積灰對光伏組件發(fā)電性能影響的研究

白愷，李智，宗瑾，翟化欣，趙洲，劉斌

（1. 華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045；2. 國網(wǎng)新源張家口風光儲示范電站有限責任公司，

河北 張家口 075000；3. 河北工業(yè)大學，天津 300019）

大型光伏電站一般建設在氣候環(huán)境比較惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)常干旱缺水，風沙嚴重。這些惡劣的環(huán)境因素對光伏組件發(fā)電效率產(chǎn)生影響，尤其是長時間的風沙導致塵土等污濁物遮擋光伏組件，影響光線的透射率，進而影響組件表面接受到的輻射量。同時，由于這些污濁物距離光伏電池片的距離很近，會形成陰影，并在光伏組件具備形成熱斑效應。如果長時間不及時對光伏組件進行清潔，將會大幅度降低光伏電站發(fā)電量，不僅不能滿足電網(wǎng)的要求，而且還降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率。

近年來國內外的一些專家或學者針對灰塵沉積對光伏組件性能的影響進行了相關研究，Wakim研究在科威特城的沙塵環(huán)境下光伏組件持續(xù)積灰6 d后，光伏組件的發(fā)電功率降低17%，并通過試驗驗證在該地區(qū)氣候環(huán)境下，春季和夏季積灰對光伏組件的影響明顯高于秋冬兩季；同樣是在科威特，Sayigh在4至6月份測試0°至60°不同傾斜角下光伏組件受積灰影響發(fā)電功率的衰減情況，在測試的38 d內，光伏組件表面每天的積灰量達到2.5 g/m2，光伏組件的透光性降低了17%～64%，特別的，水平放置的光伏組件3 d后發(fā)電功率損失達到30%；Grag發(fā)現(xiàn)光伏組件傾斜角為45°時，室外放置10 d后，光伏組件的透光率平均下降了8%[1]；陳東兵等通過對蚌埠2 MW非晶硅光伏電站進行測試，發(fā)現(xiàn)20 d的表面積灰造成光伏組件串的發(fā)電功率降低24%，平均每天減少1.2%[2]；居發(fā)禮等建立了光伏組件積灰理論模型，總結了不同灰塵類型對光伏組件發(fā)電性能影響的區(qū)別，并通過結合人工積灰試驗的方法，提出積灰對光伏發(fā)電性能影響的光伏積灰系數(shù)[3]；Hai Jiang等人通過在室內模擬自然灰塵，研究了灰塵沉積對不同封裝材料光伏組件性能的影響，得出能量輸出減少率與積灰濃度呈線性關系的擬合公式[4]；張風等人建立了對灰塵沉積程度進行數(shù)學的情況下，積灰對組件輸出性能的影響數(shù)學模型[5]。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力是評價光伏電站性能最重要的指標，而灰塵對光伏組件的發(fā)電性能影響存在普遍性，是影響光伏發(fā)電性能的重要因素之一，國內對于灰塵和大氣清潔度對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響研究甚少。本文通過搭建實驗平臺，對典型地區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)受積灰影響情況進行統(tǒng)計、分析，確定在灰塵影響條件下，光伏組件發(fā)電性能的衰減功率，為日后地面大規(guī)模光伏電站的日常運行維護提供指導。

1 積灰影響光伏組件發(fā)電性能分析

1.1 實驗平臺

EKO公司生產(chǎn)的MP-170型I-V曲線測試儀，可以測試單個太陽能電池組件或光伏方陣離網(wǎng)運行工況，得到被測設備的I-V或P-Q輸出曲線以及光伏組件在現(xiàn)場測試條件和標準測試條件下的短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）、填充因數(shù)（FF）、最大輸出功率（Pm）、最大功率點電壓（Vpm）、最大功率點電流（Ipm）、光伏組件轉換效率、環(huán)境溫度。表1是MP-170型I-V曲線測試儀的技術參數(shù)，圖1是實驗平臺示意圖。

表1 MP-170型I-V曲線測試儀技術參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of MP-170 Type I-V curve tester

實驗平臺使用尚德生產(chǎn)的型號為STP280-24/Vd的多晶硅光伏組件，表2是該光伏組件的技術參數(shù)。

1.2 長期積灰對光伏組件輸出特性影響

測試河北地區(qū)某光伏電站一段周期內，光伏方陣受風沙影響輸出功率，利用灰塵密度定量評定光伏方陣表面積灰量的變化情況，能夠有效反映光伏方陣表面積灰導致的輸出功率降低，如圖2所示。

圖1 實驗平臺示意圖Fig. 1 The schematic of the experimental platform

表2 光伏組件技術參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of the solar panel

圖2 河北地區(qū)某電站積灰光伏方陣輸出功率Fig. 2 The power output curve of the PV array in dust a solar power plant in Hebei

可以發(fā)現(xiàn)，測試期間，在無降水天氣條件下，光伏方陣表面的積灰持續(xù)增多；雨水天氣后，根據(jù)降水量的不同，其對光伏方陣的表面積灰起到不同程度的沖刷作用。隨著光伏方陣表面灰塵密度的增加，光伏方陣的輸出功率相應減少。在測試的近一個月時間內，包括雨水天氣情況的光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.439 g/m2，光伏方陣輸出功率減少率平均值為5.196%。

為了驗證分析的光伏方陣表面灰塵密度影響輸出功率的程度，選取天津地區(qū)夏季和秋季典型周期的測試數(shù)據(jù)。在夏季10 d測試周期內，包括雨水天氣情況的光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.239 g/m2，輸出功率減少率平均值為2.823%；秋季10 d測試周期內，光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.867 g/m2，輸出功率減少率為7.156%。秋季在長時間積灰情況下，光伏方陣輸出功率減少率明顯增加，而夏季頻繁的雨水天氣對光伏方陣表面積灰的清潔作用顯著。天津地區(qū)積灰影響輸出功率如圖3所示。通過對比圖2以及圖3的分析結果可以發(fā)現(xiàn)，在不同的地區(qū)，灰塵密度對于光伏方陣輸出功率的影響程度極為相似。

圖3 天津地區(qū)積灰光伏方陣輸出功率Fig. 3 The power output curve of the PV array in dust in a solar power plant in Tianjin

2 數(shù)學模型的建立

利用搭建的試驗平臺，測試兩組由相同數(shù)量STP280-24/Vd多晶硅光伏組件組成的光伏方陣，計算由于表面積灰導致輸出功率的減少情況，測試結果如表3所示。

圖4是光伏組件表面積灰情況的照片，圖5是根據(jù)表3擬合的灰塵密度與光伏方陣減少輸出功率的關系曲線。

表3 積灰導致的光伏方陣陣列輸出功率減少情況Tab. 3 The power loss of PV array in dust caused by accumulated dust

圖4 光伏組件表面積灰Fig. 4 The accumulated dust on the solar panel

圖5 灰塵密度與輸出功率減少率關系圖Fig. 5 The relationship curve between the dust intensity and the power rate lost

積灰量在0～0.7 g/m2時，減少率從0迅速增加為7.4%；光伏方陣的輸出功率迅速減小，當灰塵密度大于1 g/m2時，減少率逐漸趨緩；直到灰塵密度達到4 g/m2時，減少率增加到12.2%。對減少率與灰塵密度之間的關系進行了擬合，得出數(shù)學模型為

y=3.291Ln（x）+7.904 （x≥0.132） （1）

y=-25.06x2+14.15x-0.001 （0≤x＜0.132） （2）式中，x為光伏方陣表面積灰的灰塵密度，g/m2；y為輸出功率的減少率，%。

3 實驗驗證

試驗地點位于河北地區(qū)某光伏電站，利用電站中光伏方陣已經(jīng)安裝的光伏無水清潔和微水清洗裝置清潔積灰的光伏方陣，現(xiàn)場安裝的光伏清潔裝置如圖6至圖7所示。

圖6 光伏無水清潔裝置Fig. 6 The solar panel cleaning equipment without water

圖7 光伏微水清洗裝置Fig.7 The PV panel cleaning equipment with a bit of water

選取雨后第3 d和第5 d，兩個具有典型意義的由6塊STP280-24/Vd的多晶硅光伏組件組成的光伏方陣積灰工況下的測試數(shù)據(jù)進行評估分析，現(xiàn)場測試示意圖如圖8所示。雨后第3 d測得灰塵密度為0.502 g/m2，第5 d測得灰塵密度為0.668 g/m2。在光伏方陣表面灰塵密度為0.502 g/m2和0.668 g/m2的情況下，經(jīng)過無水清潔裝置和微水清洗裝置清潔后的光伏方陣灰塵密度分別為0.011 g/m2和0.061 g/m2。

圖8 光伏方陣積灰影響發(fā)電性能測試示意圖Fig. 8 The testing drawing of the influence of PV array in dust on the power generation performance

利用EKO MP-170 I-V測試儀，在晴天，分別測試微水和無水清潔樣機清潔后以及未清潔光伏方陣的輸出功率，連續(xù)測量至少滿一天（具備一個完整的輻照周期）。

圖9至圖12分別給出了不同積灰程度下光伏方陣清潔前后的輸出功率測試曲線。在相同測試周期內，無水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升5.60%和6.77%；微水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升4.65%和5.99%。

圖9 無水裝置清潔前后光伏方陣輸出功率Fig. 9 The PV array power output before and after cleaning without water

圖10 無水裝置清潔前后光伏方陣輸出功率Fig. 10 The PV array power output before and after cleaning without water

圖11 微水裝置清潔前后光伏方陣輸出功率Fig. 11 The PV array output power before and aftercleaning with a bit of water

根據(jù)測試期間光伏方陣清潔前后的灰塵密度，代入建立的灰塵密度與輸出功率變化數(shù)學模型中，計算得到輸出功率減少率并與實際測試得到的輸出功率變化情況進行比較，結果表明建立的灰塵密度與輸出功率減少率關系函數(shù)計算結果與實測值誤差很小。

得到的不同積灰光伏方陣全天輸出功率結果，通過公式（3）和公式（4），可以計算得到清潔前后光伏方陣轉換效率，進一步分析積灰對光伏組件發(fā)電性能的影響情況。

按照公式（3）將實測的光伏方陣輸出功率折算到標準測試條件，

表4 模型驗證分析Tab. 4 Model verification and analysis

式（3）中，P′為標準測試條件（S=1 000 W/m2、組件溫度為T=25 ℃、AM=1.5）下的輸出功率，W；P為現(xiàn)場實際光伏方陣輸出功率，W；PSTC光伏組件標稱功率，取廠家給定值1 680 W；γ為峰值功率溫度系數(shù)，取廠家給定值-0.47%/℃。

式（4）中，η為光伏方陣實測轉換效率，%；P′為折算到標準條件下的輸出功率，W；A為光伏方陣表面積，m2。

圖13至圖16分別給出了不同積灰程度下光伏方陣清潔前后的轉換效率曲線。在相同測試周期內，無水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升3.63%和3.63%；微水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升3.08%和5.65%。

可見，在光伏組件實際運行過程中，光伏組件表面積灰確實對組件的實際發(fā)電效率存在較大影響，通過上述對比，組件表面積灰越多，相同外界條件下組件的轉換效率越差，導致發(fā)電效率降低。

圖13 無水裝置清潔前后光伏方陣轉換效率Fig. 13 The energy conversion efficiency of the PV array before and after cleaning without water

圖14 無水裝置清潔前后光伏方陣轉換效率Fig. 14 The energy conversion efficiency of the PV array before and after cleaning without water

圖15 微水裝置清潔前后光伏方陣轉換效率圖Fig. 15 PV array energy conversion efficiency before and after cleaning with a bit of water

圖16 微水裝置清潔前后光伏方陣轉換效率Fig. 16 PV array energy conversion efficiency before and after cleaning with a bit of water

4 結論

本文通過對不同地區(qū)光伏電站受積灰影響光伏組件輸出特性的長期測試，發(fā)現(xiàn)灰塵密度作為衡量積灰影響光伏組件輸出性能退化的重要評價指標。通過對輸出特性和轉換效率曲線進行分析，可以看出光伏組件表面積灰是影響光伏組件輸出性能的重要因素，并由此得到以下結論。

1）光伏組件表面積灰是長期存在的普遍現(xiàn)象，特別是在秋、冬等雨水較少的季節(jié)，長期積灰能夠對光伏組件發(fā)電性能產(chǎn)生較大的不利影響。

2）光伏組件表面積灰能夠引起組件的轉換效率降低，說明灰塵引起組件發(fā)電性能降低的更深層次原因在于降低了光伏組件的透光性，在相同輻照度條件下，對于大規(guī)模光伏電站造成的功率損失會很大。

3）自然天氣條件下光伏組件在積灰初期發(fā)電量受灰塵的影響較大，當灰塵累積到一定程度時，光伏組件發(fā)電量受積灰的影響越來越小，根據(jù)組件積灰的這種特性選擇清潔時機，指導今后的光伏電站維護。

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