■ 溫巖 趙東 袁春紅 郭鵬

(1.中國氣象局國家氣候中心；2.中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心；3.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心)

0 引言

對于長時間運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，面板積塵對其影響不可小覷。面板表面的灰塵具有反射、散射和吸收太陽輻射的作用，可降低太陽的透過率，造成面板接收到的太陽輻射減少，輸出功率也隨之減小，其作用與灰塵累積厚度成正比。此外，因為灰塵吸收太陽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[1]。面板表面的灰塵在不同的太陽輻射、環(huán)境溫度、遮擋和腐蝕等作用下對光伏系統(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，補充灰塵在不同工作環(huán)境下對光伏系統(tǒng)發(fā)電的影響對光伏系統(tǒng)的研究很有意義[2]。

1 積塵對光伏發(fā)電效率的影響

灰塵是顆粒物質(zhì)，其來源分為自然來源和人為來源。包括：土、沙和巖石在風(fēng)的作用下形成的細小顆粒和一些動植物的生物質(zhì)；工業(yè)、建筑物和交通等產(chǎn)生的揚塵[1]。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行過程中，會受到其所處環(huán)境灰塵的影響。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率與太陽輻射強度有關(guān)，灰塵積累在光伏面板表面，會使前蓋玻璃透光率下降，透光率的下降會導(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，安裝面板時傾角越小，相同時間內(nèi)灰塵累積越多，面板吸收太陽輻射越小。對于單個面板，輸出功率的下降有限，但對于大型并網(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[3]。獲取的結(jié)果表明，在少雨時期，由于面板表面的累積污垢，電池效率損失可達到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%。

一般來說，空氣中灰塵污垢包括：灰塵、雨水、污染物，它們的存在會導(dǎo)致電池輸出能量的減少。因為灰塵粒子對太陽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[4]在沙特阿拉伯對光伏面板積灰的除塵效果進行了研究，選擇固定傾角24.6°進行為期8個月的實驗，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[5]進行了45°角的積塵遮擋實驗，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8%。陳東兵等[6]以蚌埠2 MW光伏電站進行實驗，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[7]在西安城區(qū)某分布式光伏電站中設(shè)計對比實驗，實驗表明在“降塵”天氣影響下，城區(qū)灰塵對光伏系統(tǒng)輸出功率降低影響很大，達到15%。

2 積塵對光伏面板的影響

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輻射的強度，并且會引起太陽輻照不均勻，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，其吸收的太陽輻射也越低。

曹曉寧等[8]進行了不同輻照強度下的效率測試實驗，結(jié)果指出，面板的短路電流正比于入射光強，電壓與光照強度成對數(shù)關(guān)系。

Hegazy[9]以0°～90°的光伏面板進行灰塵對輻照度影響的實驗，當(dāng)灰塵沉積較少時對輻照度影響較小，當(dāng)面板灰塵增多時對輻照度的影響也相應(yīng)增大。

張風(fēng)等[3]對不同日累計輻照量的標準小時發(fā)電量進行對比實驗，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(見圖1)。

圖1 標準小時發(fā)電量

2.2 散熱

覆蓋在光伏面板上的灰塵使通過玻璃板的透射率減小，對太陽輻射起阻礙作用，另外對光伏面板的傳熱形式也產(chǎn)生影響[2]?；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，令溫度越來越高，影響光伏發(fā)電的效率。

現(xiàn)有的光伏電站大多使用硅基太陽電池，對溫度感知十分靈敏，當(dāng)面板表面積累一定厚度的灰塵時，將導(dǎo)致它的傳熱熱阻增大，對面板有保溫作用，使其散熱功能受到影響。實驗結(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，就可與面板的組成物質(zhì)產(chǎn)生酸性或堿性反應(yīng)[2]。一段時間后，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，太陽輻射在面板表面發(fā)生漫反射，破壞太陽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受到濕潤灰塵的腐蝕，比如結(jié)合處、支架等部分，其材料多是各類金屬，發(fā)生腐蝕后易導(dǎo)致破損、安全性減弱等問題，可能因強風(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輻射，使到達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重。灰塵累積與空氣中的含塵量、空氣流動和降塵速率及時間長短等因素有關(guān)。這些取決于天氣和環(huán)境因素，而我國不同地區(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。因此需對光伏面板加強鹽霧測試，以評估其長期耐鹽霧腐蝕的性能[10]。在常年溫度低的高寒地區(qū)，風(fēng)力、風(fēng)向變化大，光伏面板需進行標準更加嚴格、要求更高的性能測試，以符合此類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別。例如我國西北地區(qū)的光伏電站受灰塵遮蔽的影響較大，灰塵可減弱太陽的輻照強度，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導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，帶來發(fā)電量的損失和安全隱患等問題[8]。

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、角度、環(huán)境因素和灰塵性質(zhì)等。天氣因素對光伏系統(tǒng)的發(fā)電情況影響很大，最常見的有溫度、濕度、陰天、雨雪、風(fēng)等因素，其中溫度對發(fā)電量的影響最大。另外，下雨、陰天、下雪等天氣對光伏系統(tǒng)的影響同樣不可忽視，也會造成太陽輻射強度的減弱，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，同樣是因為輻射強度的變化而導(dǎo)致發(fā)電量的變化。

此外還有實驗計算了光伏面板表面灰塵對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：單位面積內(nèi)灰塵數(shù)量、灰塵的尺度、太陽光入射角度和波長，并發(fā)現(xiàn)對于光線傳播，入射波長的影響可忽略不計，因為灰塵的顆粒尺寸遠比光線波長要大[11]。

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)對灰塵沉積的影響，其實它對灰塵沉積結(jié)構(gòu)影響很大[12]。在一定降雨強度下，雨線與面板表面夾角的不同，雨水對面板表面積塵的沖刷程度也不同，而風(fēng)決定著雨線與光伏面板的夾角。

Goossens等[13]經(jīng)過在Negev沙漠的長期觀測發(fā)現(xiàn)：灰塵最大程度沉積通常在最高風(fēng)速時才會形成。此外，風(fēng)洞內(nèi)的實驗表明：在高風(fēng)速影響下形成的積塵將有更高透射率；通過不同風(fēng)向?qū)覊m沉積過程的影響發(fā)現(xiàn)，刮向面板表面的風(fēng)會提高積塵效果，而刮向面板背面的風(fēng)幾乎不影響灰塵沉積作用[14]。

Neil等[15]發(fā)現(xiàn)較大風(fēng)速對沉積在光伏組件表面的非粘結(jié)性灰塵有除塵效果。

3.2 降水強度及降塵量

降雨對光伏面板表面的灰塵具有沖刷作用，不同的降雨強度對灰塵的沖刷量不同，通常情況下降雨強度與其沖刷作用成正比。有實驗觀察到，當(dāng)超過5 mm的降雨時電流約會損失5%。

降塵量是指單位時間靠重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。在沒有雨水沖刷時，時間越久降塵量越多，面板表面的灰塵也逐漸增多，進而加大灰塵對光伏面板的遮擋作用，使到達面板的光強減弱，導(dǎo)致發(fā)電量減少，直接影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率[2]。

光伏面板表面的灰塵累積量與之前灰塵的累積時間有關(guān)，研究結(jié)果表明，灰塵的累積過程發(fā)生在兩次降雨之間，最初幾天最快，然后逐漸減少[16]。

3.3 空氣污染

如今城市的環(huán)境污染越來越嚴重，尤其是近幾年經(jīng)常出現(xiàn)的霧霾天氣，對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響很大[7]。霧霾主要通過兩種方式影響光伏電站的發(fā)電量：一是削弱到達光伏面板的太陽輻射，由于低空中的懸浮物會對太陽光進行吸收和反射，導(dǎo)致面板表面接收到的太陽光大幅度降低。二是如果霧霾天氣長期持續(xù)，面板表面的顆粒物累積在面板表面就會形成遮擋，難以清洗，造成面板表面污染，導(dǎo)致發(fā)電量進一步降低。

中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心通過觀測實驗，選取典型案例分析霾所產(chǎn)生的影響，初步結(jié)果表明：霾通過削弱太陽輻射對光伏發(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[9]和Elminir等[17]研究了積塵對于暴露在環(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%。兩個記錄點都位于埃及，第一個記錄點在強污染農(nóng)業(yè)區(qū)，第二個記錄點在強污染的工業(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。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源于汽車尾氣、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，面板如果不及時清洗，等到含油污的灰塵積累一段時間，會給清洗工作帶來很大困難[18]。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)的作用下會很快落在光伏面板上，并由于靜電附著在面板表面。

另外，對于灰塵性質(zhì)有所影響的還有鳥糞等生物質(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等通過鳥糞便對電流減小的測量，研究積塵對于光伏系統(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)場的水平30°放置的光伏面板的特性測試，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[19]。

3.5 面板角度

光伏面板放置的角度對光伏電站發(fā)電效率有很大影響，一方面是因為安裝傾角不同吸收的太陽輻射量不同，另一方面是對灰塵累積的影響。

Goossens等[20]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[21]在廣州選取不同朝向和傾角的光伏面板進行測試，結(jié)果表明,灰塵、雨水等對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[22]進行了傾角為 0°、15°、30°、45°、60°的光伏面板積灰效應(yīng)研究，1個月后太陽輻射透過率分別降低了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[17]進行了傾角為0°～90°的面板積灰實驗，得出結(jié)論：灰塵積累密度隨面板角度增大而逐漸降低，太陽輻射透過率下降幅度也隨之逐漸降低。

劉莉敏等[23]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°的年累計發(fā)電量多，其一是因為不同角度的光伏面板吸收的太陽輻射不同，其二是因為后者比前者的灰塵累積嚴重，因此選擇不同的傾角安裝對光伏電站的發(fā)電效率影響很大。

4 積塵機理及模型

積塵的理論研究非常困難，因為和所處的地點、面板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)，用來表示積塵對光伏發(fā)電性能的影響因子，即在同等光照強度下，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)還僅依賴于降雨、風(fēng)等自然作用對光伏面板的積灰進行清除。

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行清洗[24]。該方法缺點是在清洗過程中不可避免地會對玻璃面板產(chǎn)生劃痕，磨傷玻璃表面，部分工作需兩人配合作業(yè)，效率相對較低；優(yōu)點是不浪費水電資源，幾乎只有人工成本。

大中型光伏電站人工清潔難度較大，一般采用機械清潔的方式。高壓水槍清洗，水經(jīng)過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；缺點是對水電需求較大，清潔過程中會形成大量污水，污染環(huán)境；投入成本主要是機器和人員工資。清洗車清洗，用水量較大，對面板幾乎沒有損傷，效率較高，但需空間寬闊平坦的地區(qū)使用，投入成本較高。

另外還有機械除塵技術(shù)，利用機械化的刷子結(jié)合噴水沖洗光伏面板的自動除塵裝置等，靠機械力將粉塵掃走[25]。優(yōu)點是自動化強，節(jié)省人力。但有些機器清潔效果較差，成本較高，同時也會污染環(huán)境，尚需進一步的開發(fā)研究。

6 總結(jié)

本文總結(jié)了積塵對光伏發(fā)電效率的影響，提出了灰塵對光伏面板輻照度、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)了積塵機理和模型，得出以下結(jié)論：

1) 積塵對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率影響很大，造成的功率損失很嚴重，有時能達到30%左右。

2) 積塵會減弱面板接收的太陽輻照強度，光伏發(fā)電量減少，導(dǎo)致輸出功率下降。沉積濃度越大、透光率越低，組件吸收的輻照量越低。

3) 灰塵導(dǎo)致光伏面板的傳熱形式發(fā)生了變化，會增大面板的傳熱熱阻，影響其散熱。研究表明：面板溫度上升1 ℃，輸出功率約下降0.5%。

4) 灰塵在不同環(huán)境中有時呈酸性，有時呈堿性，對光伏面板的腐蝕使得太陽輻射透過率減小，面板上的光照強度減弱，發(fā)電量減少。

5) 積塵受風(fēng)速風(fēng)向、降水強度、空氣污染、灰塵性質(zhì)、面板放置的地點、面板傾角等因素的影響，風(fēng)速與灰塵沉積成正比；降水強度越大對灰塵沉積的沖刷效果也越大；霧霾天氣造成灰塵沉積增加；不同性質(zhì)的灰塵會對光伏面板的清洗難度有很大影響；光伏面板傾角越大，灰塵越難在其表面滯留和附著。

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