甘肅省光伏發(fā)電站的積塵特點(diǎn)及清洗方式研究

郭 豹，劉 楊，葉 燁，李修樹，楊靜安

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

作為一種重要的可再生能源，太陽能具有分布范圍廣、綠色低碳和清潔等特點(diǎn)。近些年來，隨著技術(shù)水平的提高，光伏發(fā)電的裝機(jī)容量大幅提升[1-2]，2021年和2022年，我國光伏新增裝機(jī)分別達(dá)到了5 488萬、8 741萬kW[3]。伴隨光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，電站運(yùn)維面臨的一些問題開始凸顯[4]，其中重要的一個(gè)方面是光伏組件表面的積塵。積塵不僅會(huì)降低組件上玻璃的透光性，也會(huì)對光伏組件功率和散熱產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致熱斑效應(yīng)[5]，對組件造成損害。對光伏電站的積塵特性和清潔方式進(jìn)行研究，對于提升光伏電站的運(yùn)維和管理水平，提高運(yùn)行收益[6-7]具有重要的意義。

針對光伏積塵及清潔方式，國內(nèi)外學(xué)者開展了不同方面的研究。Mekhilef等[8]研究了積塵程度、濕度和空氣流速對于光伏組件效率的影響，發(fā)現(xiàn)幾種因素會(huì)相互作用，共同對組件效率產(chǎn)生影響。吳穎超[9]分析了積塵量對光伏組件輸出功率的影響，指出長年的積塵對光伏組件的功率影響可達(dá)17%，并根據(jù)積塵以及清洗的情況分析了清洗的收益情況。曲宏偉等[10]通過理論和試驗(yàn)方法研究了積塵對光伏組件的短路電流、開路電壓的影響問題。余操等[11]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同輻射強(qiáng)度下，清潔的增益效果有較大區(qū)別，在200 W/m2以上的輻射強(qiáng)度下，上午的清潔增益更高。董伯先[12]對介紹了目前光伏電站清潔的各類技術(shù)類型，對各類技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行比較，并指出未來清潔技術(shù)的發(fā)展方向。

盡管目前針對光伏組件積塵和清潔方式方面已經(jīng)開展了的較多的研究，但目前多數(shù)研究的電站樣本數(shù)量偏少，對于不同地區(qū)、不同電站還缺少較系統(tǒng)的比較，因此無法提出區(qū)域性的針對措施。此外，由于影響電站積塵的因素較多，而我國不同地區(qū)地理、環(huán)境、水資源情況的區(qū)別較大，因此電站實(shí)際應(yīng)采取的清洗策略也需要結(jié)合水源獲取的難易程度、清洗成本、天氣、清洗收益等因素綜合考慮，針對實(shí)際電站展開的研究仍然不夠充分。

甘肅省作為我國重要的新能源基地，太陽能資源豐富，且具有基地化、規(guī)?；_發(fā)條件，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，目前已經(jīng)建成了張掖、金昌、武威、酒泉等幾個(gè)百萬千瓦級光伏建設(shè)基地。但與此同時(shí)，由于地理位置的特殊性，甘肅光伏電站易受沙塵影響而產(chǎn)生較嚴(yán)重的積塵，清洗方式也受到地理位置偏遠(yuǎn)、水資源稀缺等因素限制。本文針對甘肅省不同地區(qū)的光伏電站的實(shí)際情況，對電站的積塵特點(diǎn)以及目前實(shí)際采用的清潔方式、頻率，成本和用水量等內(nèi)容開展研究，然后結(jié)合電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)對主要清潔方式的實(shí)際效果進(jìn)行分析，最后結(jié)合不同地區(qū)的水資源情況、積塵情況等對清洗方式的改進(jìn)提出建議。

1 積塵的形成及類型

一般來說，灰塵可主要分為有機(jī)灰塵和無機(jī)灰塵。有機(jī)灰塵多是生物源的，其來源包括如植物、動(dòng)物、微生物等生物，無機(jī)灰塵多為非生物型的，其來源包括土壤、巖石等。由于來源的不同，不同地區(qū)灰塵的物理和化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出較大區(qū)別。從物理性質(zhì)來說，不同類型的灰塵的粒徑、形狀、密度、透光性會(huì)有明顯不同；而從化學(xué)性質(zhì)來說，不同灰塵的酸堿性、腐蝕性也可能表現(xiàn)出差異。

在自然界中，灰塵的運(yùn)動(dòng)主要由風(fēng)、雨、雪等自然活動(dòng)驅(qū)動(dòng)：當(dāng)光伏板阻擋灰塵的運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分灰塵會(huì)在風(fēng)力、重力、靜電力等作用下沉積，從而形成積塵。從形成過程來區(qū)分，積塵可以分為以下幾種類型。

(1)干燥型積塵。在重力、范德華力、靜電力、摩擦力等作用下，灰塵在光伏板表面保持受力平衡從而停留在表面形成積塵，此種灰塵可稱為干燥型積塵，清理難度較低。

(2)潤濕性積塵。遇到雨水、露水或雪時(shí)，光伏板表面產(chǎn)生的水流攜帶灰塵流動(dòng)，被邊框阻擋后積存，在水分蒸發(fā)后將形成一定大小的積塵帶，這種積塵較難清理。

(3)生物活動(dòng)型積塵。由于鳥類等生物活動(dòng)，其糞便也可能粘附在光伏板上，形成難以清理的積垢。

(4)腐蝕性積塵?；覊m含有有機(jī)或無機(jī)化學(xué)成分時(shí)，有些呈酸性，當(dāng)灰塵通過縫隙進(jìn)入組件內(nèi)部時(shí)可能與內(nèi)部的金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或腐蝕作用，從而使組件產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

這幾種灰塵的典型形態(tài)如圖1所示。

圖1 不同類型的積塵

2 積塵對光伏組件的影響

(1)遮擋效應(yīng)。一方面光伏組件長時(shí)間置于空氣中，空氣中的塵埃會(huì)大量覆蓋在光伏組件表面并阻擋了部分太陽輻射量，導(dǎo)致照射到光伏組件表面的有效面積減少；另一方面，灰塵會(huì)影響光伏組件表面玻璃的透射率，灰塵的沉積厚度越大，面板的透射率越低，其吸收的太陽輻射也越低。光伏組件接受的太陽輻照量減少，光伏發(fā)電效率隨之下降。

(2)溫度效應(yīng)。當(dāng)光伏組件部分面積受到灰塵遮擋時(shí)，被遮擋的部分不能正常工作，同時(shí)還會(huì)阻擋熱量向外傳遞。經(jīng)過長時(shí)間的太陽光照射，被遮蓋的光伏組件由于熱量不能及時(shí)向外傳遞致使其溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有被灰塵遮蓋的部分，溫度過高時(shí)光伏組件表面會(huì)出現(xiàn)燒壞的暗斑，暗斑嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光伏組件大面積損壞。

(3)腐蝕效應(yīng)。因灰塵的成分比較復(fù)雜，有的是酸性物質(zhì)，當(dāng)灰塵或者潮濕的水氣通過縫隙入侵到內(nèi)部時(shí)，光伏組件可能會(huì)產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致組件的損傷。

3 光伏組件的清洗方法

定期對光伏組件進(jìn)行清潔，對于提升電站的效益具有重要意義。根據(jù)清潔方式和手段的不同，光伏組件除塵的方法主要包括以下幾種。

3.1 自然除塵法

利用大自然的降雨、降雪、風(fēng)力等實(shí)現(xiàn)光伏面板的自潔，其缺點(diǎn)在于隨機(jī)性大，需要自然的風(fēng)、雨條件，對于某些特定種類的積塵、清潔效果不佳。

3.2 人工除塵

人工除塵是光伏板清潔的最為傳統(tǒng)方式之一，使用的方式包括刷子直接清潔、濕拖布清潔、使用噴頭人工噴淋，以及灑水車噴淋清潔等，如圖2所示。人工清潔的優(yōu)勢在于操作簡單，效果好，但其缺點(diǎn)在于耗水量大，人工成本相對較高。

圖2 人工除塵的幾種方式

3.3 機(jī)器人除塵

機(jī)器人除塵自動(dòng)化程度高，可以提高效率、減少人力。在工作過程中，大部分種類的機(jī)器人可以利用太陽能充電，并使用刷子、軟纖維或氣流來除塵。清洗機(jī)器人的類型眾多，部分機(jī)器人采用了無水刷除的方式工作，這樣可以節(jié)省水資源。機(jī)器人除塵的缺點(diǎn)在于初期投入成本高、維護(hù)較為復(fù)雜，存在一定的故障率，對于場區(qū)不規(guī)整、起伏落差大的光伏場區(qū)適用性不佳。

3.4 其他除塵方式

除了上述幾種清潔方式外，還有其他的一些除塵技術(shù)：在光伏板上安裝的自動(dòng)噴淋頭[14]；基于電磁或超聲波技術(shù)開發(fā)的除塵設(shè)備[15]；光伏表面的自清潔技術(shù)等[16]。這些技術(shù)都有各自的局限性，如有些成熟度不高，目前尚未得到廣泛的應(yīng)用。

4 甘肅不同地區(qū)積塵特點(diǎn)和清洗方式研究

水洗是光伏電站清潔的主要方式之一。甘肅省的水資源分布呈現(xiàn)南北差異大的特點(diǎn)，南部水資源相對豐富，北部水資源極為匱乏。對于北部區(qū)域，光伏清洗受水源限制較多，因此研究主要針對甘肅中部和北部區(qū)域，涉及武威、張掖、嘉峪關(guān)、酒泉等幾個(gè)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)較為集中的地區(qū)。共選取了9個(gè)電站，電站位置如圖3所示。

圖3 研究電站位置(星型標(biāo)記為電站所處位置)

圖4為所研究部分電站的積塵照片?？梢钥闯?，當(dāng)遭遇沙塵或長時(shí)間不清理時(shí)，光伏組件將受到灰塵的嚴(yán)重影響，幾乎所有的表面都將被較厚的灰塵層覆蓋，如圖4a所示。此外，不同電站的積塵均以干燥型積塵為主，僅圖4c邊框區(qū)域存在極為少量的潤濕型積塵；而不同電站的積塵粒徑也表現(xiàn)出區(qū)別，如圖4d的積塵粒徑更大。

圖4 不同地區(qū)電站的組件積塵形式

電站清洗方式、頻次、成本和用水量等信息如表1所示。從清洗方式可以看出，所有的電站均采用了水洗進(jìn)行清潔，而灑水車的應(yīng)用最為普及，在9個(gè)電站中均有應(yīng)用。分析原因是因?yàn)楦拭C省積塵以干燥普通型為主，水洗效果好，且電站地形相對平整規(guī)則，場區(qū)道路的行車條件好，灑水車的噴灑式清潔可以極大地提高清潔效率，降低清洗成本。

表1 甘肅不同地區(qū)電站的清潔方式

從清洗頻率來看，9個(gè)電站每年至少清理4次，甘肅東西不同地區(qū)電站的清洗頻次表現(xiàn)出較大差異。甘肅西部的酒泉、嘉峪關(guān)地區(qū)電站明顯偏多，部分電站的清洗頻率甚至達(dá)到一月一次；武威和張掖地區(qū)電站的清洗頻次相對偏低，一部分原因在于這些區(qū)域會(huì)有季節(jié)性降雨或降雪，起到了自然清潔的作用。

從用水量可以看出，不同電站單位MW的用水量存在較大區(qū)別，最低值約為5 m3，最高值則達(dá)到11.5 m3左右。影響清潔用水量有2方面因素，一是清潔水車的性能和噴灑方式不同(如圖5所示)，二是組件規(guī)格、積塵的嚴(yán)重程度有所不同。

圖5 2種不同的噴灑形式

從清洗成本來看，單位MW的清洗費(fèi)用最低為600元，最高1 400元。造成清洗費(fèi)用差別的主要有2個(gè)因素，一是因電站所處位置不同而導(dǎo)致人工成本差異，二是電站附近水源的緊缺程度產(chǎn)生的用水成本差異。在馬鬃山地區(qū)，水源成本本身較高，加之電站遠(yuǎn)離水源地，部分電站單次取水需要往返100 km，水費(fèi)和交通費(fèi)用都會(huì)導(dǎo)致清洗成本有比較大的增加，該地區(qū)用水成本已經(jīng)超過了人工成本。

對于所研究的樣本電站，除了水洗和自然清洗2種方式，也有部分電站對部分方陣使用干掛式清潔機(jī)器人對光伏板進(jìn)行清潔測試，如圖6所示。機(jī)器人的清洗效果明顯，部分機(jī)器人無需用水，未來推廣潛力巨大，但目前仍面臨初期投資成本高，長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏等問題，可靠性、穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 機(jī)器人清洗效果

5 不同清洗方式的實(shí)際效果分析

從不同地區(qū)電站清洗的方式來看，灑水車清洗和自然清洗是甘肅省內(nèi)電站清洗所采用的主要的清潔手段，本節(jié)結(jié)合電站實(shí)際運(yùn)行情況對這2種清理方式的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

由于光伏組件的單日發(fā)電量受輻照度最大值、變化趨勢、空氣溫度、遮擋、積塵程度等多個(gè)因素影響，研究電站灰塵的實(shí)際清洗效果時(shí)，難以找到完全一致的外部條件，因此本文采用了單日峰值功率對比法來進(jìn)行研究。這是因?yàn)榉逯倒β蕿樗矔r(shí)值，直接反映出光伏組件的最大發(fā)電能力，可以消除輻照度、溫度等時(shí)變特性的影響，可相對準(zhǔn)確地反映清洗效果。

5.1 案例1——光伏電站自然降雪清洗效果分析

自然降水清洗主要是指光伏組件通過風(fēng)、雨、雪等消除積塵的過程。其中，降雪的清理主要是通過積雪熔化帶走灰塵。張掖肅南99.5 MW電站一期裝機(jī)總?cè)萘繛?0 MWp，電站容配比為1。1月22日和2月16日遭遇了降雪，2次降雪間隔近1個(gè)月，期間無其他降雨或降雪，可以用來分析自然積塵一個(gè)月內(nèi)降雪的清潔效果。圖7a給出了2月16日降雪當(dāng)日和前后5 d電站峰值功率的變化。

圖7 降雪的清潔作用

從圖7a可以看出，降雪日電站的峰值功率為7.8 MW，相比雪前有了大幅的降低，說明降雪天氣對電站發(fā)電的影響非常顯著。降雪前5 d期間，最大的峰值功率為41.81 MW，出現(xiàn)在2月14日；降雪后的最大峰值為44.92 MW，出現(xiàn)在2月19日。降雪清潔使電站峰值功率增加了3.11 MW，提升了約7.4%。

圖7b給出了雪后光伏組件的狀態(tài)，在熔化雪水的作用下，組件大部分區(qū)域表面已經(jīng)變?yōu)榍鍧嵉臓顟B(tài)，融雪表現(xiàn)出良好的清潔能力。但也值得注意，仍有部分組件表面有少量積雪堆積，這些局部的積雪也需盡快清理，否則容易導(dǎo)致局部熱斑的現(xiàn)象，危害光伏組件的安全運(yùn)行。

5.2 案例2——水洗的實(shí)際效果分析

為了研究灑水車的實(shí)際清理效果，以甘肅敦煌地區(qū)20 MWp的光伏電站作為研究對象，該電站自備水車、每月對光伏板進(jìn)行一次清理。整個(gè)電站的單次清理時(shí)間約7 d到10 d不等，清理時(shí)間較長，期間組件會(huì)持續(xù)受到沙塵和其他環(huán)境的影響。為了更準(zhǔn)確地比較灑水車的清理效果，選取一個(gè)方陣作為試驗(yàn)組使用灑水車清潔，另一方陣作為對照組保持自然積塵狀態(tài)，通過逆變器讀取2個(gè)方陣每日的發(fā)電數(shù)據(jù)。圖8給出了單元單日的峰值功率隨積塵時(shí)間的變化情況。

圖8 清洗與未清洗方陣單日的峰值變化

從圖8可以看出，在3月20日清洗后的10 d內(nèi)，清洗方陣的峰值功率都明顯的高于未清洗方陣。清洗后5日內(nèi)，峰值功率最大提升了39 kW，約為9.98%。隨著時(shí)間的增加，2個(gè)方陣最大峰值逐漸接近，4月5日2個(gè)方陣峰值功率偏差降低為3.1%。

5.3 清洗方式的選擇和經(jīng)濟(jì)性比較

從上述案例看出，自然清洗和水洗的效果均可以達(dá)到較好的效果，都應(yīng)該重視其對在保障電站經(jīng)濟(jì)效益上的作用。此外，從案例2可以看出，在未經(jīng)沙塵等極端天氣時(shí)，單次清洗的效果可保持10 d以上。考慮到大部分電站的直流側(cè)存在一定超裝，按1.2容配比計(jì)算，在光伏組件不衰減情況下，可允許直流側(cè)峰值功率降低近20%，因此大部分電站的清洗無需過分頻繁。

當(dāng)采用機(jī)器人清洗時(shí)，由于所需機(jī)器人數(shù)量多，單價(jià)較高，當(dāng)前50 MW的電站機(jī)器人初始投資成本約為900萬元。相比之下，用水成本低的區(qū)域單次人工清洗成本最低僅約3萬元，機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)效益不突出，但在水洗成本高的區(qū)域更具推廣價(jià)值。

6 結(jié)論與建議

本文對針對甘肅武威、張掖、嘉峪關(guān)和酒泉幾個(gè)地區(qū)光伏電站的組件的積塵和清潔情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括清潔方式、清潔頻次、清潔用水量和清潔成本等，共選取9個(gè)樣本電站。然后結(jié)合2個(gè)電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對不同清潔手段的實(shí)際效果進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：

(1)水洗是目前甘肅省光伏電站廣泛應(yīng)用的清洗方式，而灑水車噴洗具有較高的普及率。在清洗用水量方面，根據(jù)水車設(shè)計(jì)、光伏組件型號和積塵程度的不同，單位MW用水量在4.5～11.5 m3之間。

(2)水洗可以有效的對積塵進(jìn)行清理，自然降水清洗和人工清洗均可以得到較好的清理效果。在自然積塵近一個(gè)月后，兩種方式分別可以提升約7.4%和9.98%的峰值功率。對于降水相對較多的甘肅南部地區(qū)，應(yīng)合理地結(jié)合自然降水情況制定清洗計(jì)劃，從而有效降低清洗成本。

(3)甘肅省不同地區(qū)的光伏清洗成本具有較大差異，當(dāng)水源成本和取水交通成本較高時(shí)，取用水成本將明顯提升，甚至超過人工費(fèi)用，在這些地區(qū)推廣節(jié)水的新型清潔技術(shù)具有重要意義。其中，干洗機(jī)器人清洗效果明顯，在缺水的甘肅北部長期使用時(shí)具有成本優(yōu)勢，推廣潛力較大。