灰尘对光伏发电的影响及组件清洗研究

■ 孟伟君 朴铁军 司德亮，2 张文华，2 于俊峰，2 陈志燕

(1.内蒙古神舟光伏电力有限公司；2.巴彦淖尔市农垦神州光伏电力有限公司)

0 引言

能源是当今世界日益关注的热点之一，而太阳能作为一种可再生的清洁能源备受重视。近年来，国内外都在大力推广太阳能光伏发电，积极进行光伏电站的建设。2013年，全球光伏新增装机市场达36 GW，同比增长12%；我国新增装机容量达10 GW，同比增长122%，居全球首位。预计2014年全球光伏新增装机量将达43 GW，我国达到12 GW。从以上数据可看出，我国光伏发电事业飞速发展，光伏电站装机容量急速扩张。追求发展速度的同时，更应注重发展质量，如何提高光伏电站发电效率、增加光伏电站发电量，是值得探索研究的重要课题[1]。

空气中的灰尘覆盖对光伏电池板能量转换的影响非常大。美国“机遇”号火星探测器在执行任务过程中就曾面临过这个问题，从2004～2010的6年时间里，功率衰减了1/3。同样，无论屋顶光伏电站还是地面光伏电站，都面临组件积灰的情况，灰尘是影响光伏电站发电量的关键因素之一。进行灰尘对光伏发电的影响及组件清洗的研究是非常必要的[2]。

1 灰尘对光伏发电的影响分析

灰尘是由悬浮在空气中的微粒所组成的不均匀分散体系，附着在光伏电池板上会影响光伏电池的发电量和寿命。本文从灰尘的来源、种类、影响光伏发电的原理等几个方面来分析，说明其对光伏发电的重要影响。

1.1 灰尘的来源和种类

灰尘的来源主要有两个方面：自然和人为。灰尘的自然来源主要是土壤、岩石、大气沉降物，经过风化等自然作用后，分裂成细小的微粒，在空气动力系统的作用下传输到各个地方；灰尘的人为来源主要是在人类的生产活动过程中产生的，受人类影响较大，如城市交通、建筑施工、工业加工、燃烧等。为了便于研究，我们可将灰尘按其物理性质和化学性质进行分类。

1.1.1 物理性质分类

灰尘的物理性质有很多，包括：粒径、颜色、密度、吸水性、导热性、分散度、粘附性等。其中，粒径、导热性、吸水性、粘附性、摩擦性等都是与光伏发电紧密联系的物理性质。

灰尘粒径是表征灰尘颗粒大小的参数，不同的灰尘粒径不同，对光伏电池板的遮挡也不同，按灰尘粒径的大小可将灰尘分为粗灰尘和细灰尘。

灰尘的导热性影响光伏电池板热平衡，在阳光照射下，积灰光伏电池板的温度与清洁光伏电池板温度存在差异，从灰尘的导热性方面可将灰尘分为强导热灰尘和弱导热灰尘。

灰尘大多具有吸水性，根据其吸水程度可将灰尘分为干松积灰和粘结积灰。干松积灰一般较易吹除，但其颗粒潮湿后，易形成粘结积灰，粘结积灰吸附性较强，一般较难清除。

灰尘在流动过程中对光伏组件表面所产生不同程度的磨损，称其为灰尘的摩擦性。硬度高、密度大、带有棱角的灰尘磨损性大。根据灰尘的摩擦性可将灰尘分为强磨损性灰尘和弱磨损性灰尘。使用压缩空气吹扫方法除尘时，需考虑灰尘的摩擦性。

1.1.2 化学性质分类

有些灰尘化学性质比较不活泼，如黑炭颗粒、碳酸钙和氢氧化铝粉尘等；有些灰尘本身带有酸性，例如硫酸烟雾、光化学烟雾等；有些灰尘本身带有碱性，如金属氧化物颗粒、石灰石粉尘、水泥粉尘等。

灰尘中飘尘颗粒多、粒径小、表面积大，它们有很强的吸附能力，能将空气中的有害物质吸附到表面，从而呈酸性或碱性。另外，灰尘中往往含有粘土等物质，会吸收空气中的水分，然后发生水解反应，分解出胶粘状的氢氧化铝，带有碱性。

灰尘的酸碱性不同，对光伏电池板的腐蚀作用也不同。腐蚀作用越强，光伏电池板表面损害越严重。因此，从化学性质上可将灰尘分为中性灰尘、酸性灰尘和碱性灰尘。

1.2 灰尘影响光伏发电的原理

从灰尘的物理性质和化学性质出发，分析其影响光伏电池发电的原因，可归结为遮挡效应、温度效应和腐蚀效应3个方面。

1.2.1 灰尘的遮挡效应

光伏电池板表面的灰尘，根据其粒径的大小，不同程度遮挡光线对电池板的照射，使得实际到达光伏电池的光线大大减少。另外，在灰尘的影响下，一部分光线的传播均匀性发生了改变。如图 1所示[1]。

图1 灰尘遮挡下的光线传播示意图

图1中，光强为E的光线照射到灰尘表面，ΔE1被灰尘吸收后变为热能，ΔE2被灰尘向四周散射。被散射的光线中可能有部分照射到玻璃盖板上，图中E1光线就是被灰尘散射到玻璃盖板上的光线，在玻璃盖板上又形成了一次折射和反射，最终有E12的光强进入玻璃盖板。

由于灰尘的遮挡作用，实际到达光伏玻璃盖板表面的光强为E1，进入玻璃盖板的能量较无积灰时要少E-E1，从而使得光电效应较清洁状态下弱，因此积灰组件的发电量要比清洁组件少[3]。

1.2.2 灰尘的温度效应

光伏电池板表面的灰尘，一方面遮挡太阳光线对组件的照射，减少了投射到光伏电池表面的太阳辐射量[4]；另一方面导致光伏电池板的传热形式发生了变化。

现有光伏电池板热平衡模型是建立在清洁面板情况下[5]，实际上在光伏电池投入运行后，其表面的灰尘、树叶、鸟粪等物质会影响光伏发电的热平衡。当光伏组件表面有灰尘时，长久的阳光照射使组件表面受遮挡部分升温远大于未被遮挡部分，温度过高时会出现烧坏的暗斑——热斑[6]，如图2所示。热斑效是影响光伏组件输出功率和使用寿命的重要因素，可导致光伏电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化、封装材料老化等永久性损坏，甚至可能导致安全隐患[7]。

图2 光伏组件热斑及损坏现象

1.2.3 灰尘的腐蚀效应

光伏电池盖板表面大多为玻璃材质，玻璃的主要成分是二氧化硅和石灰石等，当湿润的酸性或碱性灰尘附在玻璃盖板表面时，玻璃盖板成分物质都能与酸或碱反应。随着玻璃在酸性或碱性环境里的时间增长，玻璃表面就会慢慢被侵蚀，从而在表面形成坑坑洼洼的现象，导致光线在盖板表面形成漫反射，在玻璃中的传播均匀性受到破坏。

如图3所示[1]，灰尘对玻璃盖板的腐蚀引起盖板表面呈现许多凹面，使得原来光滑的玻璃盖板变成非光滑面，增强了玻璃盖板表面的漫反射。

图3 受腐蚀的光伏组件光线传播示意图

由图3可知，照射到凹面的光线传播路径与照射到光滑表面的光线传播路径明显不同。光强为E的光线照射到凹面内，经过多次反射与折射过程，最终进入玻璃盖板的能量为E1+E21。而同样光强为E的光线照射到平滑表面后，经过一次折射和反射，E′1的光强进入玻璃盖板，E′2的光强被盖板表面反射。

那么到底哪种方式进入玻璃盖板的光线更强呢，不妨根据能量守恒定律进行分析。在光的反射和折射中，能量是守恒的，能量的分布情况满足：

其中，Ii为入射光强；Id为漫反射光强；Is为镜面反射光强；It为透射光强；Iv为被物体所吸收的光强。

灰尘对玻璃盖板的不断腐蚀，使得光伏电池表面越来越粗糙，随着粗糙程度的加深，漫反射逐渐增强。若把光伏组件看成一个理想的漫反射表面，当光源来自一个方向时，漫反射光会均匀地向各个方向传播。根据Lambert余弦定律可知：

其中，Id为漫反射光强；Kd为漫反射系数；θ为入射点P的法向N与入射光源L的夹角，如图 4所示[1]。

图4 入射光示意图

漫反射系数Kd与物体表面粗糙程度相关，0

1.3 灰尘影响发电量的实例

通过理论分析，灰尘在多方面影响光伏发电量。实际上，国内外研究人员对这方面也做了大量工作。

图5是美国圣地亚哥市某光伏电站灰尘导致的发电量损失率。5月15日～8月29日期间没有降雨，灰尘导致光伏电站发电量的损失率一直在增加，最高时为22%，这也意味着在8月29日时，约有22%的发电量因降尘而损失。

图5 美国圣地亚哥某光伏电站1年中灰尘导致的发电量损失值

图6是位于地中海东岸的塞浦路斯某电站降尘对发电量的损失值。从图6中可知，无论单晶硅组件、多晶硅组件还是非晶硅组件，都是随着在外面放置的时间越久，降尘越多，对发电量的减弱作用越强。在干旱持续了12周后，单晶和多晶的发电量损失率达到了约14%。

图6 某电站干旱期每周发电量损失值

图7为塞浦路斯某电站一次沙尘暴过后测到的电池板功率损失值都在10%以上。

图7 某电站沙尘暴过后电池板功率损失值

我国大部分大型地面光伏电站分布在西北地区，而西北地区又是我国沙尘暴较严重的地区。所以，我国更应该重视大型光伏电站电池板的清洁。

2 光伏电站组件清洗研究

组件积灰对光伏电站发电量的影响已逐渐引起电站管理人员的重视，目前很多光伏电站及相关电力公司都在探索研究经济、有效的组件清洗方案，同时也出现了一些专业从事光伏组件清洗的公司。但是，不同地区降尘情况不同，光伏电站水资源情况及场站地形地貌也有所差异，因此组件清洗方式的选择不能一概而论。

2.1 国内外光伏组件清洗方式

目前国内外已有的组件清洗方式按照其自动化水平大致可分为3类：人工清洗方式、半自动清洗方式和自动清洗方式。按照清洗时的用水量可分为有水清洁和无水清洁，其中有水清洁可根据是否敷设水管分为有管道清洁和无管道清洁。

2.1.1 人工清洗方式

人工清洗方式有人力擦洗、直喷水清洗、压缩空气吹扫等。

人力擦洗是最原始的组件清洗方式，完全依靠人力完成，如图8所示。这种清洗方式工作效率低、清洗周期长、人力成本高，还存在人身安全隐患，北方冬季无法工作的情况，大型光伏电站很少采用人力擦洗的方式。

图8 人力擦洗方式清洁组件(图片来自网络)

直喷水清洗是以接在水车上(或水管上)的高压喷头向光伏组件表面喷水冲刷，从而达到清洗的目的，如图9所示。这种清洗方式明显优于人力擦洗，清洗效率高一些，但用水量较大，每MWp光伏组件清洗一次约用10 m3水，一些地面光伏电站目前均采用此种清洗方式。

压缩空气吹扫是通过专用装置吹出压缩空气清除组件表面的灰尘，用于水资源匮乏的地区。这种方式效率低，且存在灰尘高速摩擦组件的问题，目前很少有电站使用。

图9 直喷水方式清洗组件(图片来自网络)

2.1.2 半自动清洗方式

半自动清洗是通过人工操作专用清洗车(清洗装置)的方式实现光伏组件的清洁，如图10所示。半自动清洗方式既有有水清洁也有无水清洁，对水资源的依赖性较低，但对光伏组件阵列的高度、宽度、阵列间路面状况的要求较为苛刻，无法满足所有大型光伏电站的应用需求。

图10 专用组件清洗车(图片来自网络)

2.1.3 自动清洗方式

自动清洗方式是将清洗装置安装在光伏组件阵列上，通过程序控制电机的转动实现装置对光伏组件的自动清洗。这种清洗方式成本高昂，设计复杂，多用于研发、测试，很少正式用于大型光伏电站。但随着其成本的降低，将来可能会取代非自动清洗方式，是未来光伏电站组件清洗的发展趋势。

图11 自动清洗方式(图片来自网络)

综上所述，目前已有的光伏组件清洗方式可谓五花八门，各种清洗方式均有优缺点，只有通过科学、合理地对比分析，才能选择最适合电站的清洗方式。

2.2 组件清洗方式选择

不同光伏电站的规模、环境、地形，以及组件安装高度、倾角、安装方式等均有所不同，因此选择组件清洗方式时，需从光伏电站实际情况出发进行分析。分析的内容主要概括为制约条件、清洗费用、清洗周期、清洗效果4方面。

2.2.1 制约条件

选择光伏组件清洗方式首先要考虑光伏场站的各种制约条件，如水资源情况、路面情况、组件高度等。排除不符合条件的清洗方式，然后再进一步选择。制约条件主要考虑的内容归纳为以下几点：

1)场站水资源情况、供水方式——判断可否使用有水清洁系统；

2)场站地面情况，阵列间路面情况——判断是否可使用清洗车；

3)光伏组件安装方式，组件高度、倾角——判断是否可使用清扫式清洁系统；

4)光伏阵列支架情况——判断是否可安装自动清洁系统。

2.2.2 清洗费用

清洗费用是很重要的一项参考内容，选择清洗方式时必须要考虑费用是否合理。不同光伏电站清洗组件带来的收益不同，所以清洗费用的投入也应视情况而定。清洗费用的确定应与清洗时间和清洗效益相关，清洗费用要尽量低、清洗时间要尽量短、清洗效益要尽量高，三者间应找寻平衡点。一般来说，在一个清洗周期T内，清洗费用不应超过清洗效益的20%。

2.2.3 清洗时间

清洗时间的确定同样与清洗费用、清洗效益相关，另外还需借助光伏场站的一些辅助判别条件。此处引入灰尘日遮蔽率Sd的概念，即经过一段时间后灰尘沉积对组件发电量的影响率。可在光伏场站选取典型的两块组件(或两个区域的组件)进行对比，一块每天擦洗，另一块不做处理，并通过自动监测系统对两块组件的发电量进行实时监测，则灰尘遮蔽率的计算式为：

式中，Sd为灰尘日遮蔽率；Qc为干净组件日发电量；Qd为污浊组件日发电量。

通过遮蔽率，可计算出理论清洗效益：

式中，Pd为清洗后的理论日发电增长效益；Qd为电站当日发电量；C为上网电价。

通过以上公式，根据清洗要求进一步确定清洗时间t。若要求清洗费用不超过理论清洗效益的20%，则需满足以下条件(假设灰尘遮蔽率是线性变化)：

式中，T为一个清洗周期；t为清洗一次的时间；E为清洗一次的费用。

按照一个清洗周期T内，清洗费用不超过清洗效益的20%这个要求，当满足公式 (5)时，t的最大值就是最长清洗时间。而选取清洗方式时，必须满足整个光伏电站的清洗时间小于t。另外，在电站实际运行过程中，应根据实际情况不断调整清洗周期的判断条件，以实现最大收益。

2.2.4 清洗效果

清洗效果也是选择清洗方式的一个重要参考条件。以上对理论清洗效益进行了分析，在此基础上，可选用某种清洗方式试清洗。然后对实际清洗后的数据进行分析，对比实际清洗效益与理论清洗效益的差别，即可看出实际清洗的效果，根据清洗效果再做选择。

综上所述，从实际出发，分别按制约条件、清洗费用、清洗时间、清洗效果4方面综合比对，选取最适宜的光伏电站清洗方式，是必要且行之有效的一种方法。

3 光伏电站组件清洗效益分析

选择一种合理的清洗方式，能显著提高光伏电站的运行效益。某西北荒漠5 MWp光伏电站水资源丰富，通过以上4方面对比，最终选择了水车高压喷头冲洗的方式。一次清洗费用约5000元，不同季节清洗周期不同，基本在1～2个月之间。图12为该电站清洗前后的数据对比(选取对比区域为500 kWp)。

从图12可知，在1月12日～2月12日这一个月内，组件清洗前(1月12日～1月26日)两个区域发电量相差甚微，且1号区域组件发电量略高于2号区域；组件清洗后(1月27日～2月12日)2号区域组件发电量明显高于1号区域，且日照越好，效果越明显。经计算，清洗后2号区域组件发电量较1号区域高出10.62%。

由于干燥、风沙大等原因，我国西北荒漠电站组件积灰严重，及时有效的清洗措施可将年发电量提高约8%～12%。对于5 MWp光伏电站，选取一套行之有效的组件清洗方案，1年将带来80万左右的收益，相当于多发电1个月。

4 结语

对于已投入运行的光伏电站，光伏组件的清洗是运营管理的一项重要指标。目前很多企业、研究机构都投入到光伏组件清洗工作的研究，使得光伏组件清洗水平不断提高、成本不断降低。但是，不同光伏电站之间的差异造成众多清洗方式出现。电站管理人员不仅要学会如何选取最适合自己电站的清洗方式，而且要不断研发更合理、更经济、更高效的组件清洗方式，以最大限度提高电站的运行效益。

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