白愷，李智，宗瑾，翟化欣，趙洲，劉斌

（1. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045；2. 國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限責(zé)任公司，

河北 張家口 075000；3. 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300019）

大型光伏電站一般建設(shè)在氣候環(huán)境比較惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)常干旱缺水，風(fēng)沙嚴(yán)重。這些惡劣的環(huán)境因素對(duì)光伏組件發(fā)電效率產(chǎn)生影響，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)沙導(dǎo)致塵土等污濁物遮擋光伏組件，影響光線的透射率，進(jìn)而影響組件表面接受到的輻射量。同時(shí)，由于這些污濁物距離光伏電池片的距離很近，會(huì)形成陰影，并在光伏組件具備形成熱斑效應(yīng)。如果長(zhǎng)時(shí)間不及時(shí)對(duì)光伏組件進(jìn)行清潔，將會(huì)大幅度降低光伏電站發(fā)電量，不僅不能滿足電網(wǎng)的要求，而且還降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率。

近年來國(guó)內(nèi)外的一些專家或?qū)W者針對(duì)灰塵沉積對(duì)光伏組件性能的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，Wakim研究在科威特城的沙塵環(huán)境下光伏組件持續(xù)積灰6 d后，光伏組件的發(fā)電功率降低17%，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證在該地區(qū)氣候環(huán)境下，春季和夏季積灰對(duì)光伏組件的影響明顯高于秋冬兩季；同樣是在科威特，Sayigh在4至6月份測(cè)試0°至60°不同傾斜角下光伏組件受積灰影響發(fā)電功率的衰減情況，在測(cè)試的38 d內(nèi)，光伏組件表面每天的積灰量達(dá)到2.5 g/m2，光伏組件的透光性降低了17%～64%，特別的，水平放置的光伏組件3 d后發(fā)電功率損失達(dá)到30%；Grag發(fā)現(xiàn)光伏組件傾斜角為45°時(shí)，室外放置10 d后，光伏組件的透光率平均下降了8%[1]；陳東兵等通過對(duì)蚌埠2 MW非晶硅光伏電站進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)20 d的表面積灰造成光伏組件串的發(fā)電功率降低24%，平均每天減少1.2%[2]；居發(fā)禮等建立了光伏組件積灰理論模型，總結(jié)了不同灰塵類型對(duì)光伏組件發(fā)電性能影響的區(qū)別，并通過結(jié)合人工積灰試驗(yàn)的方法，提出積灰對(duì)光伏發(fā)電性能影響的光伏積灰系數(shù)[3]；Hai Jiang等人通過在室內(nèi)模擬自然灰塵，研究了灰塵沉積對(duì)不同封裝材料光伏組件性能的影響，得出能量輸出減少率與積灰濃度呈線性關(guān)系的擬合公式[4]；張風(fēng)等人建立了對(duì)灰塵沉積程度進(jìn)行數(shù)學(xué)的情況下，積灰對(duì)組件輸出性能的影響數(shù)學(xué)模型[5]。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力是評(píng)價(jià)光伏電站性能最重要的指標(biāo)，而灰塵對(duì)光伏組件的發(fā)電性能影響存在普遍性，是影響光伏發(fā)電性能的重要因素之一，國(guó)內(nèi)對(duì)于灰塵和大氣清潔度對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響研究甚少。本文通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)典型地區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)受積灰影響情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，確定在灰塵影響條件下，光伏組件發(fā)電性能的衰減功率，為日后地面大規(guī)模光伏電站的日常運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。

1 積灰影響光伏組件發(fā)電性能分析

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

EKO公司生產(chǎn)的MP-170型I-V曲線測(cè)試儀，可以測(cè)試單個(gè)太陽能電池組件或光伏方陣離網(wǎng)運(yùn)行工況，得到被測(cè)設(shè)備的I-V或P-Q輸出曲線以及光伏組件在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）、填充因數(shù)（FF）、最大輸出功率（Pm）、最大功率點(diǎn)電壓（Vpm）、最大功率點(diǎn)電流（Ipm）、光伏組件轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境溫度。表1是MP-170型I-V曲線測(cè)試儀的技術(shù)參數(shù)，圖1是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。

表1 MP-170型I-V曲線測(cè)試儀技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of MP-170 Type I-V curve tester

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用尚德生產(chǎn)的型號(hào)為STP280-24/Vd的多晶硅光伏組件，表2是該光伏組件的技術(shù)參數(shù)。

1.2 長(zhǎng)期積灰對(duì)光伏組件輸出特性影響

測(cè)試河北地區(qū)某光伏電站一段周期內(nèi)，光伏方陣受風(fēng)沙影響輸出功率，利用灰塵密度定量評(píng)定光伏方陣表面積灰量的變化情況，能夠有效反映光伏方陣表面積灰導(dǎo)致的輸出功率降低，如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig. 1 The schematic of the experimental platform

表2 光伏組件技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of the solar panel

圖2 河北地區(qū)某電站積灰光伏方陣輸出功率Fig. 2 The power output curve of the PV array in dust a solar power plant in Hebei

可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試期間，在無降水天氣條件下，光伏方陣表面的積灰持續(xù)增多；雨水天氣后，根據(jù)降水量的不同，其對(duì)光伏方陣的表面積灰起到不同程度的沖刷作用。隨著光伏方陣表面灰塵密度的增加，光伏方陣的輸出功率相應(yīng)減少。在測(cè)試的近一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，包括雨水天氣情況的光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.439 g/m2，光伏方陣輸出功率減少率平均值為5.196%。

為了驗(yàn)證分析的光伏方陣表面灰塵密度影響輸出功率的程度，選取天津地區(qū)夏季和秋季典型周期的測(cè)試數(shù)據(jù)。在夏季10 d測(cè)試周期內(nèi)，包括雨水天氣情況的光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.239 g/m2，輸出功率減少率平均值為2.823%；秋季10 d測(cè)試周期內(nèi)，光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.867 g/m2，輸出功率減少率為7.156%。秋季在長(zhǎng)時(shí)間積灰情況下，光伏方陣輸出功率減少率明顯增加，而夏季頻繁的雨水天氣對(duì)光伏方陣表面積灰的清潔作用顯著。天津地區(qū)積灰影響輸出功率如圖3所示。通過對(duì)比圖2以及圖3的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在不同的地區(qū)，灰塵密度對(duì)于光伏方陣輸出功率的影響程度極為相似。

圖3 天津地區(qū)積灰光伏方陣輸出功率Fig. 3 The power output curve of the PV array in dust in a solar power plant in Tianjin

2 數(shù)學(xué)模型的建立

利用搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試兩組由相同數(shù)量STP280-24/Vd多晶硅光伏組件組成的光伏方陣，計(jì)算由于表面積灰導(dǎo)致輸出功率的減少情況，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖4是光伏組件表面積灰情況的照片，圖5是根據(jù)表3擬合的灰塵密度與光伏方陣減少輸出功率的關(guān)系曲線。

表3 積灰導(dǎo)致的光伏方陣陣列輸出功率減少情況Tab. 3 The power loss of PV array in dust caused by accumulated dust

圖4 光伏組件表面積灰Fig. 4 The accumulated dust on the solar panel

圖5 灰塵密度與輸出功率減少率關(guān)系圖Fig. 5 The relationship curve between the dust intensity and the power rate lost

積灰量在0～0.7 g/m2時(shí)，減少率從0迅速增加為7.4%；光伏方陣的輸出功率迅速減小，當(dāng)灰塵密度大于1 g/m2時(shí)，減少率逐漸趨緩；直到灰塵密度達(dá)到4 g/m2時(shí)，減少率增加到12.2%。對(duì)減少率與灰塵密度之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，得出數(shù)學(xué)模型為

y=3.291Ln（x）+7.904 （x≥0.132） （1）

y=-25.06x2+14.15x-0.001 （0≤x＜0.132） （2）式中，x為光伏方陣表面積灰的灰塵密度，g/m2；y為輸出功率的減少率，%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北地區(qū)某光伏電站，利用電站中光伏方陣已經(jīng)安裝的光伏無水清潔和微水清洗裝置清潔積灰的光伏方陣，現(xiàn)場(chǎng)安裝的光伏清潔裝置如圖6至圖7所示。

圖6 光伏無水清潔裝置Fig. 6 The solar panel cleaning equipment without water

圖7 光伏微水清洗裝置Fig.7 The PV panel cleaning equipment with a bit of water

選取雨后第3 d和第5 d，兩個(gè)具有典型意義的由6塊STP280-24/Vd的多晶硅光伏組件組成的光伏方陣積灰工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估分析，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖如圖8所示。雨后第3 d測(cè)得灰塵密度為0.502 g/m2，第5 d測(cè)得灰塵密度為0.668 g/m2。在光伏方陣表面灰塵密度為0.502 g/m2和0.668 g/m2的情況下，經(jīng)過無水清潔裝置和微水清洗裝置清潔后的光伏方陣灰塵密度分別為0.011 g/m2和0.061 g/m2。

圖8 光伏方陣積灰影響發(fā)電性能測(cè)試示意圖Fig. 8 The testing drawing of the influence of PV array in dust on the power generation performance

利用EKO MP-170 I-V測(cè)試儀，在晴天，分別測(cè)試微水和無水清潔樣機(jī)清潔后以及未清潔光伏方陣的輸出功率，連續(xù)測(cè)量至少滿一天（具備一個(gè)完整的輻照周期）。

圖9至圖12分別給出了不同積灰程度下光伏方陣清潔前后的輸出功率測(cè)試曲線。在相同測(cè)試周期內(nèi)，無水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升5.60%和6.77%；微水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升4.65%和5.99%。

圖9 無水裝置清潔前后光伏方陣輸出功率Fig. 9 The PV array power output before and after cleaning without water

圖10 無水裝置清潔前后光伏方陣輸出功率Fig. 10 The PV array power output before and after cleaning without water

圖11 微水裝置清潔前后光伏方陣輸出功率Fig. 11 The PV array output power before and aftercleaning with a bit of water

根據(jù)測(cè)試期間光伏方陣清潔前后的灰塵密度，代入建立的灰塵密度與輸出功率變化數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算得到輸出功率減少率并與實(shí)際測(cè)試得到的輸出功率變化情況進(jìn)行比較，結(jié)果表明建立的灰塵密度與輸出功率減少率關(guān)系函數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差很小。

得到的不同積灰光伏方陣全天輸出功率結(jié)果，通過公式（3）和公式（4），可以計(jì)算得到清潔前后光伏方陣轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步分析積灰對(duì)光伏組件發(fā)電性能的影響情況。

按照公式（3）將實(shí)測(cè)的光伏方陣輸出功率折算到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，

表4 模型驗(yàn)證分析Tab. 4 Model verification and analysis

式（3）中，P′為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（S=1 000 W/m2、組件溫度為T=25 ℃、AM=1.5）下的輸出功率，W；P為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際光伏方陣輸出功率，W；PSTC光伏組件標(biāo)稱功率，取廠家給定值1 680 W；γ為峰值功率溫度系數(shù)，取廠家給定值-0.47%/℃。

式（4）中，η為光伏方陣實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)換效率，%；P′為折算到標(biāo)準(zhǔn)條件下的輸出功率，W；A為光伏方陣表面積，m2。

圖13至圖16分別給出了不同積灰程度下光伏方陣清潔前后的轉(zhuǎn)換效率曲線。在相同測(cè)試周期內(nèi)，無水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升3.63%和3.63%；微水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升3.08%和5.65%。

可見，在光伏組件實(shí)際運(yùn)行過程中，光伏組件表面積灰確實(shí)對(duì)組件的實(shí)際發(fā)電效率存在較大影響，通過上述對(duì)比，組件表面積灰越多，相同外界條件下組件的轉(zhuǎn)換效率越差，導(dǎo)致發(fā)電效率降低。

圖13 無水裝置清潔前后光伏方陣轉(zhuǎn)換效率Fig. 13 The energy conversion efficiency of the PV array before and after cleaning without water

圖14 無水裝置清潔前后光伏方陣轉(zhuǎn)換效率Fig. 14 The energy conversion efficiency of the PV array before and after cleaning without water

圖15 微水裝置清潔前后光伏方陣轉(zhuǎn)換效率圖Fig. 15 PV array energy conversion efficiency before and after cleaning with a bit of water

圖16 微水裝置清潔前后光伏方陣轉(zhuǎn)換效率Fig. 16 PV array energy conversion efficiency before and after cleaning with a bit of water

4 結(jié)論

本文通過對(duì)不同地區(qū)光伏電站受積灰影響光伏組件輸出特性的長(zhǎng)期測(cè)試，發(fā)現(xiàn)灰塵密度作為衡量積灰影響光伏組件輸出性能退化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)輸出特性和轉(zhuǎn)換效率曲線進(jìn)行分析，可以看出光伏組件表面積灰是影響光伏組件輸出性能的重要因素，并由此得到以下結(jié)論。

1）光伏組件表面積灰是長(zhǎng)期存在的普遍現(xiàn)象，特別是在秋、冬等雨水較少的季節(jié)，長(zhǎng)期積灰能夠?qū)夥M件發(fā)電性能產(chǎn)生較大的不利影響。

2）光伏組件表面積灰能夠引起組件的轉(zhuǎn)換效率降低，說明灰塵引起組件發(fā)電性能降低的更深層次原因在于降低了光伏組件的透光性，在相同輻照度條件下，對(duì)于大規(guī)模光伏電站造成的功率損失會(huì)很大。

3）自然天氣條件下光伏組件在積灰初期發(fā)電量受灰塵的影響較大，當(dāng)灰塵累積到一定程度時(shí)，光伏組件發(fā)電量受積灰的影響越來越小，根據(jù)組件積灰的這種特性選擇清潔時(shí)機(jī)，指導(dǎo)今后的光伏電站維護(hù)。

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