積塵對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電的影響研究綜述

1、積塵對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電的影響研究綜述中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心、中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心、中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心的研究人員溫巖、趙東等，在2014年第11期太陽(yáng)能雜志上撰文，針對(duì)積塵對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響，綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果。分析表明：光伏面板的輸出性能受到沉積在表面灰塵的影響，使電池的效率降低；灰塵對(duì)面板接收太陽(yáng)輻照度和散熱有直接影響，并能使面板表面受到腐蝕；不同地區(qū)的積塵影響存在較大差異。此外，還分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于光伏面板積塵的影響因素，分析了風(fēng)、降水強(qiáng)度、降塵量、空氣污染、灰塵性質(zhì)及面板傾角對(duì)積塵的形成和發(fā)電量的影響，總結(jié)了基于降塵、降雨等因素建立的積塵模型。最后分析了目前應(yīng)用較為

2、廣泛的光伏面板除塵方法，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，面板積塵對(duì)其影響不可小覷。面板表面的灰塵具有反射、散射和吸收太陽(yáng)輻射的作用，可降低太陽(yáng)的透過(guò)率，造成面板接收到的太陽(yáng)輻射減少，輸出功率也隨之減小，其作用與灰塵累積厚度成正比。此外，因?yàn)榛覊m吸收太陽(yáng)輻射可使光伏面板升溫，并且灰塵中含有一些腐蝕性的化學(xué)成分，這也使其光電轉(zhuǎn)換效率降低。面板表面的灰塵在不同的太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度、遮擋和腐蝕等作用下對(duì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能和使用情況等有不同程度的影響，但如今這方面的相關(guān)理論還不完善，因此，補(bǔ)充灰塵在不同工作環(huán)境下對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電的影響對(duì)光伏系統(tǒng)的研究很有意義。1.積塵對(duì)光伏發(fā)電效率的影響

3、灰塵是顆粒物質(zhì)，其來(lái)源分為自然來(lái)源和人為來(lái)源。包括：土、沙和巖石在風(fēng)的作用下形成的細(xì)小顆粒和一些動(dòng)植物的生物質(zhì)；工業(yè)、建筑物和交通等產(chǎn)生的揚(yáng)塵。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到其所處環(huán)境灰塵的影響。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有關(guān)，灰塵積累在光伏面板表面，會(huì)使前蓋玻璃透光率下降，透光率的下降會(huì)導(dǎo)致電池的輸出性能下降，沉積濃度越大，透光率越低，面板吸收的輻射量越低，其輸出性能下降越大。在其他條件不變的情況下，安裝面板時(shí)傾角越小，相同時(shí)間內(nèi)灰塵累積越多，面板吸收太陽(yáng)輻射越小。對(duì)于單個(gè)面板，輸出功率的下降有限，但對(duì)于大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，總輸出功率下降幅度很大，因此導(dǎo)致年功率的損失也很大。獲

4、取的結(jié)果表明，在少雨時(shí)期，由于面板表面的累積污垢，電池效率損失可達(dá)到15%以上。面板表面污垢灰塵造成年平均發(fā)電效率可降低6%。一般來(lái)說(shuō)，空氣中灰塵污垢包括：灰塵、雨水、污染物，它們的存在會(huì)導(dǎo)致電池輸出能量的減少。因?yàn)榛覊m粒子對(duì)太陽(yáng)光向前散射存在較大影響，導(dǎo)致這種集中式模塊的電流損失通常情況下比非集中式的要高很多。Salim等在沙特阿拉伯對(duì)光伏面板積灰的除塵效果進(jìn)行了研究，選擇固定傾角24.6進(jìn)行為期8個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，每天清洗的面板比從未清洗的面板輸出功率增加了32%。在印度Roorkee地區(qū)Garg進(jìn)行了45角的積塵遮擋實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，在灰塵遮蔽作用下光伏面板的平均透射率在10天后降低了

5、8%。陳東兵等以蚌埠2MW光伏電站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，灰塵在光伏面板上20天使組件發(fā)電功率減少24%，平均每天降低1.2%。王峰等在西安城區(qū)某分布式光伏電站中設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明在“降塵”天氣影響下，城區(qū)灰塵對(duì)光伏系統(tǒng)輸出功率降低影響很大，達(dá)到15%。2.積塵對(duì)光伏面板的影響2.1輻照度覆蓋在光伏面板表面的灰塵阻擋了太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致照射到面板上的有效面積減少，玻璃的透射率降低，削弱了面板所接收的太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度，并且會(huì)引起太陽(yáng)輻照不均勻，使發(fā)電量降低，減少了輸出功率2?；覊m的沉積濃度越大，面板的透光率越低，其吸收的太陽(yáng)輻射也越低。曹曉寧等進(jìn)行了不同輻照強(qiáng)度下的效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果指出，面板的短路電

6、流正比于入射光強(qiáng)，電壓與光照強(qiáng)度成對(duì)數(shù)關(guān)系。Hegazy以0-90的光伏面板進(jìn)行灰塵對(duì)輻照度影響的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)灰塵沉積較少時(shí)對(duì)輻照度影響較小，當(dāng)面板灰塵增多時(shí)對(duì)輻照度的影響也相應(yīng)增大。張風(fēng)等對(duì)不同日累計(jì)輻照量的標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出面板表面灰塵越多其輸出功率越低的結(jié)論，發(fā)電性能也越差(見(jiàn)圖1)。2.2散熱覆蓋在光伏面板上的灰塵使通過(guò)玻璃板的透射率減小，對(duì)太陽(yáng)輻射起阻礙作用，另外對(duì)光伏面板的傳熱形式也產(chǎn)生影響?；覊m附在面板表面阻擋熱量向外傳遞，可能使面板自身熱量得不到釋放，令溫度越來(lái)越高，影響光伏發(fā)電的效率?，F(xiàn)有的光伏電站大多使用硅基太陽(yáng)電池，對(duì)溫度感知十分靈敏，當(dāng)面板表面積累一定厚度的灰

7、塵時(shí)，將導(dǎo)致它的傳熱熱阻增大，對(duì)面板有保溫作用，使其散熱功能受到影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，每當(dāng)電池溫度上升1，其輸出功率約下降0.5%7。2.3腐蝕灰塵的成分比較復(fù)雜，有的是酸性物質(zhì)，有的是堿性物質(zhì)，而晶硅光伏面板的主要成分為二氧化硅和石灰石等，如果灰塵碰到空氣中的水汽變濕潤(rùn)，就可與面板的組成物質(zhì)產(chǎn)生酸性或堿性反應(yīng)。一段時(shí)間后，光伏面板表面在酸性或堿性環(huán)境的侵蝕下逐漸發(fā)生腐蝕、損傷，使表面變得坑坑洼洼，導(dǎo)致光伏面板的光學(xué)性能衰減，太陽(yáng)輻射在面板表面發(fā)生漫反射，破壞太陽(yáng)輻射在光伏面板中傳播的均勻性。此外，光伏面板的其他部位也會(huì)受到濕潤(rùn)灰塵的腐蝕，比如結(jié)合處、支架等部分，其材料多是各類(lèi)金屬，發(fā)生腐蝕后易

8、導(dǎo)致破損、安全性減弱等問(wèn)題，可能因強(qiáng)風(fēng)、地震等自然因素遭到破壞而減少光伏面板服役的壽命。2.4不同地區(qū)的積塵影響差異光伏面板表面積塵是影響光伏系統(tǒng)效率、減少電站發(fā)電量的重要因素之一。它的直接影響是削弱太陽(yáng)輻射，使到達(dá)面板表面的能量減少。累積的灰塵越多、越厚，光伏面板受到的影響越嚴(yán)重?；覊m累積與空氣中的含塵量、空氣流動(dòng)和降塵速率及時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。這些取決于天氣和環(huán)境因素，而我國(guó)不同地區(qū)的環(huán)境和氣候情況差別較大，同一地區(qū)不同季節(jié)的降塵情況也不相同，因此對(duì)光伏面板造成的影響也不一樣6。在臨海或近鹽湖地區(qū)，鹽霧腐蝕問(wèn)題已經(jīng)在很大程度上影響了光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，光伏面板也同樣受到影響。因此需對(duì)光伏面

9、板加強(qiáng)鹽霧測(cè)試，以評(píng)估其長(zhǎng)期耐鹽霧腐蝕的性能。在常年溫度低的高寒地區(qū)，風(fēng)力、風(fēng)向變化大，光伏面板需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格、要求更高的性能測(cè)試，以符合此類(lèi)特殊地域的氣候條件。由于地理位置的不同，各地氣候狀況千差萬(wàn)別。例如我國(guó)西北地區(qū)的光伏電站受灰塵遮蔽的影響較大，灰塵可減弱太陽(yáng)的輻照強(qiáng)度，使面板的輸出功率下降，導(dǎo)致發(fā)電量降低；另外局部灰塵遮蔽也會(huì)導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，帶來(lái)發(fā)電量的損失和安全隱患等問(wèn)題。3.積塵的影響因素灰塵在光伏面板上的沉積、附著，受多種因素影響，例如天氣因素、面板放置地點(diǎn)、角度、環(huán)境因素和灰塵性質(zhì)等。天氣因素對(duì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電情況影響很大，最常見(jiàn)的有溫度、濕度、陰天、雨雪、風(fēng)等因素，其中溫度對(duì)

10、發(fā)電量的影響最大。另外，下雨、陰天、下雪等天氣對(duì)光伏系統(tǒng)的影響同樣不可忽視，也會(huì)造成太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減弱，從而降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。影響光伏系統(tǒng)輸出功率的季節(jié)性因素也很明顯，同樣是因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度的變化而導(dǎo)致發(fā)電量的變化。此外還有實(shí)驗(yàn)計(jì)算了光伏面板表面灰塵對(duì)照射到其表面的光速的影響。影響光速傳播的綜合因素包括：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)灰塵數(shù)量、灰塵的尺度、太陽(yáng)光入射角度和波長(zhǎng)，并發(fā)現(xiàn)對(duì)于光線(xiàn)傳播，入射波長(zhǎng)的影響可忽略不計(jì)，因?yàn)榛覊m的顆粒尺寸遠(yuǎn)比光線(xiàn)波長(zhǎng)要大。3.1風(fēng)目前研究光伏面板積塵的影響因素中，很少涉及風(fēng)對(duì)灰塵沉積的影響，其實(shí)它對(duì)灰塵沉積結(jié)構(gòu)影響很大。在一定降雨強(qiáng)度下，雨線(xiàn)與面板表面夾角的不同，雨水對(duì)面板表面

11、積塵的沖刷程度也不同，而風(fēng)決定著雨線(xiàn)與光伏面板的夾角。Goossens等經(jīng)過(guò)在Negev沙漠的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：灰塵最大程度沉積通常在最高風(fēng)速時(shí)才會(huì)形成。此外，風(fēng)洞內(nèi)的實(shí)驗(yàn)表明：在高風(fēng)速影響下形成的積塵將有更高透射率；通過(guò)不同風(fēng)向?qū)覊m沉積過(guò)程的影響發(fā)現(xiàn)，刮向面板表面的風(fēng)會(huì)提高積塵效果，而刮向面板背面的風(fēng)幾乎不影響灰塵沉積作用。Neil等發(fā)現(xiàn)較大風(fēng)速對(duì)沉積在光伏組件表面的非粘結(jié)性灰塵有除塵效果。3.2降水強(qiáng)度及降塵量降雨對(duì)光伏面板表面的灰塵具有沖刷作用，不同的降雨強(qiáng)度對(duì)灰塵的沖刷量不同，通常情況下降雨強(qiáng)度與其沖刷作用成正比。有實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到，當(dāng)超過(guò)5mm的降雨時(shí)電流約會(huì)損失5%。降塵量是指單位時(shí)間靠重

12、力自然沉降到單位面積上的顆粒物的質(zhì)量，光伏面板表面積塵量主要受它的影響。在沒(méi)有雨水沖刷時(shí)，時(shí)間越久降塵量越多，面板表面的灰塵也逐漸增多，進(jìn)而加大灰塵對(duì)光伏面板的遮擋作用，使到達(dá)面板的光強(qiáng)減弱，導(dǎo)致發(fā)電量減少，直接影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。光伏面板表面的灰塵累積量與之前灰塵的累積時(shí)間有關(guān)，研究結(jié)果表明，灰塵的累積過(guò)程發(fā)生在兩次降雨之間，最初幾天最快，然后逐漸減少。3.3空氣污染如今城市的環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是近幾年經(jīng)常出現(xiàn)的霧霾天氣，對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響很大。霧霾主要通過(guò)兩種方式影響光伏電站的發(fā)電量：一是削弱到達(dá)光伏面板的太陽(yáng)輻射，由于低空中的懸浮物會(huì)對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行吸收和反射，導(dǎo)致面板表面接

13、收到的太陽(yáng)光大幅度降低。二是如果霧霾天氣長(zhǎng)期持續(xù)，面板表面的顆粒物累積在面板表面就會(huì)形成遮擋，難以清洗，造成面板表面污染，導(dǎo)致發(fā)電量進(jìn)一步降低。中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心通過(guò)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，選取典型案例分析霾所產(chǎn)生的影響，初步結(jié)果表明：霾通過(guò)削弱太陽(yáng)輻射對(duì)光伏發(fā)電有顯著影響，輕度霾可造成20%30%的日發(fā)電量損失；在重度霾的情況下，日發(fā)電量損失接近70%。Hegazy和Elminir等研究了積塵對(duì)于暴露在環(huán)境中的清潔玻璃試樣的影響。在30天后得到結(jié)果，對(duì)于傾斜角為0、3和90的面板，Hegazy記錄的損失分別是27%、17%和3%。Elminir記錄的損失是27%、18%和6%。兩個(gè)記錄點(diǎn)都位于埃

14、及，第一個(gè)記錄點(diǎn)在強(qiáng)污染農(nóng)業(yè)區(qū)，第二個(gè)記錄點(diǎn)在強(qiáng)污染的工業(yè)區(qū)。3.4灰塵性質(zhì)灰塵性質(zhì)受不同地區(qū)的氣候環(huán)境條件影響，導(dǎo)致各地灰塵具有各自性質(zhì)和特點(diǎn)。比如在沙漠地區(qū)的灰塵由沙土、紅土和沙粒組成，城市中的灰塵主要來(lái)源于汽車(chē)尾氣、工業(yè)污染和城市建設(shè)等1。受大氣中含油性物質(zhì)的灰塵影響，面板如果不及時(shí)清洗，等到含油污的灰塵積累一段時(shí)間，會(huì)給清洗工作帶來(lái)很大困難。在青海格爾木地區(qū)，氣候干旱、少雨、多風(fēng)，因此灰塵屬于干性灰塵，灰塵在風(fēng)的作用下會(huì)很快落在光伏面板上，并由于靜電附著在面板表面。另外，對(duì)于灰塵性質(zhì)有所影響的還有鳥(niǎo)糞等生物質(zhì)。生物質(zhì)污染被作為積塵污染的源頭之一，尤其是春季的花粉污染。Hammond等通

15、過(guò)鳥(niǎo)糞便對(duì)電流減小的測(cè)量，研究積塵對(duì)于光伏系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明電流減小了2%8%。Haeberlin和Graf做了有關(guān)混合輕工業(yè)區(qū)、林區(qū)和農(nóng)場(chǎng)的水平30放置的光伏面板的特性測(cè)試，結(jié)果顯示，由于不同生物質(zhì)的污染，光伏系統(tǒng)的能量輸出有不同程度的減少。3.5面板角度光伏面板放置的角度對(duì)光伏電站發(fā)電效率有很大影響，一方面是因?yàn)榘惭b傾角不同吸收的太陽(yáng)輻射量不同，另一方面是對(duì)灰塵累積的影響。Goossens等發(fā)現(xiàn)在沙漠地區(qū)灰塵沉積在水平放置的面板表面最多。陳維等在廣州選取不同朝向和傾角的光伏面板進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明,灰塵、雨水等對(duì)水平和小傾角放置的面板有較大影響，沉積在面板上的灰塵較多。Sayigh等進(jìn)行了

16、傾角為0、15、30、45、60的光伏面板積灰效應(yīng)研究，1個(gè)月后太陽(yáng)輻射透過(guò)率分別降低了64%、48%、38%、30%和17%，結(jié)果表明，光伏面板傾角越大，灰塵在其表面越難沉積和附著。Elminir等進(jìn)行了傾角為0-90的面板積灰實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：灰塵積累密度隨面板角度增大而逐漸降低，太陽(yáng)輻射透過(guò)率下降幅度也隨之逐漸降低。劉莉敏等發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)中正南傾角90安裝的光伏板比15的年累計(jì)發(fā)電量多，其一是因?yàn)椴煌嵌鹊墓夥姘逦盏奶?yáng)輻射不同，其二是因?yàn)楹笳弑惹罢叩幕覊m累積嚴(yán)重，因此選擇不同的傾角安裝對(duì)光伏電站的發(fā)電效率影響很大。4.積塵機(jī)理及模型積塵的理論研究非常困難，因?yàn)楹退幍牡攸c(diǎn)、面板

17、傾斜角和其他變量密切相關(guān)。居發(fā)禮2探索性地研究了光伏積塵理論，根據(jù)積塵與降塵量、降雨量等因素有關(guān)，建立光伏表面積塵量模型，并分3種情景考慮光伏面板表面積塵與雨水沖刷的關(guān)系，分別為：無(wú)降雨，積塵量不受降雨沖刷的影響；有降雨，但降雨量不足以將積塵全部沖刷完；降雨量足以將降塵沖刷完。他還提出一種光伏積塵系數(shù)，用來(lái)表示積塵對(duì)光伏發(fā)電性能的影響因子，即在同等光照強(qiáng)度下，積塵光伏板發(fā)電效率與清潔光伏板發(fā)電效率的比值。影響灰塵沉積的因素很多，建立模型很復(fù)雜，居發(fā)禮模型只考慮了積塵與降塵量、降雨量的關(guān)系，還有其他一些因子沒(méi)有考慮，所以此模型有一定局限性。5.光伏組件的除塵方法目前有些光伏發(fā)電系統(tǒng)還僅依賴(lài)于降雨

18、、風(fēng)等自然作用對(duì)光伏面板的積灰進(jìn)行清除。一些小型光伏電站采用人工清潔的方法，一般用拖把、橡膠刮條或柔軟的抹布進(jìn)行清洗24。該方法缺點(diǎn)是在清洗過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)玻璃面板產(chǎn)生劃痕，磨傷玻璃表面，部分工作需兩人配合作業(yè)，效率相對(duì)較低；優(yōu)點(diǎn)是不浪費(fèi)水電資源，幾乎只有人工成本。大中型光伏電站人工清潔難度較大，一般采用機(jī)械清潔的方式。高壓水槍清洗，水經(jīng)過(guò)加壓后形成水汽混合物，將光伏面板表面塵土沖洗干凈，清潔效果較好，因此被很多光伏電站廣泛采用；缺點(diǎn)是對(duì)水電需求較大，清潔過(guò)程中會(huì)形成大量污水，污染環(huán)境；投入成本主要是機(jī)器和人員工資。清洗車(chē)清洗，用水量較大，對(duì)面板幾乎沒(méi)有損傷，效率較高，但需空間寬闊平坦的地區(qū)使用，投入成本較高。另外還有機(jī)械除塵技術(shù)，利用機(jī)械化的刷子結(jié)合噴水沖洗光伏面板的自動(dòng)除塵裝置等，靠機(jī)械力將粉塵掃走。優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化強(qiáng)，節(jié)省人力。但有些機(jī)器清潔效果較差，成本較高，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境，尚需進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)研究。6.總結(jié)本文總結(jié)了積塵對(duì)光伏發(fā)電效率的影響，提出了灰塵對(duì)光伏面板輻照度、散熱和腐蝕的影響及不同地區(qū)的積塵影響差異，探究了其影響因素：風(fēng)、降水強(qiáng)度與降塵量、空氣污染、灰塵性質(zhì)及面板傾角的影響，并總結(jié)了積塵機(jī)理和模型，得出以下結(jié)論：1)積塵對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率影響很大，造成的功率損失很?chē)?yán)重，有時(shí)能達(dá)到30%左右。2)積塵會(huì)減弱面板接收的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度