光伏電站組件清洗各種方案

1、光伏電站太陽(yáng)能組件各種清洗方案的討論光伏電站無論是余光互補(bǔ)，風(fēng)光互補(bǔ)，農(nóng)光互補(bǔ)，或者是屋頂電站，無論是電站建在哪里，都存在組件積灰的情況，那就存在組件清洗的問題。對(duì)于建成投運(yùn)光伏電站，電站的運(yùn)維是其高效安全運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。為了保證光伏電站的系統(tǒng)效率，提高電站發(fā)電量，應(yīng)該針對(duì)電站的環(huán)境和氣候條件因地制定合理的運(yùn)維方案，對(duì)于光伏電站都有重要意義。圖1 輻照度均勻性對(duì)光伏組件I-V的影響一、灰塵的來源和種類：1.1灰塵的來源：灰塵是細(xì)干而成粉末的土或其它物質(zhì)的，被化為微細(xì)部分的某物體。細(xì)的粉末，灰塵顆粒的直徑一般在百分之一毫米到幾百分之毫米之間，是人的肉眼看不見的。人的肉眼能看見的是灰塵中的龐

2、然大物?；覊m來自于工廠的排放，建筑工地的揚(yáng)塵，大風(fēng)卷起的塵土等。1.2積灰可以分為很多類，從灰塵對(duì)光伏發(fā)電工程影響的角度，從灰塵的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和積灰形態(tài)對(duì)積灰進(jìn)行了分類。1.2.1按物理性質(zhì)分類灰塵的物理性質(zhì)有很多，如顏色、粒徑、密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等。這些物理性質(zhì)與光伏工程緊密聯(lián)系的有灰塵粒徑和導(dǎo)熱系數(shù)。不同的灰塵粒徑存在著不同，常用粒徑分布某一粒子群中，不同粒徑所占比例，亦稱粒子的分散度。灰塵粒徑的不同對(duì)光伏板的遮擋也不同，因此從遮擋效應(yīng)來看，可以按灰塵的粒徑大小來區(qū)分灰塵，則可以分為粗灰塵和細(xì)灰塵。不同性質(zhì)灰塵的導(dǎo)熱系數(shù)也不盡相同，導(dǎo)熱系數(shù)的不同對(duì)光伏板的熱平衡產(chǎn)生影響，從而使得有

3、積灰光伏板的溫度與清潔光伏板溫度存在著差異，進(jìn)而影響發(fā)電效率，因此可以從灰塵的導(dǎo)熱系數(shù)方面來分，將灰塵分為強(qiáng)導(dǎo)熱灰塵和弱導(dǎo)熱灰塵。1.2.2按化學(xué)性質(zhì)分類灰塵的成分比較復(fù)雜，有些灰塵化學(xué)性質(zhì)比較不活潑，如黑炭顆粒、碳酸鈣和氫氧化鋁粉塵等，有些灰塵本身帶有酸性，例如硫酸煙霧、光化學(xué)煙霧，有些灰塵本身帶有堿性，如金屬氧化物顆粒、石灰石粉塵、水泥粉塵和許多路塵等，Darley試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥粉塵溶液的PH為12.0，并含有多種金屬和HSO4-離子，石灰石粉塵中也含有多種無機(jī)元素，路塵中含有高濃度的金屬鹽分，許多未鋪砌的道路產(chǎn)生堿性灰塵。由于灰塵中的飄塵顆粒多，粒徑小，表面積非常大，因此它們的吸附能力很

4、強(qiáng)，可以將空氣中的有害物質(zhì)吸附在它們表面，而呈酸性或堿性。灰塵中往往含有粘土等物質(zhì)，會(huì)吸收空氣中或材料中的水分，使其發(fā)生水解反應(yīng)，分解出膠粘狀的氫氧化鋁，帶有堿性。而灰塵酸堿性的不同對(duì)光伏板的腐蝕作用是不同的，腐蝕作用越強(qiáng)，光伏板表面蓋板損害越嚴(yán)重，對(duì)發(fā)電效率也存在影響，因此從化學(xué)性質(zhì)上可以將積灰分為：酸性積灰、中性積灰和堿性積灰。1.2.3按積灰的附著形態(tài)分類從灰塵的物理特性來看，灰塵是固體雜質(zhì)，形狀多不規(guī)則，大多是有棱角并帶有灰、褐、黑等顏色，且具有吸水性。當(dāng)光伏板表面有大量灰塵，且附近空氣相對(duì)濕度達(dá)到一定程度時(shí)，水汽即形成水滴，所以灰塵易被水濕潤(rùn)，也易吸附水分。因此當(dāng)積灰時(shí)，積灰易吸附水

5、分，就極有可能在水分達(dá)到一定程度時(shí)沿光伏板坡面向下搬運(yùn)灰塵的情況，這樣即使得產(chǎn)生積灰的形態(tài)不同。光伏板表面灰塵的附著狀態(tài)對(duì)于灰塵吹除的難以程度，對(duì)光線的遮擋程度都不同，因此可以按積灰附著形態(tài)，將灰塵分為干松積灰和粘結(jié)積灰。干松積灰：飛灰的顆粒大部分都很細(xì)小，很容易附著到光伏板表面上，形成干松積灰。干松灰的積聚過程完全是一個(gè)物理過程，灰層中無粘性成分，灰粒之間呈現(xiàn)松散狀態(tài)，易于吹除。粘結(jié)積灰：灰塵顆粒累積在光伏板表面，由于降雨、露水等原因，灰塵顆粒潮濕后，吸附性非常強(qiáng)，這些顆粒就會(huì)吸收空氣中的物質(zhì)并粘附在光伏板表面上，從而形成具有較強(qiáng)粘性的積灰，干后再形成一個(gè)堅(jiān)硬的結(jié)晶狀外殼，粘貼于光伏板表面。

6、根據(jù)擦除程度的難易可以將粘結(jié)積灰分為強(qiáng)粘結(jié)積灰和弱粘結(jié)積灰。圖 2 積灰形態(tài)圖（左：干松積灰；右：粘結(jié)積灰）Fig. 2 Fouling morphology diagram (left: dry pine fouling; right: bond fouling)二、積灰對(duì)光伏發(fā)電的影響機(jī)理研究2.1光伏板積灰的遮擋效應(yīng)灰塵降落到光伏板表面，不僅遮擋了光線對(duì)光伏電池的照射，使得光伏電池實(shí)際接受太陽(yáng)光的有效面積減少，而且還使得部分入射光線在玻璃蓋板中的傳播均勻性發(fā)生了改變。圖 3 光線傳播示意圖（遮擋狀況）Fig. 3 Schematic diagram of light transmissi

7、on (block condition)光伏板一般有五層，從上到下以此為：玻璃蓋板、上層EVA、光伏電池、下層EVA、背板TPT層。玻璃蓋板一般為鋼化玻璃，其作用為保護(hù)發(fā)電主體（如電池片），透光率較高，一般在91%以上；EVA用來粘結(jié)固定鋼化玻璃和發(fā)電主體（如電池片），透明的，其材質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到組件的壽命。根據(jù)光線傳播原理，一定波長(zhǎng)的入射光照射到玻璃蓋板上時(shí)，光線在玻璃表面發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。折射后的光線在玻璃內(nèi)部傳播，并從另一表面透過，照射到光伏電池表面產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)此玻璃蓋板表面有灰塵顆粒時(shí)，光線傳播路徑較沒有灰塵時(shí)有所不同。如圖 所示，當(dāng)光伏板表面有灰塵時(shí)，光強(qiáng)為E的光線照射到灰塵

8、表面時(shí)被灰塵吸收和散射，前者是光能E1被灰塵吸收后變?yōu)闊崮?，后者能量為E2的光線則是被灰塵向四周散射，被散射的光線可能有部分照射到玻璃蓋板上，圖中所示E1光線是被灰塵散射到玻璃蓋板上的光線，從而在玻璃蓋板上又形成了一次折射和反射的光線傳播過程。綜上所述，在如圖 所示情景中，由于積灰的遮擋作用，實(shí)際達(dá)到光伏玻璃蓋板表面的光強(qiáng)為E1，進(jìn)入玻璃蓋板的能量較無積灰時(shí)要少（E -E1）即（E1+E2-E1），從而使得光電效應(yīng)較清潔狀態(tài)下弱，因此積灰狀況下的發(fā)電量要比清潔狀態(tài)少。由上面的光線傳播的理論分析可以得出，由于灰塵的存在，使得玻璃蓋板的透射性減弱，從而到達(dá)光伏電池表面上的光強(qiáng)減弱，光電效應(yīng)減弱，光

9、伏發(fā)電量減少。2.2光伏板積灰的溫度效應(yīng)灰塵降落到光伏板表面，一方面產(chǎn)生了遮擋，使得光伏板表面玻璃的透射率減小，減小了投射到光伏電池表面的太陽(yáng)輻射量，另一方面降落到光伏板上的灰塵導(dǎo)致光伏板的傳熱形式發(fā)生了變化?，F(xiàn)有光伏板熱平衡是建立在清潔光伏板情況下的熱平衡模型，實(shí)際上在光伏板投入運(yùn)行后，光伏板表面會(huì)積有灰塵或者樹葉等物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在使得光伏發(fā)電的熱平衡發(fā)生了改變，因此當(dāng)光伏板表面有灰塵時(shí)，太陽(yáng)電池組件在長(zhǎng)久陽(yáng)光照射下，部分組件受到遮擋無法工作，使得被遮蓋的部分升溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未被遮蓋部分，致使溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑，如圖 所示。熱斑可能導(dǎo)致整個(gè)電池組件損壞，造成損失。圖 4 太陽(yáng)電池出現(xiàn)熱斑

10、損壞的實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig4 Solar hot spot damage occurs Experimental photo2.3光伏板積灰的腐蝕效應(yīng)灰塵具有酸性或者堿性，而玻璃的成分主要為二氧化硅和石灰石等，當(dāng)濕潤(rùn)的灰塵附在玻璃蓋板表面，玻璃蓋板成分物質(zhì)都能夠與酸或堿反應(yīng)。隨著玻璃在酸性或堿性環(huán)境下的時(shí)間增長(zhǎng)，玻璃表面就會(huì)慢慢被侵蝕，從而在玻璃蓋板表面形成坑坑洼洼，導(dǎo)致光線在玻璃蓋板表面形成漫反射，在玻璃蓋板中的傳播均勻性受到破壞。圖 5光線傳播示意圖（侵蝕狀況）Fig. 5 Schematic diagram of light transmission (erosion)如圖所示，由于灰塵對(duì)玻璃

11、蓋板的腐蝕作用，玻璃蓋板表面呈現(xiàn)許多的凹面，造成原有的光滑玻璃蓋板變成了非光滑蓋板，增大了玻璃蓋板表面的漫反射。由圖 可以分析，光照到凹面時(shí)，光的傳播路徑較平整表面有明顯不同，光線在凹面內(nèi)產(chǎn)生數(shù)次的反射、折射過程。如光強(qiáng)為E的光線入射到凹面內(nèi)，一部分E1折射，一部分E2在凹面內(nèi)反射至凹面內(nèi)，再經(jīng)過折射、反射，一部分E21折射，一部分E22反射，綜合起來，光強(qiáng)為E的光線，實(shí)際折射到玻璃蓋板的能量為（E1+E21）。而對(duì)于平整情況下的玻璃蓋板，當(dāng)光強(qiáng)為E的光線入射到表面時(shí)，有E1的光線能夠達(dá)到光伏電池表面。在光的反射和折射中，能量是守恒的，能量的分布情況滿足： Ii=Id+Is+It+Iv 其中：

12、Ii為入射光強(qiáng)，由直接光源或間接光源引起；Id為漫反射光強(qiáng)，由表面不光滑引起；Is為鏡面反射光強(qiáng)，由表面光滑引起；It為透射光強(qiáng)，由物體的透明性引起的；Iv為被物體所吸收的光，由能量損耗引起。當(dāng)玻璃蓋板受腐蝕較弱時(shí)，可以把玻璃蓋板看成是為一反射率很低的光滑表面。對(duì)于此理想鏡面，反射光集中在一個(gè)方向，并遵守反射定律，而對(duì)于一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。因此，對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。鏡面反射光強(qiáng)可表示為： Is=Ii·Ks·cosn,(0,/2) 其中Ks是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)，為視線方向V與反

13、射方向R的夾角，n為反射指數(shù)，反映了物體表面的光滑程度，一般為12000，數(shù)目越大物體表面越光滑。由上面鏡面反射光強(qiáng)公式可知，玻璃蓋板表面越粗糙，n越大，此時(shí)反射光強(qiáng)Is增大，再由光的能量守恒方程可知，折射光的能量減少，實(shí)際到達(dá)光伏電池表面能量越小。隨著腐蝕程度的加深，光伏板玻璃蓋板表面越來越粗糙不平，這時(shí)候可以看成為一理想漫反射表面。當(dāng)光源來自一個(gè)方向時(shí)，漫反射光均勻向各方向傳播，與視點(diǎn)無關(guān)，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空間分布是均勻的。記入射光強(qiáng)為Ii，物體表面上點(diǎn)P 的法向?yàn)镹 ，從點(diǎn)P指向光源的向量為L(zhǎng)，兩者間的夾角為，由Lambert余弦定律，則漫反射光強(qiáng)為：圖 6漫反

14、射入射光示意圖Fig.6 Schematic diagram of diffuse incident light Id=Ii·Kd·cos(),(0,/2) 其中，Kd是與物體有關(guān)的漫反射系數(shù), 0<Kd<1 。由上面漫反射光強(qiáng)公式可知，光伏板玻璃蓋板表面越粗糙，漫反射系數(shù)Kd越大，漫反射光強(qiáng)越大，再由光的能量守恒方程可知，折射光的能量減少，實(shí)際到達(dá)光伏電池表面能量越小。由上面的分析可得，從玻璃蓋板整體來看，由于酸性或堿性灰塵對(duì)玻璃蓋板的腐蝕，造成玻璃蓋板表面粗糙度增加，反射光強(qiáng)增大，折射光的能量減少，使得入射到光伏電池的光照強(qiáng)度減弱，光電效應(yīng)減弱，發(fā)電量減少。

15、在光伏電站的運(yùn)營(yíng)階段，制定經(jīng)濟(jì)合理的的運(yùn)維方案，保證電站安全可靠性，提高電站的發(fā)電量。首先應(yīng)對(duì)電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行日常的巡檢，消除安全隱患，保證關(guān)鍵設(shè)備的正常高效運(yùn)行;其次還應(yīng)對(duì)光伏電站的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)環(huán)境和氣候條件，找到影響發(fā)電量的主要因素，制定合理的方案，減少損耗。對(duì)于太陽(yáng)輻照資源和環(huán)境溫度，沒有辦法進(jìn)行改善提高，只能做好記錄，用以對(duì)光伏電站的系統(tǒng)效率的分析驗(yàn)證。對(duì)于中國(guó)西北地區(qū)的光伏電站，灰塵遮蔽是影響發(fā)電量的重要因素，西北地區(qū)干旱缺水，風(fēng)沙很大，組件受到灰塵遮蔽的情況嚴(yán)重，如圖7所示。圖7 光伏電站組件受灰塵遮蔽情況圖8 清洗方案這種清洗方案，使用于組件前后間距較大，地勢(shì)比較平坦，地質(zhì)較好的場(chǎng)所。缺點(diǎn)，是隨著車輛的非直線運(yùn)動(dòng)，組件收到的壓力大小不均，灰塵基本上是干插，對(duì)組件玻璃的壽命有影響。圖9清洗方案圖9的清洗方案為水沖洗，清洗的比較干凈徹底。適用于組件數(shù)量較少的電站，不適宜于大型的光伏電站。 圖10清洗方案圖10的清洗方