。在30 天后得到結果，對于傾斜角為0°、3°和90°的面板，Hegazy 記錄的損失分別是27%、17%和3%。Elminir 記錄的損失是27%、18%和6%。兩個記錄點都位于埃及，第一個記錄點在強污染農業區，第二個記錄點在強污染的工業區[9-10]。

由于上述各實驗結果均表明了對于光伏發電存在多重因素的影響，因此我們需要采用一些手段來避免或減少這些因素帶來的發電損失。

2.4 改善落塵影響的方式

國外學者對于改善落塵的影響也提出了多種策略，例如通過在光伏組件表面增加防污染涂層、使用平單軸對太陽進行跟蹤發電、通過主動或被動加熱減少水汽凝結并避免與落塵凝聚、通過改善組件內部串并聯方式減小局部落塵對于整體的發電影響、改善電站周邊環境等[3]。

但對于這些策略均存在相應的不足之處，很難大范圍應用。

3 傳統清潔方式提效研究

落塵對于光伏組件的發電影響較為巨大，因此光伏組件的清掃成為一個必不可少的環節。目前應用較為廣泛的清掃方式主要有人工水洗和水車沖洗。這兩種方式均存在較大的局限性。

1）人工水洗針對大型電站清洗周期過長，使用成本高，清掃質量不可控；

2）水車清掃雖然能夠提升清掃效率，但對于建立在沙漠戈壁或水源嚴重缺失的電站，這種方法不易實現。同時水車清掃質量不可控；

3）針對分布式屋頂類型的電站，存在人工清掃困難的問題及安全風險。

上述清潔方式均存在清掃質量不可控的現狀，容易產生局部清掃不干凈并對光伏組件發電產生短板效應，整體組串發電效率降低甚至產生熱斑影響組件壽命。

4 安裝清掃機器人提效研究

由于人工清掃成本和質量的不可控，因此市面上逐漸出現了以清掃機器人替代人工清掃的應用方式。光伏清掃機器人不僅可以提高清潔的效率，而且可以保證清潔的精準度。

4.1 機器人清掃模式介紹

目前市面上現存的光伏清掃機器人，可通過與SCADA 系統聯網，遠程實時監控，并通過數據采集判斷清掃是否成功。在保證清掃機器人性能的前提下，實現無人值守自動清掃，不僅省去了人工成本，也避免了在人工清掃過程中對組件造成損傷或清掃不干凈形成短板效應。

4.2 發電量對比方案

選取對照組：選取與清掃機器人覆蓋的逆變器容量相同，地理位置及條件相接近的陣列作為對照組。

數據初始化：由于選取的對照組與清掃組的發電能力可能存在差異，因此為了提高發電提升數據的精確性，我們需要統計2 組陣列均不做清掃的情況下，一個月內的各自累計發電量，做為未來清掃提效的比照數據。統計期結束后，記錄各陣列的發電量數據并存檔（對照組發電量E0，ref，清掃組發電量E1，ref）。如果電站后臺可以直接讀取匯流箱歷史發電量數據，則直接使用該數據進行計算。

發電校正系數a1=（E1，ref-E0，ref）/E0，ref。

清掃數據記錄：設置清掃組清掃頻次為每日一次，連續統計清掃組與對照組陣列三個月（或更長時間）的累計發電量數據E1，3m，E0，3m。

清掃提效分析：根據清掃、對照組初始數據，清掃組提效E=a1+（E1，3m-E0，3m）/E0，3m。

4.3 不同地區的提效分析

通過對于中國不同區域安裝光伏清掃機器人實現無人值守作業清掃光伏組件，得到了國內不同區域不同氣候條件以及不同時段下，落塵污染對于組件發電量的影響數據，并分析通過部署光伏清掃機器人所帶來的提效情況。

以下選取試驗的幾個地點分別涵蓋中國東北、華東、西北等地，污染類型涵蓋自然落塵、風沙、空氣污染、粉塵等，這些地區將作為中國不同區域、氣候類型、污染類型下的典型案例進行分析，得出相應的提效分析結論。見表1。

表1 提效分析結論

通過上述不同地點實驗及其數據得出以下結論：

1）對于不同區域下落塵污染對于光伏組件發電量的影響程度不同；

2）地處內陸深處且頻繁有沙塵的光伏電站，沙塵對于組件發電的影響程度較大；

3）不同污染源類型對于組件發電的影響差異較大，即當光伏電站附近有工廠等空氣污染時，給組件發電量帶來的影響無法預測，影響程度也較為嚴重；

4）即使是自然落塵下，組件發電受其影響在一些特定的季節下也較為強烈；

5）光伏清掃機器人的提效顯著，在多數情況下能夠為光伏電站帶來可觀效益。

5 結語

光伏落塵是一個普遍存在的問題，對光伏發電效率有一定的影響。目前，世界范圍內已經進行了大量關于光伏落塵的研究，但是國內的研究相對較少。

本文主要介紹了中國不同地區的落塵情況，并且結合數據進行了分析。東北地區和西北地區的落塵問題比較突出，光伏發電量受其影響嚴重。而華中地區由于不同污染源類型的存在，對于光伏板積灰的情況也不一樣，因此對光伏發電效率造成了不同程度的影響，以屋頂類型的分布式電站為例，主要由于小角度傾角積灰或工廠排放的污染氣體的原因。

在落塵污染對光伏發電產生日益影響的背景下引入光伏清掃機器人概念并明確清掃機器人的便捷性和對比人工清掃所帶來的優勢。對于污染較為嚴重且電站范圍較廣的區域，尤其是水資源匱乏的地區，且電場對清掃頻率要求較高時，人工清掃的優勢不復存在。因此光伏清掃機器人未來取代人工清掃，可能成為光伏電站組件清潔的主要選擇。