荒漠中光伏發(fā)電量受光伏組件積塵的影響和自動(dòng)清潔經(jīng)濟(jì)效益研究

王莉　董鋆剛

摘 要：為明晰積塵對(duì)光伏組件的影響，探索荒漠這種特殊環(huán)境對(duì)光伏組件的影響，尋求提升經(jīng)濟(jì)效益的方法。文章運(yùn)用文獻(xiàn)研究和案例研究的方法，分析了積塵對(duì)光伏組件的遮擋影響、熱斑效應(yīng)和腐蝕影響，研究了荒漠中積塵的狀況，對(duì)清潔后的光伏組件的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究。得出自動(dòng)清潔裝置相比于人工清潔對(duì)提升發(fā)電站經(jīng)濟(jì)效益具有顯著作用。

關(guān)鍵詞：光伏組件；發(fā)電量；積塵；經(jīng)濟(jì)效益；荒漠

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）12-0169-02

對(duì)于光伏組件而言，灰塵會(huì)對(duì)其產(chǎn)生遮擋、腐蝕以熱斑效應(yīng)等一系列負(fù)面效應(yīng)，進(jìn)而影響光伏組件的輸出功率。而荒漠作為一個(gè)風(fēng)沙大、自然環(huán)境惡劣、塵土較多、遮擋物少的地區(qū)，附著在光伏組件上的積塵要明顯多于其他地區(qū)，對(duì)光伏發(fā)電量的影響也大于其他地區(qū)。及時(shí)對(duì)組件表面進(jìn)行清理，防止組件被遮擋、預(yù)防熱斑效應(yīng)，將大大提高光伏系統(tǒng)的性能，增加投資收益。

1 積塵對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響

1.1 積塵對(duì)光伏組件的遮擋效應(yīng)

荒漠中的灰塵較大，在光伏組件上的積塵也較多。沉積在組件上的灰塵會(huì)遮擋光伏組件的玻璃蓋板，造成蓋板的透射性減弱，從而減弱到達(dá)太陽電池面上的光強(qiáng)。光強(qiáng)減弱將減弱光電效應(yīng)，直接減少光伏的發(fā)電量。同時(shí)，積塵遮擋對(duì)光伏組件的輸出功率具有直接性影響。

光伏組件玻璃蓋板的作用是保護(hù)發(fā)電主體，其透光率大于91%。由光線傳播原理可知，當(dāng)入射光線照射到玻璃蓋板時(shí)，光線會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象和反射現(xiàn)象。當(dāng)光伏組件表面有積塵時(shí)，其光電效應(yīng)原理如圖1所示。

光線（光強(qiáng)為E）照射到灰塵表面時(shí)，灰塵將光線吸收和散射。部分被散射的光線會(huì)照射到玻璃蓋板上（圖中E1所示光線），到達(dá)光伏玻璃蓋板的實(shí)際光強(qiáng)僅為E1，相較于無積塵時(shí)減少（E-E1）。綜上所述，當(dāng)光伏組件表面有積塵時(shí)，其發(fā)電量將少于清潔狀態(tài)下。

1.2 積塵對(duì)光伏組件的溫度效應(yīng)

一般而言，光伏組件的熱平衡維持是在光伏組件清潔的情況下運(yùn)行的。而在荒漠中，光伏組件不可避免的有積塵覆蓋，覆蓋的積塵改變了光伏組件的熱平衡狀態(tài)。積塵的存在使部分光伏組件因遮擋無法正常工作，其溫度快速升高，而未被遮擋的光伏組件其溫度遠(yuǎn)低于被遮擋的部分。這樣就使得被積塵遮擋的光伏組件因溫度過高而被燒壞，暗斑就此出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)光伏組件破壞，無法工作。

綜上所述，積塵會(huì)使光伏組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，破壞光伏組件系統(tǒng)，致使其發(fā)電量減小，甚至完全破壞無法發(fā)電。

1.3 積塵對(duì)光伏組件的腐蝕效應(yīng)

玻璃蓋板鋼化玻璃的主要成分是石灰石和二氧化硅等?；哪械拇罅糠e塵是呈酸性或堿性，會(huì)與石灰石和二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。附著在玻璃蓋板上的積塵，加之空氣中濕潤的水份，就會(huì)與玻璃蓋板中的成分發(fā)生酸堿反映，腐蝕玻璃蓋板。

玻璃蓋板與積塵發(fā)生酸堿反應(yīng)后，玻璃蓋板表面就會(huì)變得粗糙，粗糙的表面其對(duì)光線的反射作用增大，而折射作用減弱。這樣入射到太陽電池上的光線就會(huì)減少，進(jìn)而減弱光電效應(yīng)，最終使光伏組件的發(fā)電量減少。雖然積塵的腐蝕不是瞬時(shí)發(fā)生的，且其影響不大，但是玻璃蓋板的腐蝕卻是難以修復(fù)的。玻璃蓋板一旦被腐蝕，將永久無法恢復(fù)，因此，必須加強(qiáng)對(duì)光伏組件的日常維護(hù)和養(yǎng)護(hù)才能降低腐蝕危害。

2 荒漠特殊環(huán)境對(duì)光伏組件的影響分析

2.1 晝夜溫差大的影響分析

荒漠生物稀疏、人類及其他生物活動(dòng)少，其主要組成成分——沙石的比熱比水的比熱低得多。因此，在同樣的日照下，荒漠接受光照的強(qiáng)度比較大，吸收熱量的速度比較迅速；而在夜晚，熱量釋放的速度也比較快，溫度迅速下降。較大的晝夜溫差，會(huì)導(dǎo)致水蒸氣的凝結(jié)及蒸發(fā)，這樣在光伏組件上就會(huì)產(chǎn)生水滴，容易使光伏組件與積塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而日間較高的溫度也易導(dǎo)致光伏組件熱斑效應(yīng)的發(fā)生。

2.2 風(fēng)沙大的影響分析

荒漠由于植被稀疏、砂石顆粒較多，因此風(fēng)沙較大。一旦起風(fēng)，沒有阻擋的風(fēng)會(huì)卷著沙塵一瀉千里。因此，在荒漠中光伏組件表面的積塵要明顯多于其他地區(qū)。漫天的沙塵會(huì)沉積在光伏組件表面，致使光伏組件光線透射率降低，甚至產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)及熱斑效應(yīng)，降低光伏組件的發(fā)電量。

3 清潔對(duì)提升光伏發(fā)電量的效益影響

認(rèn)識(shí)到積塵對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響之后，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注清潔對(duì)提升光伏發(fā)電量效益的影響。根據(jù)美國航空航天局研究顯示：積塵的覆蓋率達(dá)4.05 g/m2就能減少40%的太陽能轉(zhuǎn)換，尤其在環(huán)境條件較差的地區(qū)（如荒漠）影響更大。

國內(nèi)兩家研究機(jī)構(gòu)對(duì)清潔對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響進(jìn)行了研究，其研究數(shù)據(jù)表明：年累計(jì)發(fā)電量、年累計(jì)節(jié)約費(fèi)用、CO2減排量都可提高25%，SO2減排量、煙塵減排量可提高25.7%，標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量提高25.1%。根據(jù)安徽蚌埠2 MW電站的測試，發(fā)電站經(jīng)過20 d的灰塵累積其發(fā)電量下降24%。而深圳光伏建筑一體化項(xiàng)目研究表明，相對(duì)于15 d未清潔的組件，清潔后的組件發(fā)電效率提高平均25%。雖然光伏組件清潔對(duì)提高效益具有作用，但是人工清難度大，成本高，對(duì)提升光伏發(fā)電量的效益影響甚微。

4 自動(dòng)清潔提升發(fā)電量的效益分析

光伏組件自動(dòng)清潔裝置指根據(jù)光伏發(fā)電原理，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，來對(duì)光伏組件進(jìn)行自動(dòng)清潔，提升光伏組件發(fā)電效率的機(jī)電產(chǎn)品，可以提升10%～30%的發(fā)電率。

但是，不同的地區(qū)降塵量和灰塵排布也有所不同，而且不同地區(qū)的空氣濕潤程度不同。植被覆蓋率較高的地區(qū)，降塵量就少；空氣濕潤的地區(qū)，光伏組件發(fā)生酸堿反應(yīng)的概率就高。而針對(duì)本文所研究的荒漠環(huán)境，由于其風(fēng)沙大、植被少，降塵量和灰塵排布都比較大，因?yàn)槌练e的灰塵也比較多，自動(dòng)清潔裝置對(duì)提升經(jīng)濟(jì)效益的作用也會(huì)更為顯著。

根據(jù)目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，對(duì)自動(dòng)清潔裝置的設(shè)計(jì)有很多種方式，主要分為以下兩種：單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。

調(diào)查研究表明，單軸跟蹤系統(tǒng)可以提升約10%的發(fā)電量，雙軸跟蹤系統(tǒng)可以提升約15%～20%的發(fā)電量。從投入產(chǎn)出比來看，清潔對(duì)于提升經(jīng)濟(jì)效益效果顯著。下面以寧夏嘉澤項(xiàng)目20 MW光伏電站作為研究案例進(jìn)行分析。

該項(xiàng)目共有87 600塊光伏組件，共需791套清潔裝置，每套裝置的材料成本和安裝成本合計(jì)為7 775元。安裝自動(dòng)清潔裝置后，發(fā)電量將提升10%/a，發(fā)電量3 000萬 kWh/a，效益增收300萬元/年（電價(jià)1元/kWh），人工節(jié)省費(fèi)84萬/a，投資回收期1.6 a，見表1。

綜上所示，自動(dòng)清潔裝置可以大大降低人工成本，尤其是在荒漠地區(qū)這種降塵量較大的地區(qū)，更需采用自動(dòng)清潔裝置對(duì)光伏組件進(jìn)行清潔。

這將大大降低荒漠地區(qū)發(fā)電站的成本，提高光伏電阻的發(fā)電量，提升經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

①本文分析了積塵對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響，發(fā)現(xiàn)了積塵會(huì)遮擋玻璃蓋板，影響光電效應(yīng)，降低發(fā)電量；積塵會(huì)導(dǎo)致光伏組件發(fā)生熱斑效應(yīng)，破壞光伏組件；積塵會(huì)與玻璃蓋板發(fā)生酸堿反應(yīng)，且難以修復(fù)。

②本文分析了荒漠這種特殊環(huán)境對(duì)光伏組件的影響，得出荒漠由于晝夜溫差大、風(fēng)沙大，其對(duì)光伏組件產(chǎn)生的積塵多，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)大，對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響更為顯著。

③本文分析了清潔對(duì)提升光伏組件發(fā)電效益的作用，得出清潔可以提高光伏組件的經(jīng)濟(jì)效益，但人工清潔成本高。

④本文分析了自動(dòng)清潔對(duì)提升光伏組件經(jīng)濟(jì)效益的作用，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)清潔可以較好的提升經(jīng)濟(jì)效益，是值得提倡的做法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳東兵，李達(dá)新，時(shí)劍潘，等.光伏電池組件表面積塵及立桿陰影對(duì)電站發(fā)電功率影響的測試分析[J].太陽能，2011，（9）.

[2] 田智華，段凱.光伏建筑一體化光伏電池組件表面清潔的效益分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011，（4）.