青海省光伏電站的積塵及清潔效果調查與研究

王尚欽，魏 康，張金虎，李修樹

( 水電水利規劃設計總院有限公司，北京 100120 )

0 引言

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，光伏發電已成為太陽能利用最成熟、應用最廣泛的技術之一，具有清潔、可再生、安全、無噪聲、應用靈活等特點。據國家可再生能源中心統計，2022 年全國光伏新增裝機8 741 萬kW， 其中集中式光伏電站5 626 萬kW、分布式光伏3 115 萬kW。2022 年底累計裝機容量達到39 261 萬kW，同比增長18.6%。全國太陽能發電量達4 276 億kWh，占全部電源總年發電量的4.9%。

隨著光伏發電裝機規模的迅速擴大，光伏發電的實際出力卻比預期效果差，除了與太陽能資源及光伏電站設備性能有關外，還與光伏電站運行管理水平、系統消納能力及片面追求裝機規模而忽視利用效率等因素有關[1]。

青海省太陽能資源優勢十分突出，是我國光伏發電重要的基地之一。隨著青海多個光伏基地的建成，電站的運行維護卻面臨較大的挑戰。尤其是光伏組件表面的積塵、積雪等現象，嚴重影響了光伏組件的輸出功率及其使用壽命。因此，研究積塵對光伏組件輸出功率及發電量的影響，探索出經濟可行的除塵解決方案是當前光伏行業的重要研究方向[2-3]。

1 影響光伏發電性能的因素

1.1 太陽輻射的影響

光伏電站中的光伏組件表面接收到的太陽輻射直接決定其出力。該處的太陽輻射受到地球自轉和公轉的影響外，天氣和空氣質量可影響其強度和光譜分布，對于不同材料的光伏組件產生不同程度的影響。如相對于多晶硅組件，單晶硅組件對于散射輻射利用率就稍差。因此，同樣容量的單晶硅組件往往在累計發電量方面略低于多晶硅組件。另一方面，由于光伏組件的運行溫度受太陽輻射的影響，輻射越強，其運行溫度越高，在高溫下的發電性能也會下降。因此其出力與太陽輻射之間的關系不是線性的。

1.2 環境因素

光伏組件附近的氣溫和風速影響光伏組件的運行溫度。在同樣輻照下條件下，氣溫愈低，風速愈高，光伏組件的散熱更快，有利于運行溫度的降低和提高出力。

1.3 灰塵

灰塵的形成與環境中的沙塵分布、空氣質量、氣溫以及濕度有關。灰塵對入射太陽光的反射和阻擋作用，減少了進入到太陽電池中的光，并改變了光譜分布。電站本地的氣候條件很大程度上影響灰塵的分布和類型，此外組件的安裝傾角也影響灰塵的堆積方式和程度。需根據電站的自身條件研究合理的清潔策略，包括清潔周期、清潔方式和清潔效果等。

光伏電站建成后，太陽輻射的影響、環境因素等自然條件無法人為控制，而對于光伏組件表面的積塵，可通過定期除塵來維持光伏組件表面的清潔，以提升光伏電站的發電量。

2 選取的典型工程概況

從光伏發電的建設來看，青海省是我國重要的清潔能源開發利用和“西電東送”的重點區域，具備基地化、規模化、一體化開發光能的優越條件。青海省在海北州建設1 個百萬千瓦級光伏發電基地，在海南州、海西州各建設1 個千萬千瓦級清潔發電基地[4]。

針對青海省光伏板的積塵及除塵措施情況，調研組實地走訪了青海省2 個光伏集控中心和12 個已投產的光伏電站，查勘了光伏區現場，考察了光伏組件的積塵情況，調看了電站監控系統，并與運行單位進行交流，獲取了相關一手運行數據。

在調研的光伏電站中選取了有代表性的典型工程—青海省海南州特高壓外送基地電源配置項目海南州塔拉灘四標段100 MW 光伏電站，進行積塵及除塵措施研究。該工程地處海南藏族自治州共和縣，距共和縣城約43 km，北部為祁連山，南部為波狀沙丘地，青海湖位于場址北側約30 km，黃河從場址東南部約40 km 經過，場址地貌為黃河高階地，地形平緩開闊，海拔高程3 200 m。項目場址區位于海南州千萬千瓦級新能源基地(一區兩園)光電園區內，場址總占地面積約為17.616 km2，工程裝機交流側容量100 MW，直流側容量134.145 MWp，項目年利用小時1 632 h。項目共32 個發電單元，發電單元組件采用445 Wp、450 Wp 單晶硅雙面組件，共計24.84 萬塊。

3 積塵形式

該光伏電站的積塵主要以重力型和靜電吸附型積灰為主，光伏板積灰嚴重時的照片如圖1a所示，通過水洗或者自然清洗的方式可以較好地去除積灰。

圖1 積塵情況

除了常規的重力型和靜電吸附型積灰，潤濕型也是該電站運行時較常出現的積灰形式，如積雪熔化后部分積雪與灰塵混合后在光伏組件的底部和邊緣形成較難去除的潤濕型積灰，如圖1b所示。這種積灰對電站運行影響較大，主要是由于這種積灰會引起光伏板的不均勻受熱，可能造成局部溫度過高，導致熱斑效應或熱衰退現象，損害光伏板的壽命。對于此種積灰需要及時清理。

值得注意的是，雖然降雪將給光伏組件帶來部分的局部積灰，但雪也起到了積極的作用，即較好地清理了大部分區域的灰塵，也一定程度上減輕了清理的工作量。

4 積塵清理

海南州塔拉灘四標段100 MW 光伏電站項目位于海南州千萬千瓦級新能源基地(一區兩園)光電園區內，降雨量和降雨頻次并不低，光伏發電的運行條件相對較好。

通過交流得知，該電站由于水的來源豐富(附近有青海湖、龍羊峽水庫等)，光伏板的清洗方式為自然清洗+水洗。自然清洗主要依賴于降雨，該電站所處位置降雨頻次相對較多；人工水洗主要依賴于灑水車，水源來自附近地下水和黃河水，水洗成本較低。在電站運行過程中，對比分析了自然降雨的清洗效果和人工(灑水車)的清洗效果與差異。

4.1 自然降雨的清洗效果

2023 年4 月22-23 日項目地區經歷連續降雨，降雨前后的光伏板狀態如圖2 所示，雨水對光伏組件的清洗效果相對較好，雨后2 天，板上僅有少量浮灰存在，無明顯大塊的積垢。運行單位從電站中未受到容量管理的光伏子陣(500 kW/子陣)中，采用單個集中逆變器單元單日發電量的方法進行對比，共選取了2 個逆變器單元進行降雨前后發電量對比分析，分別是14 區4 號、18 號發電單元3 月24 日與4 月27 日發電量對比分析。選取的原則為對比兩日清洗前后的日照輻射度基本相同，自然降雨清洗前后發電量的對比見表1 所列。

表1 光伏組件自然降雨前后發電量對比

圖2 自然降雨的清洗效果

為進一步了解自然降雨對光伏板的清理效果，現場還調研了黃河水電龍羊峽水光互補基地，通過監控調取光伏電站的運行數據對比，用以大致估算自然降雨的清潔作用，見表2 所列。

由于天氣條件限制，無法找到輻射度完全相同的兩個發電日進行對比，因此上述數據中的增幅考慮了與2023 年4 月25 日相比5 月6 日輻射度有提升(約10.6%)。考慮輻射度變化，自然降雨的清洗效果對電站功率發電能力的提升小于10%，若發電量與輻照度為線性關系，則發電量增加比例為3%～7%。

4.2 灑水車的清洗效果

運行單位在2023 年5 月4 日進行過一次清洗。為了評估清洗效果，運行單位從電站中未受到容量管理的光伏發電單元中，采用單個光伏發電單元單日發電量的方法進行對比，共選取了2 個光伏發電單元進行清洗前后發電量對比分析：分別是14 區4 號、18 號發電單元4 月25 日與5 月19 日發電量對比分析；分別是14 區4 號、18 號發電單元4 月27 日與5 月6 日發電量對比分析。選取的原則為對比兩日清洗前后的日照輻射度基本相同，清洗前后發電量的對比見表3所列。

可以看出，當全天晴天時，由于項目容配比1∶1.22，滿發時受到箱變容量限制，發電單元的發電量基本處在滿發狀態，清洗前后發電量差距不大。當日常有陰有晴，瞬時日照有差別，且全天日照強度一般時，清洗前后，發電量整體增長率為7.83%，單個發電單元發電量平均多發1 320 kWh。

4.3 清洗成本

通過調研和數據整理分析，海南州塔拉灘四標段100 MW 光伏電站項目光伏清洗的人工水洗和自然清洗的成本數據見表4 所列。

表4 海南州塔拉灘光伏清洗成本及效果

4.4 清洗時機

青海受海拔、地形、緯度、遠離海洋的地理位置、大氣環流形式等因素的相互作用，形成了獨具特色的高原大陸性氣候特征。其日照時間長、日照強烈，降雨少而集中，降水呈現顯著的季節性差異，即夏日降水多，冬春降水少。以西寧10 年的統計數據為例(圖3)，月降水量超過50 mm 在5 月到9 月，最大月降水量在9 月約100 mm。由此得出5 月到9 月盡可能依賴自然降雨來清洗。

圖3 西寧年度降水量分布圖

每年10 月到次年4 月，主要根據積塵量的大小來確定清洗時機。圖4[2]所示給出了1 m2光伏組件的輸出功率與積塵量的關系，光伏組件的輸出功率隨積塵量的增大而減小。當積塵量達到100 g/m2時，1 m2光伏組件的輸出功率相對于積塵量為 30 g/m2時的輸出功率降低了15.2%，超過100 g/m2時光伏組件的輸出功率下降更快。由此得出，積塵量達到90 g/m2-100 g/m2時，應組織清洗。根據近年青海省10 月到次年2 月的天氣和積塵情況，基本每2 ～3 個月清洗1 次，可以滿足要求。

圖4 1 m2光伏組件輸出功率與積塵量的關系

每年3-4 月是青海省沙塵天氣比較嚴重的季節，尤其是青海省臨近沙漠的地區有時會出現沙塵暴，導致幾乎所有光伏組件表面形成厚實的干燥型塵土層，給電站運行帶來較大影響。為此，應密切關注天氣預報情況，在沙塵暴發生后應組織清洗。

5 結論與建議

根據調研情況和數據，經進一步研究對青海地區得出以下結論及建議：

1)無論是自然降雨清洗還是人工水洗，積塵清理對于電站運行的發電能力提升都有較明顯的效果，應充分將自然清洗和人工水洗結合起來選擇清理時機。

2)自然降雨清洗和人工水洗對電站總體發電能力均有較明顯的提升作用，兩者分別平均提升為3.49%和7.83%左右。但由于數據獲取手段的不可控，這些數據是否準確可結合更多的研究和調研來辨別和印證。

3)從清潔水來源方面考慮，海南州千萬千瓦級清潔發電基地毗鄰青海湖和龍羊峽水庫，清潔所用水均可從附近取得，水資源豐富，用水成本較低。

4)從清潔用水量來說，灑水車普及度較高，清潔水量不大，每兆瓦用水量3 ～5 m3，清洗成本120-200 元/MW。

5)當積塵量達到90 ～100 g/m2時，應組織清洗。根據近年青海省10 月到次年2 月的天氣和積塵情況，基本每2-3 個月清洗1 次。每年3-4 月是青海省沙塵天氣比較嚴重的季節，在沙塵暴發生后應組織清洗。