積塵對光伏電站發(fā)電量的影響及清潔方式分析

吳穎超

(甘肅旻投電力發(fā)展有限公司，張掖 734000)

0 引言

光伏發(fā)電作為重要的可再生能源利用形式，已得到越來越多國際社會的關(guān)注。據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)的統(tǒng)計(jì)[1]，截至2019年年底，全球并網(wǎng)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為580.1 GW。中國是占全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量份額最多的國家，截至2019年年底，其累計(jì)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到205.7 GW，占全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量的35.46%。

從光伏電站的發(fā)展趨勢來看主要呈現(xiàn)出3個(gè)特征[2-3]：1)在城市等人口密集地區(qū)，主要采用分布式光伏電站，比如屋頂光伏電站，此類電站具有占地面積小、安裝靈活、成本較低的特點(diǎn)；而在西部戈壁等空曠地區(qū)，主要采用集中式光伏電站，比如地面光伏電站，此類電站具有占地面積大、集中安裝的特點(diǎn)。2)建設(shè)光儲一體化光伏電站。儲能技術(shù)的應(yīng)用能最大化利用光伏電力，緩解光伏電力并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，并可實(shí)時(shí)保障電網(wǎng)的調(diào)度要求。3)將云存儲、云計(jì)算、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用于光伏電站，實(shí)現(xiàn)了光伏電站的智能化運(yùn)維管理。未來，基于數(shù)字孿生的光伏電站智能化平臺將智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)緊密結(jié)合，可以解決加入儲能環(huán)節(jié)后光伏電站輸出功率的優(yōu)化分配問題及光伏電站的分級分層控制問題，可有效掌握光伏電站的完整運(yùn)行信息，從而提高電站的運(yùn)維效率，加快決策速度，最終保障光伏電站安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

然而，由于我國大型地面光伏電站多處于生態(tài)環(huán)境較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)，電站的運(yùn)維面臨較大挑戰(zhàn)。尤其是光伏組件表面的積雪、積塵等情況，嚴(yán)重影響了光伏組件的輸出功率及其使用壽命[4-7]。因此，研究積塵對光伏組件輸出功率的影響，進(jìn)而對光伏電站發(fā)電量的影響，探索出一體化除塵解決方案成為光伏行業(yè)的重要課題[8-10]?；诖?，本文針對積塵對光伏組件輸出功率及光伏電站發(fā)電量的影響進(jìn)行了研究，并對比了不同清潔方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 積塵對光伏電站月發(fā)電量的影響

光伏組件通過吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)換成電能。光伏電站發(fā)電量主要由裝機(jī)容量、峰值小時(shí)數(shù)、系統(tǒng)效率這3個(gè)因素決定。當(dāng)光伏電站的建設(shè)地點(diǎn)和裝機(jī)規(guī)模確定后，相當(dāng)于裝機(jī)容量和峰值小時(shí)數(shù)已經(jīng)確定，此時(shí)若要提高光伏電站發(fā)電量，只能提高系統(tǒng)效率。

影響系統(tǒng)效率的主要因素包括：1)自然原因，比如，環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度等；2)設(shè)備原因，比如，光伏組件的匹配度及性能、逆變器和箱變的效率、直交流線損、設(shè)備故障等；3)人為原因，比如，光伏電站設(shè)計(jì)不當(dāng)、光伏組件表面的積塵清潔不及時(shí)等。在上述影響因素中，自然原因受自然條件的限制無法人為控制；設(shè)備原因受產(chǎn)品自身性能及技術(shù)條件的限制，可改變的空間也較??；人為原因中，光伏電站設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)那闆r主要包括光伏支架前后排的間距偏小造成的前后排遮擋問題，可通過合理調(diào)整進(jìn)行改進(jìn)，而對于光伏組件表面的積塵清潔不及時(shí)這一項(xiàng)，可通過定期除塵來維持光伏組件表面的清潔，從而提升光伏電站發(fā)電量。

粉塵的定義為粒徑小于0.05 mm的固體顆粒。隨著時(shí)間的推移，粉塵會在光伏組件表面累積，形成積塵。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光伏組件表面積塵量會對光伏組件的輸出功率產(chǎn)生影響。本文實(shí)驗(yàn)均以晶體硅光伏組件(下文簡稱“光伏組件”)為例進(jìn)行分析，1 m2光伏組件的輸出功率與積塵量的關(guān)系如圖1所示[7]。

圖1 1 m2光伏組件的輸出功率與積塵量的關(guān)系Fig.1 Relationship between output power of 1 m2 PV module and weight of dust accumulation

由圖1可知，光伏組件的輸出功率隨積塵量的增大而減小。當(dāng)積塵量達(dá)到100 g/m2時(shí)，1 m2光伏組件的輸出功率相對于積塵量為30 g/m2時(shí)光伏組件的輸出功率降低了15.2%。由此可知，保持光伏組件表面的清潔至關(guān)重要。

對于1 m2光伏組件而言，表面清潔的光伏組件與表面積塵的光伏組件在1天內(nèi)08:00～17:00期間的輸出功率對比如圖2所示。由圖可知，光伏組件表面有積塵時(shí)比無積塵時(shí)的輸出功率最大下降了23.94%。

圖2 1 m2光伏組件表面有、無積塵時(shí)的輸出功率曲線Fig.2 Output power curve of 1 m2 PV modules surface with or without dust accumulation

由于太陽輻射強(qiáng)度隨氣候的變化而變化，因此光伏組件在不同月份接收的日太陽輻射總量也會不同。積塵量為100 g/m2時(shí)，1 m2光伏組件在不同月份接收的日均太陽輻射總量情況如圖3所示。

圖3 積塵量為100 g/m2時(shí)，1 m2光伏組件在不同月份接收的日均太陽輻射總量情況Fig.3 Total daily average solar radiation received by 1 m2 PV modules in different months when the dust accumulation is 100 g/m2

以采用上述光伏組件的裝機(jī)容量為50 MW的某光伏電站為例，積塵對光伏電站發(fā)電量及收益的影響進(jìn)行分析。

月發(fā)電量W可表示為：

式中：Q為日均太陽輻射總量；n為每個(gè)月的天數(shù)；A為光伏組件的總面積，此處取35.2萬m2；η為光電轉(zhuǎn)換效率，此處取12%。

根據(jù)式(1)可得到積塵量為100 g/m2時(shí)該光伏電站的月發(fā)電量，而通過清潔方式使積塵量降至30 g/m2時(shí)，該光伏電站的月發(fā)電量可提升6.4%。若按市場電價(jià)0.9元/kWh計(jì)算，則該光伏電站每月可創(chuàng)造的收益如表1所示。

表1 提高光伏組件表面清潔度后不同月份的收益增加情況Table 1 Increase in revenue after improving surface cleanliness of PV modules in different months

由表1可知，通過清潔方式使光伏組件表面的積塵量降至30 g/m2后，光伏電站的年收益可增加455.31萬元。

2 光伏組件清潔方式的研究

相較于建設(shè)在農(nóng)村或城市的屋頂光伏電站，我國大型地面光伏電站主要建設(shè)在太陽能資源豐富且土地廣袤的西北荒漠地區(qū)，而這類地區(qū)的沙塵較多。受到積塵、積雪等原因的影響，光伏組件的輸出功率大幅下降，導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電量降低，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[11]，若2個(gè)月內(nèi)不清潔光伏組件表面的積塵，光伏組件的輸出功率將降低6.9%。若長年不進(jìn)行除塵工作，光伏組件的輸出功率平均將降低17%，嚴(yán)重時(shí)甚至能達(dá)到40%。而1年1次的清潔僅可以提升0.81%的輸出功率；若對光伏組件表面進(jìn)行定期除塵，使光伏組件表面的積塵量小于30 g/m2，則光伏組件的輸出功率可提升9.8%。因此，進(jìn)行定期除塵是增加光伏電站發(fā)電量的發(fā)展方向。

關(guān)于定期除塵，研究人員已開發(fā)出多種清潔設(shè)備，主要包括人工手持式設(shè)備、加裝清潔裝置的機(jī)械設(shè)備和清潔機(jī)器人。

采用人工手持式設(shè)備進(jìn)行光伏組件除塵是最傳統(tǒng)的一種清潔方式，采用該設(shè)備對地面光伏電站和屋頂光伏電站的光伏組件進(jìn)行除塵時(shí)的情況如圖4所示。此種清潔方式的優(yōu)點(diǎn)是靈活性大、清潔效果好，但缺點(diǎn)是清潔效率低、人工成本較高，且存在危害人身安全的因素。

采用加裝清潔裝置的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行光伏組件除塵也是一種常見的清潔方式，如圖5所示。此種設(shè)備是通過在拖拉機(jī)、運(yùn)輸車、挖掘機(jī)等通用工程機(jī)械上加裝臂架式清潔裝置，以水洗或干掃的方式對光伏組件進(jìn)行除塵。此種清潔方式的優(yōu)點(diǎn)是可節(jié)省一次性投資費(fèi)用。缺點(diǎn)是加裝的清潔裝置與工程機(jī)械的動力存在不匹配的情況，工作成本高；同時(shí)由于設(shè)備對工作路線中地勢(非平坦道路)的適應(yīng)性差，對臂架控制不當(dāng)時(shí)易損壞光伏組件；而且該設(shè)備必須由專業(yè)駕駛員進(jìn)行操作。

圖5 加裝清潔裝置的機(jī)械設(shè)備Fig.5 Mechanical equipment equipped with cleaning device

根據(jù)清潔機(jī)器人與光伏組件的結(jié)合度，清潔機(jī)器人可分為飛行類清潔機(jī)器人、爬行類清潔機(jī)器人、軌道類清潔機(jī)器人和自動行走類清潔機(jī)器人，分別如圖6所示。

圖6 不同類別的清潔機(jī)器人Fig.6 Different types of cleaning robots

飛行類清潔機(jī)器人是一種在尾部加裝小型清潔裝置的無人機(jī)，體積小，可在一般大型機(jī)器難以到達(dá)的位置(如屋頂)進(jìn)行除塵工作，適用于小面積的光伏組件。爬行類清潔機(jī)器人可通過規(guī)劃好的軌跡在光伏組件表面進(jìn)行除塵，但其作業(yè)面積受限且在不同光伏方陣間移動時(shí)需要人工干預(yù)，因此適用于面積較小的光伏方陣而不適用于大型地面光伏電站。軌道類清潔機(jī)器人是利用太陽能驅(qū)動清潔裝置沿安裝于光伏組件上下兩側(cè)的軌道運(yùn)動來完成除塵工作，該類機(jī)器人適用于安裝環(huán)境較好的光伏組件，且只能完成軌道連續(xù)的光伏方陣的除塵工作，造價(jià)較高。

隨著智能控制及導(dǎo)航技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的融合，自動行走類清潔機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。自動行走類清潔機(jī)器人可按照設(shè)定路線自動完成光伏組件的除塵工作，其工作不受時(shí)間限制、能適應(yīng)復(fù)雜的路面工況、可在光伏方陣間工作自如，克服了上述其他清潔設(shè)備的缺點(diǎn)，適用于大型地面光伏電站的除塵工作。另外，該類機(jī)器人可與攝像機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對光伏組件狀態(tài)的巡檢，同時(shí)，與除草機(jī)構(gòu)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對地面雜草的清除。因此，自動行走類清潔機(jī)器人是一種具有廣闊應(yīng)用前景的多功能自主除塵的機(jī)器人。

3 結(jié)論

光伏組件表面的積塵是影響其輸出功率的重要因素，本文分析了光伏組件表面的積塵量對光伏電站發(fā)電量的影響，并對除塵可提高的光伏電站發(fā)電量與增加的收益進(jìn)行了計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1)長年的積塵可導(dǎo)致光伏組件輸出功率平均降低17%；定期清潔使光伏組件表面積塵量小于30 g/m2，則可提高光伏組件輸出功率9.8%以上。

2)按月發(fā)電量提高了6.4%計(jì)算，裝機(jī)容量為50 MW的光伏電站的年收益可增加455.31萬元。

3)可適應(yīng)復(fù)雜路面情況的自動行走類清潔機(jī)器人是大型地面光伏電站清潔設(shè)備的發(fā)展方向。