水清潔對(duì)光伏組件輸出功率的影響

閆夢(mèng)迪，錢(qián)亞楠，朱玉婷

(1. 華北電力大學(xué)(保定)動(dòng)力工程系，保定 071003；2. 華北電力大學(xué)(保定)電力工程系，保定 071003)

0 引言

光伏發(fā)電作為一種新興能源技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。從光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模可以看出，近年來(lái)中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛：2010—2020年，中國(guó)的光伏組件產(chǎn)能從20 GW增至192.7 GW，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到25.4%[1]。但是目前光伏組件的清潔技術(shù)尚未成熟，難以同時(shí)滿足提高清潔效率和降低清潔成本的要求，因此需要制定合理的清潔方案，進(jìn)一步提高光伏組件的輸出功率。因此，研究清潔用水量及積水殘留對(duì)光伏組件造成的影響具有重要意義。

光伏組件表面清潔度對(duì)其輸出功率有重要影響，因此在環(huán)境較濕潤(rùn)地區(qū)的清洗頻率一般為3～5個(gè)月清洗1次，在環(huán)境較干燥地區(qū)的清洗頻率一般為每月清洗1次。據(jù)此，光伏組件的清潔市場(chǎng)廣闊[2]，并且實(shí)現(xiàn)清潔裝置的低成本和高效率運(yùn)行具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

檢索文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有的光伏組件清潔方法主要包括：1)自然除塵法。該方法是利用大自然的降雨、風(fēng)力對(duì)光伏組件進(jìn)行自然清潔，但僅適用于年降水量為800～1000 mm的中國(guó)南方地區(qū)，具有較強(qiáng)的地域局限性。2)人工清潔法。該方法是目前中國(guó)許多光伏電站主要采用的清理方式[2]，是通過(guò)人工使用水槍或滾刷、清潔布對(duì)光伏組件進(jìn)行清潔[3]，操作簡(jiǎn)單，但人工清理勞動(dòng)強(qiáng)度大，高壓水槍的沖擊力也可能對(duì)光伏組件造成損害。3)車載移動(dòng)式清洗機(jī)。徐巧年等[4]認(rèn)為，采取車載移動(dòng)式清洗機(jī)適合沙塵多且遠(yuǎn)離水源的自然環(huán)境，使用便捷且利于節(jié)約用水，具有較高的清潔效率。但是車載組件清潔車體積大、售價(jià)昂貴，只能局限于大型平原地面光伏電站應(yīng)用，不能普遍投入使用，而且機(jī)械類清潔裝置存在綜合功耗大、智能化程度不高等問(wèn)題。4)無(wú)水除塵。汪繼偉等[5]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電簾除塵技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的光伏組件上已經(jīng)得到成功應(yīng)用。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)水化清潔，清潔效率高，但是該技術(shù)的成本較高，僅適用于面積較小的光伏組件，對(duì)目前大型光伏電站并不適用。王哲等[6]利用伯努利“邊界層表面效應(yīng)”及吸塵器原理研究了一種光伏組件無(wú)水清潔自動(dòng)裝置。姜振海等[7]對(duì)光伏組件無(wú)水除塵裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元仿真法驗(yàn)證上端限位系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度，對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行除塵試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了除塵率最高時(shí)該裝置的工作參數(shù)。李楓[8]設(shè)計(jì)了一種干式除塵的光伏組件清潔機(jī)器人，依靠真空負(fù)壓作用，使其能在無(wú)水、無(wú)清潔劑條件下快速完成清潔工作，但無(wú)水清潔的除塵、除污效果，清潔效率，可靠性都有待研究進(jìn)一步改進(jìn)。

積水及清潔效果都會(huì)對(duì)光伏組件的輸出功率產(chǎn)生直接的影響，由于積灰的成分復(fù)雜，當(dāng)積灰沉積過(guò)程中碰到空氣中的水蒸氣或受降水影響，會(huì)在光伏組件表面產(chǎn)生酸堿反應(yīng)腐蝕光伏玻璃蓋板，使太陽(yáng)光線發(fā)生漫反射現(xiàn)象；若降水后在光伏組件表面有水珠聚集，會(huì)造成光線發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，破壞玻璃蓋板中光線傳播的均勻性。這些影響都會(huì)減少光伏組件對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，降低其輸出功率[9]。

用水除塵仍是目前清潔光伏組件的一種重要方法，但積水及清潔效果都會(huì)對(duì)光伏組件的輸出功率產(chǎn)生直接的影響?；诖耍疚膹墓?jié)約用水和高效清潔的角度，考慮不同地區(qū)光伏組件上積灰類型的差別，設(shè)計(jì)了2種光伏組件初始附著物不同的水清潔實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析不同灑水量所得出的光伏組件輸出功率，確定水清潔光伏組件所需的合理用水量，并探究積水殘留對(duì)光伏組件的影響。

1 降塵對(duì)光伏組件輸出功率影響的實(shí)驗(yàn)方案

1.1 撒沙實(shí)驗(yàn)方案

1.1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為河南省許昌市襄城縣財(cái)政局樓頂。實(shí)驗(yàn)選用1塊尺寸為332 mm×205 mm的光伏組件。實(shí)驗(yàn)前將光伏組件表面擦拭干凈，選取陽(yáng)光充足的正午12:00將光伏組件朝南放置，考慮全年綜合效率的光伏組件最佳安裝傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥?，即光伏組件以傾斜33.8°放置[10]。

根據(jù)光伏組件初始狀態(tài)不同進(jìn)行2組撒沙實(shí)驗(yàn)。第1組撒沙實(shí)驗(yàn)為在光伏組件表面干燥的條件下撒沙(選用過(guò)篩后的細(xì)沙)，即向擦拭干凈的光伏組件表面直接撒沙；為使沙塵分布盡量接近自然情況，實(shí)驗(yàn)者站在距地面1 m的高處由上而下撒沙；撒沙完畢后使用萬(wàn)用表(3-1/2位600 V DL8490)測(cè)量光伏組件的電流及電壓；然后用帶有刻度的噴壺(500 mL)向附有積沙的光伏組件噴水，模擬自然降水環(huán)境，每次噴水后及時(shí)測(cè)量和記錄光伏組件的電流及電壓；共進(jìn)行6次灑水實(shí)驗(yàn)，每次50 mL。第2組實(shí)驗(yàn)為在光伏組件表面濕潤(rùn)的條件下撒沙，即在干凈的光伏組件表面噴灑一定量的水后進(jìn)行撒沙。后續(xù)撒沙和灑水方式與第1組實(shí)驗(yàn)相同。

1.1.2 測(cè)試參數(shù)

光伏組件輸出功率P的計(jì)算式為：

式中：I0為撒沙后測(cè)得光伏組件的電流，A；U0為撒沙后測(cè)得光伏組件的電壓，V；P0為撒沙后測(cè)得光伏組件的輸出功率，W；In為第n次灑水后測(cè)得光伏組件的電流，A；Un為第n次灑水后測(cè)得光伏組件的電壓，V；Pn為第n次灑水后測(cè)得光伏組件的輸出功率，W。

通過(guò)噴壺上的刻度控制每次灑水量為50 mL，總灑水量為各個(gè)階段灑水量之和。

1.2 積灰實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為華北電力大學(xué)6號(hào)教學(xué)樓的樓層平臺(tái)處。實(shí)驗(yàn)選用2塊與撒沙實(shí)驗(yàn)規(guī)格相同的光伏組件，采取對(duì)照實(shí)驗(yàn)。其中，1號(hào)光伏組件為實(shí)驗(yàn)組件，用來(lái)進(jìn)行撒灰灑水等實(shí)驗(yàn)操作；2號(hào)光伏組件為對(duì)比組件，確保其表面干凈無(wú)積灰，從而達(dá)到對(duì)比分析的目的。實(shí)驗(yàn)前將2塊光伏組件表面擦拭干凈，選取陽(yáng)光充足的正午12:00將光伏組件朝南放置，考慮全年綜合效率的光伏組件最佳安裝傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥?，即光伏組件以傾斜38.8°放置[10]。

積灰實(shí)驗(yàn)選取的灰塵為自然降塵形成的小顆粒積灰，灰塵成分與光伏組件自然積灰成分相似。用電子天平稱量灰塵0.655 g，實(shí)驗(yàn)人員戴手套用手指將灰塵在1號(hào)光伏組件表面涂抹均勻，模擬在自然沉降下光伏組件的灰塵分布；然后用噴壺向1號(hào)光伏組件噴水10 mL，噴水后在水分未蒸發(fā)時(shí)測(cè)量1號(hào)和2號(hào)光伏組件的電流和電壓，并記錄數(shù)據(jù)；待1號(hào)光伏組件上水分蒸發(fā)后再次測(cè)量1號(hào)和2號(hào)光伏組件的電流和電壓，并記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共進(jìn)行5次灑水實(shí)驗(yàn)，每次灑水量為10 mL。

1.2.2 測(cè)試參數(shù)

光伏組件的相對(duì)輸出功率的計(jì)算式為：

通過(guò)噴壺上的刻度控制每次灑水量為10 mL，總灑水量為各個(gè)階段灑水量之和。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 撒沙對(duì)光伏組件輸出功率的影響

由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間較短，因此恒定實(shí)驗(yàn)期間的太陽(yáng)輻照度，用光伏組件功率定量觀測(cè)光伏組件的輸出功率。2組撒沙實(shí)驗(yàn)中光伏組件輸出功率隨灑水次數(shù)變化的曲線圖如圖1所示。

圖1 光伏組件輸出功率隨灑水次數(shù)變化的曲線圖Fig. 1 Curve of variation of PV modules output power with sprinkling times

從圖1可以看出：灑水前光伏組件輸出功率有較大幅度提升，灑水后光伏組件輸出功率變化幅度較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，并沒(méi)有隨灑水次數(shù)的增加而持續(xù)增加，反而隨著灑水次數(shù)的增加有一定程度的下降。但是，在第1組撒沙實(shí)驗(yàn)中，光伏組件輸出功率在首次灑水有較大幅度增長(zhǎng)(圖1a中0～1階段)；第2組撒沙實(shí)驗(yàn)為前2次灑水有較大幅度增長(zhǎng)(圖1b中0～2階段)。這是因?yàn)樵跒⑺跗?，光伏組件上的積沙被沖洗掉，光伏組件表面遮擋物減少，光伏組件單位面積上接收到的太陽(yáng)光增多，因此光伏組件輸出功率出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)。然而，隨著灑水次數(shù)的增加，當(dāng)光伏組件表面積沙被沖洗干凈，或少量積沙已經(jīng)不能對(duì)光伏組件的輸出功率產(chǎn)生明顯影響時(shí)，光伏組件輸出功率便不再隨著灑水次數(shù)的增多而增加。因此，可將光伏組件輸出功率有大幅度增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的灑水量視為該光伏組件達(dá)到清潔目的所需的清潔用水量。

第1次灑水后光伏組件上積沙基本清理干凈，但隨著灑水的進(jìn)行，水珠密集分布在光伏組件上，可推測(cè)水珠對(duì)光的反射和折射是導(dǎo)致后階段光伏組件輸出功率有所下降的主要原因。第1組撒沙實(shí)驗(yàn)中不同實(shí)驗(yàn)階段光伏組件的表面狀況如圖2所示。

圖2 第1組撒沙實(shí)驗(yàn)中不同實(shí)驗(yàn)階段光伏組件的表面狀況Fig. 2 Surface conditions of PV modules at different experimental stages in the first group of sanding experiment

第2組撒沙實(shí)驗(yàn)時(shí)，光伏組件表面的積沙量遠(yuǎn)多于第1組撒沙實(shí)驗(yàn)的積沙量，可知積沙量的增多導(dǎo)致了清潔用水量的增大。2組撒沙實(shí)驗(yàn)中光伏組件表面積沙狀態(tài)如圖3所示。

圖3 2組撒沙實(shí)驗(yàn)中光伏組件表面積沙狀態(tài)Fig. 3 Sand deposition state of PV modules surface in two groups of sanding experiments

綜上所述，第1組撒沙實(shí)驗(yàn)所需清潔用水量為50 mL，第2組撒沙實(shí)驗(yàn)所需清潔用水量為100 mL，即第2組撒沙實(shí)驗(yàn)所需清潔用水量多于第1組撒沙實(shí)驗(yàn)。

2組撒沙實(shí)驗(yàn)積沙量產(chǎn)生差異的原因在于光伏組件表面物理性質(zhì)對(duì)積灰沉積量的影響較大[11]。干燥的光伏組件表面較為光滑，對(duì)灰塵阻滯作用小，再加上光伏組件采用一定傾角放置，故體積較大的沙粒在自身重力的作用下沿光伏組件表面滾落，只有體積微小的沙粒能夠在光伏組件表面聚集，導(dǎo)致第1組撒沙實(shí)驗(yàn)的積沙量較少。相對(duì)于干燥的光伏組件，第2組撒沙實(shí)驗(yàn)時(shí)濕潤(rùn)的光伏組件表面殘留有小水珠，水珠使沙粒吸附性增強(qiáng)、受阻增大，導(dǎo)致在相同的撒沙情況下第2組撒沙實(shí)驗(yàn)的積沙量遠(yuǎn)多于第1組撒沙實(shí)驗(yàn)的。由此可知，相對(duì)于表面干燥的光伏組件，表面濕潤(rùn)的光伏組件更容易沉積沙粒等遮擋物。未擦除的積水會(huì)吸附沙粒等不易在干燥光伏組件表面沉積的附著物，導(dǎo)致光伏組件表面遮擋物增加，使光伏組件輸出功率降低。同時(shí)，表面附著物的增加會(huì)增大光伏組件的清洗難度，提高清潔成本，造成水資源的浪費(fèi)。

2.2 積灰對(duì)光伏組件輸出功率的影響

沙粒在干燥情況下會(huì)沿光伏組件表面滾落。相對(duì)于沙粒，灰塵憑借自身顆粒體積小、質(zhì)量輕、吸附性強(qiáng)的特點(diǎn)，即使在外力的作用下也不會(huì)輕易沿光伏組件表面滾落，而是沿力的作用軌跡呈現(xiàn)出不均勻的分布。光伏組件積灰狀態(tài)如圖4所示。

圖4 光伏組件積灰狀態(tài)Fig. 4 Dust accumulation state of PV module

積灰實(shí)驗(yàn)中，光伏組件的相對(duì)輸出功率隨灑水次數(shù)的變化曲線如圖5所示。

圖5 光伏組件相對(duì)輸出功率隨灑水次數(shù)的變化曲線Fig. 5 Curves of relative photoelectric conversion efficiency PV module with sprinkling times

從圖5可以看出：除第3次撒水可能因?yàn)椴僮魇д`造成的偏差之外，在其余灑水情況下，光伏組件水分未蒸發(fā)的相對(duì)輸出功率均低于水分蒸發(fā)后的相對(duì)輸出功率。5次灑水過(guò)程中，表面干燥的光伏組件平均相對(duì)輸出功率為0.93，表面附有水珠的光伏組件平均相對(duì)輸出功率為0.84，與表面干燥光伏組件相比，相對(duì)輸出功率損失9.74%。由此可知，光伏組件表面的水珠會(huì)造成光伏組件輸出功率的降低。

經(jīng)過(guò)對(duì)灑水過(guò)程的觀察可以發(fā)現(xiàn)：水清潔光伏組件的原理在于將灰塵融入水滴中，在水滴自身重力的作用下，包含著灰塵的水珠沿著光伏組件表面向下滾落，以灰塵隨水珠脫離光伏組件表面為目的，從而達(dá)到除塵的效果。若光伏組件表面水珠中還存有灰塵，則待水分蒸發(fā)后便會(huì)形成粘結(jié)積灰，進(jìn)一步增加清洗難度。光伏組件表面水分蒸發(fā)前、后對(duì)比如圖6所示。

從圖6可以看出：積灰吸附性較強(qiáng)，少量用水難以使積灰從光伏組件表面脫落，大量用水又會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，同時(shí)殘留在光伏組件上的積水會(huì)進(jìn)一步降低光伏組件的輸出功率，因此，水清潔后進(jìn)行光伏組件表面殘余積水的擦除具有重要意義。

圖6 光伏組件表面水分蒸發(fā)前后對(duì)比圖Fig. 6 Comparison before and after evaporation of water on the surface of PV modules

3 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)2種光伏組件初始附著物不同的水清潔實(shí)驗(yàn)，對(duì)光伏組件水清潔相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

1)相對(duì)于表面干燥的光伏組件，表面濕潤(rùn)的光伏組件由于沙粒吸附性增強(qiáng)且受阻增大的原因，更容易沉積沙粒等遮擋物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的撒沙情況下，第2組撒沙實(shí)驗(yàn)中濕潤(rùn)光伏組件上的積灰量多于干燥光伏組件上的積灰量。

2)雨水對(duì)光伏組件有遮擋效應(yīng)并且會(huì)加快光伏組件上灰塵的積累，進(jìn)而影響光伏組件的輸出功率。在積灰實(shí)驗(yàn)的5次灑水過(guò)程中，與表面干燥的光伏組件相比，表面附有水珠的光伏組件平均相對(duì)輸出功率損失9.74%。因此，光伏組件表面的水珠在一定程度上會(huì)影響光伏組件的輸出功率。

3)清潔光伏組件應(yīng)控制水量，光伏組件輸出功率大幅增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的水量即為該光伏組件達(dá)到清潔目的所需的合理用水量，用水過(guò)多不僅浪費(fèi)水資源，而且光伏組件殘余水滴所造成的能量損失會(huì)使光伏組件的輸出功率不升反降。撒沙實(shí)驗(yàn)后半階段光伏組件輸出功率隨著灑水次數(shù)的增加有一定程度的下降。由于過(guò)量的水珠會(huì)對(duì)光伏組件輸出功率產(chǎn)生負(fù)面影響，因此控制清潔水量十分關(guān)鍵。

本研究得出的結(jié)論對(duì)光伏組件水清洗具有一定的參考價(jià)值，有助于在節(jié)約水資源的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高光伏組件的輸出功率。