基于沙塵惡劣環(huán)境下光伏電站電量提升的研究

王登杰，顏魯薪

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

0 引 言

光伏發(fā)電作為非常重要的可再生能源利用形式，已經(jīng)受到世界各個(gè)國(guó)家的高度關(guān)注。根據(jù)國(guó)家能源局日前所公布的2021年光伏發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)，截至2021年，我國(guó)光伏發(fā)電新增并網(wǎng)容量已達(dá)5 488萬(wàn) kW，其中集中式光伏電站2 560.07萬(wàn) kW，分布式光伏2 927.9萬(wàn) kW，與2020年相比較仍然處于上漲態(tài)勢(shì)。當(dāng)前我國(guó)所建成的大型地面光伏電站大多數(shù)都被建設(shè)在氣候環(huán)境相對(duì)較差且地理位置比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，其日常運(yùn)行中的運(yùn)維工作難度較高，尤其是在沙塵惡劣天氣中，光伏組件表面的積塵會(huì)大幅度影響光伏電站的整體發(fā)電量。因此，在沙塵惡劣天氣中，如何清理光伏組件上的積塵，已經(jīng)成為保障光伏電站發(fā)電量的重要途徑。

1 電站基本情況

本電站位于沙漠地帶，地勢(shì)空曠，周圍環(huán)境多變，受風(fēng)向、沉積在組件上的沙塵量、地濕等因素的影響。待測(cè)實(shí)驗(yàn)電站裝置選為額定功率為1.5 kW多晶硅光伏組件，12 V/25 Ah太陽(yáng)能膠體電池，3 kW光伏逆變器。

2 沙塵惡劣天氣對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響

光伏電站在運(yùn)行過(guò)程中，光伏組件通過(guò)吸收太陽(yáng)光，將光能轉(zhuǎn)化為電能，而影響電站整體發(fā)電量的誘因主要有光伏組件的裝機(jī)容量、峰值小時(shí)數(shù)以及系統(tǒng)的運(yùn)行效率等。當(dāng)光伏電站選址施工，竣工投入運(yùn)行后，前兩個(gè)影響因素已經(jīng)基本確定，要想提升光伏電站的整體發(fā)電量，相關(guān)技術(shù)人員需從提升系統(tǒng)運(yùn)行效率的方面入手[1]。

通常來(lái)說(shuō)，影響光伏組件系統(tǒng)效率的主要因素有以下幾個(gè)方面。

（1）自然環(huán)境因素。光伏電站所處地理位置的氣候環(huán)境、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等自然條件都會(huì)對(duì)光伏電站產(chǎn)生決定性影響。

（2）設(shè)備因素。如光伏組件的自身性能、相關(guān)構(gòu)件的運(yùn)行效率、直交流線線損情況等。但設(shè)備原因受產(chǎn)品自身型號(hào)與參數(shù)的限制，可優(yōu)化空間相對(duì)較小[2]。技術(shù)人員需結(jié)合光伏電站所處環(huán)境的氣候特點(diǎn)，做好對(duì)光伏組件的運(yùn)維工作，進(jìn)而提升光伏電站的發(fā)電量。

本文所述案例地處沙漠地區(qū)，經(jīng)常會(huì)面臨周期較長(zhǎng)的惡劣沙塵天氣。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，沙塵天氣中彌漫的細(xì)小顆粒物會(huì)累積在光伏組件的表面，久而久之在其表面形成積塵。通過(guò)對(duì)該光伏電站的氣象環(huán)境以及發(fā)電量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光伏組件表面的積塵量會(huì)對(duì)組件整體發(fā)電量產(chǎn)生直接影響[3]。表1為該光伏電站階段性氣象情況。

表1 光伏電站階段性氣象數(shù)據(jù)

本文所述案例中的光伏組件為晶體硅光伏組件，通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，最終得單位面積內(nèi)的光伏組件輸出功率與積塵量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 單位面積內(nèi)的光伏組件的輸出功率與積塵量之間的關(guān)系

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可知，光伏組件在運(yùn)行過(guò)程中，其自身的輸出功率會(huì)隨著其表面積塵量的不斷提升而逐漸下降[4]。當(dāng)光伏組件的積塵量達(dá)到100 g/m2時(shí)，光伏組件的輸出功率僅為24 kW，因此，在惡劣沙塵環(huán)境中，要想有效提升光伏電站的發(fā)電量，做好光伏組件表面清理工作具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。圖2為表面干凈的光伏組件與表面布滿沙塵的光伏組件在同一時(shí)期內(nèi)的輸出功率情況[5]。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，布滿積塵的組件在運(yùn)行中，其輸出功率與表面潔凈的組件相比下降了24.05%。

圖2 有無(wú)積塵的光伏組件時(shí)刻輸出功率曲線圖

以本文所述案例為例，該光伏電站安裝的光伏組件容量為50 MW，該光伏電站的月發(fā)電量計(jì)算公式為

式中：W為光伏電站的月發(fā)電量；Q為該地區(qū)日均太陽(yáng)輻射總量；n為自然月中的自然天數(shù)；A為光伏電站中所有光伏組件的表面積之和，本文案例中光伏組件的表面積為250.3 km2；μ為光電轉(zhuǎn)換率，結(jié)合上述案例所在地理區(qū)域以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)值取13%[6]。分別將積塵量為100 g/m2、30 g/m2時(shí)的光伏組件運(yùn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入到以上公式，最終得到的數(shù)據(jù)如表2所示。由上述數(shù)據(jù)可知，在惡劣沙塵天氣中，做好對(duì)光伏組件表面積塵的清理，能夠有效提升整個(gè)光伏電站的發(fā)電量。

表2 提升光伏組件表面清潔度后光伏電站發(fā)電量變化（單位：萬(wàn) kW·h）

3 沙塵惡劣環(huán)境中提升光伏電站發(fā)電量的有效策略

我國(guó)大部分光伏電站都被建設(shè)在具有豐厚太陽(yáng)能資源的沙漠地帶，因此要想保障光伏電站的整體發(fā)電量，應(yīng)對(duì)其開(kāi)展定期除塵工作[7]。在此過(guò)程中技術(shù)人員可運(yùn)用以下幾個(gè)方式開(kāi)展該項(xiàng)工作。

3.1 加裝清潔裝置進(jìn)行除塵

以往光伏組件除塵需運(yùn)用人工手持式除塵設(shè)備，需要工作人員手持除塵設(shè)備至光伏組件表面對(duì)其進(jìn)行清理。但該種清理方式需要消耗大量的人力成本，且清潔效率相對(duì)較低，危險(xiǎn)系數(shù)較高，因此現(xiàn)階段很少運(yùn)用該種清潔方式。運(yùn)用加裝清潔裝置對(duì)該設(shè)備進(jìn)行除塵是當(dāng)前應(yīng)用相對(duì)廣泛的清理方式，圖3為該種清潔方式的現(xiàn)場(chǎng)施工畫(huà)面。在實(shí)際施工中，技術(shù)人員需將清潔裝置安裝在運(yùn)輸車或者其他機(jī)械設(shè)備中，通過(guò)對(duì)光伏組件進(jìn)行水洗或者干掃，進(jìn)行除塵，效果明顯[8]。該種清潔方式的優(yōu)勢(shì)明顯，相關(guān)采購(gòu)部門只需要采購(gòu)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的循環(huán)使用，有效降低在除塵工作中的整體投資費(fèi)用。但在采購(gòu)中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械的動(dòng)力，保障工程機(jī)械與清理設(shè)備之間的動(dòng)力相匹配。且在實(shí)際除塵中，應(yīng)由專業(yè)駕駛?cè)藛T進(jìn)行駕駛操作，避免由于操作不當(dāng)造成光伏組件被破壞的現(xiàn)象[9]。

圖3 加裝機(jī)械設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)畫(huà)面

3.2 運(yùn)用清潔機(jī)器人進(jìn)行除塵

清潔機(jī)器人是現(xiàn)階段光伏組件除塵工作中所應(yīng)用的全新的除塵設(shè)備。根據(jù)工作方式的不同，可將該設(shè)備劃分為飛行類、爬行類、軌道類以及自動(dòng)行走類。其中，飛行類機(jī)器人其主要工作原理是在無(wú)人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，在該設(shè)備尾部安裝一個(gè)體積較小的清潔裝置，在實(shí)際工作中可清理一些大型清潔設(shè)備無(wú)法覆蓋的死角位置，對(duì)于一些面積較小的光伏組件具有較高適用性。爬行類對(duì)比工作原理與智能化掃地機(jī)器人極為相似，相關(guān)技術(shù)人員需在實(shí)際應(yīng)用前制定好該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，在其運(yùn)行中可按照既定軌跡進(jìn)行除塵[10]。但該設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，其作業(yè)范圍具有較高局限性，在對(duì)不同的光伏方陣進(jìn)行除塵時(shí)，需要人為干預(yù)，因此對(duì)于一些面積較大的光伏電站，所需成本相對(duì)較高。軌道類設(shè)備其主要作業(yè)原理為，在光伏組件上下兩側(cè)安裝軌道，并將太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)清潔裝置安裝在軌道上完整除塵工作。該類設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，在室外條件較好的情況可順利完成除塵工作，但遇到惡劣天氣極易發(fā)生故障，而且僅可在連續(xù)的光伏組件上完成除塵。而自動(dòng)行走型機(jī)器人能夠按照相關(guān)技術(shù)人員既定的作業(yè)路線完成相應(yīng)的除塵工作，且能夠在惡劣天氣中完成除塵工作，其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中即使遇到相對(duì)比較復(fù)雜的地理環(huán)境，也能夠完成清理工作，對(duì)于面積較大的光伏電站，具有比較理想的應(yīng)用效果。另一方面，自動(dòng)行走型清潔機(jī)器設(shè)備中還可安裝相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，在其除塵過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，最大限度保障光伏組件的順利運(yùn)行。

4 結(jié) 論

綜上所述，在光伏電站實(shí)際運(yùn)行中，在惡劣沙塵天氣條件下組件表面的積塵是影響光伏電站發(fā)電量的重要因素之一。本文主要以我國(guó)某一光伏電站為例，重點(diǎn)分析并計(jì)算積塵對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響情況，探討了清除光伏組件積塵的有效策略。