灰尘对光伏发电的影响及组件清洗研究

左杰川

摘要：光伏发电是当今最常见的一种新能源方式，为社会的发展带来了极大的便利，但是灰尘会对光伏电池板能源转化带来极大的影响。本文从影响光伏发电的灰尘种类出发，依次介绍灰尘影响发电的原理、灰尘的清理方式等，以供相关研究人员参考。

关键词：灰尘;光伏发电;组件清洗

能源问题是关乎世界发展的关键问题，传统的发电方式主要以火力发电为主，但会带来相应的污染以及能源的浪费，而水利以及风力发电也存在其局限性，需要满足一定的地理条件才能保证生产生活中用电的需要，而太阳能作为一种高效清洁的再生能源，在全球各地都能够得到充分利用。具最新数据显示，截止到2021年6月18日，全国太阳能发电装机容量2.6亿千瓦，同比增长24.7%;全国主要发电企业电源工程中太阳能发电117亿元，同比增长8.9%，因此太阳能发电在我国能源行业占据的地位与日俱增。灰尘是影响太阳能发电效率的关键因素之一，其不仅阻碍了光伏板对于太阳能的吸收，严重的情况还会损坏太阳能发电设施。如果按照全球装机量为500GW来估计，灰尘对发电站的影响在5%以上，那么每年因为灰尘影响光伏发电系统造成的损失将会高达50亿美元，且随电站装机量的增长其损失愈发严重，而定期对光伏发电组件展开清洗是有效减少灰尘影响的必要措施。

1.灰尘的来源以及特性

1.1灰尘的来源

灰尘是在空气中不均匀分散的微小颗粒，主要是由土沫、工业粉尘、燃烧烟尘、虫卵等粉末状物质构成，对人体健康有较大危害。通常情况下，当灰尘小于10μm时即可对人体健康造成影响;当灰尘小于2.5μm（PM2.5）便可穿过人体的肺泡直达血液，对人体组织器官造成损伤。根据来源可以将灰尘分为自然灰尘以及人为灰尘，自然灰尘是因为泥土、岩石等经过自然长期的风化腐蚀形成了微小的颗粒，然后经由自然界的大气运动被传送到全球各个区域;人为灰尘是由人类的日常生产活动产生的微小颗粒，比如建筑行业的水泥、石灰石等粉尘，交通运输汽车尾气排放造成的粉尘，工业生产废气排放造成的粉尘等。

1.2粉尘的性质

粉尘的性质主要分为物理性质和化学性质，均会对太阳能电池板产生影响。其物理性质包括导热性、吸水性以及摩擦性等。导热性是指灰尘对于太阳能热量的传导能力，根据灰尘属性不同可以将其分为强导热灰尘以及弱导热灰尘;吸水性指的是灰尘对于空气中水分的吸收能力，吸水性差的灰尘较容易被清除，吸水性好的灰尘吸附能力强较难被清除;摩擦性指的是灰尘的外形影响灰尘运动过程的摩擦力，进而影响其清除效果。灰尘的化学性质主要体现在其酸碱性上，由于灰尘具有吸附作用，能将空气中的物质吸附到自身，从而体现出酸碱性，其酸碱性不同，对于光伏板的腐蚀效果也不同，因此对于不同灰尘的清洁方式也不同。

2.灰尘对于光伏发电的影响原理

2.1遮挡效应

遮挡效应是指灰尘覆盖在光伏电池板上阻挡了其对太阳能的吸收和转化，主要受灰尘粒径的影响。首先，粒径越大，对于光照的阻碍越强，太阳能辐射到光伏板上的基础能源也就越少;其次，灰尘不仅对光照有一个阻挡作用，而且在灰尘颗粒的缝隙间，由于灰尘的反射以及散射作用，再一次将入射的光源分散，从而影响了光电效应的转换。据相关研究显示，清洁的太阳能板要比积灰太阳能板的输出功率高出15%，且积灰量越高，对于输出功率的影响效果越强。

2.2温度效应

灰尘对于太阳能电池板的影响还体现在其对热平衡的影响上。对于清洁的太阳能电池板而言，其整个受光面是均匀的，因此能达到平衡。如果在太阳能电池板表面积存灰尘、树叶甚至鸟粪等，在遮挡处太阳能板的散热就会受到阻碍其热平衡被破坏，久而久之，遮挡处的温度要高于未遮挡处，部分零件由于温度过高出现被烧坏的暗斑—热斑。这不仅会使太阳能电池焊点融化、封装材料老化、影响电池的使用寿命，严重的情况还会带来安全隐患。

2.3腐蚀效应

太阳能电池板外表面通常为硅基材料，在焊接处大多数为金属材料，较易受到酸碱性物质的腐蚀。当灰尘沉积到太阳能电池面板上，由于会吸附空气中的其它杂质而呈现酸碱性，对太阳能电池表面造成损伤，影响太阳能电池的使用寿命。此外太阳能电池表面被腐蚀后，会出现坑坑洼洼的现象，让灰尘更容易堆积，如此造成恶性循环，进一步影响光电之间的转化。当外界光照入射到太阳能面板的凹凸不平处，会发生漫反射现象，导致光在介质中传导的均匀性被破坏。太阳能面板越粗糙，光折射的能量也就越小，最后转化生成的电能也就越小，导致太阳能电池发电量减小。

3.太阳能电池上灰尘的清洁原理

灰尘能够在太阳能电池板上积存主要是由于重力、摩擦力、范德华力的存在，不仅在灰尘与太阳能电池板上存在相互作用力，灰尘与灰尘之间也存在相互作用力，因此在清除灰尘时，要尽量选择作用力最小的方向进行。我们可以将太阳能板上灰尘受到的力合成分解获得法向粘附力和切向粘附力，切向粘附力较小一般可以忽略。当用水流对太阳能电池清洁时，由于灰尘受到浮力作用可以抵消其重力以及范德华力，因此较容易与太阳能电池板分离，此时要尽量避免让灰尘与太阳能电池板发生切向运动增大其摩擦力。如果想要加快清洁速度还可以向水中加入表面活性剂，使其产生强的静电引力的作用让灰尘与太阳能电池板分离。

4.太阳能电池板清洁的具体措施

4.1人工清洗

人工清洗是最原始的清洁措施，但是人工操作周期长、效率低、消费的人力物力资源多，因此不适合大型光伏发电厂，具体的人工清洗方式可以分为人工干洗以及人工水洗。

人工干洗是指操作人员使用长柄拖布配合专用的清洗剂进行灰尘处理的一种方式。由于清洗剂中含有表面活性剂，可以增大拖布与灰尘之间的静电引力，可以有效的吸附灰尘，避免清洁时尘土飞扬的现象。但是操作人员在进行清洁时可以会因为用力不当造成太阳能电池表面损坏。

人工水洗是指操作人员用水管或者在水车上用喷头将水流喷向太阳能电池表面清洁灰尘，相比于人工干洗其效率有所提高，但会浪费大量的水资源;此外在水流喷射时会在太阳能电池表面施加一个应力，造成其内部出现隐裂的现象，如果忽略可能会造成其局部区域短路，影响光电转化;使用水进行清洁时，如果处理不当会在太阳能面板上出现水渍，影响光线射入，如果在冬季进行清洁时也可能出现结冰，同样会影响光线射入，因此不建议使用。

4.2半自动清洗

半自动清洗主要有专门的工程车辆负责操作，相比于人工清洗对于水的依赖作用小且作用力均匀，不会导致太阳能电池出现隐裂的现象;但是半自动清洗对于光伏组件的高度、宽度以及阵列间距都有严格的要求，因此使用受到一定限制。

4.3全自動清洗

全自动清洗是将清洗组件安装到光伏组件的阵列上，通过程序控制完成对太阳能电池的清洗。我国已经出现智能清扫机器人，可以完成较高难度下的太阳能电池清洁工作，它具有智能、自动、无水、均匀等优点，但是有造价较贵、发生故障时不宜处理的缺点。

5.小结

随着科技的发展，超声清理、气压清理、静电清理和激光清理等新的除尘方式也被应用于光伏发电厂中。因此电站管理人员要选择适合自己电站的清洁方式，最大限度的提升电站的经济效益。

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