柳一鳴，鄭思思，方曉敏

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000；2 衢州市工程技術(shù)學(xué)校，浙江 衢州 324000）

2019 年全國光伏發(fā)電量累計(jì)裝機(jī)容量20430 萬千瓦，2019 年全國光伏發(fā)電量達(dá)2243 億千瓦時(shí)，同比增長26.3%。光伏組件長時(shí)間暴露于空氣中，灰塵容易沉積在光伏組件的表面，導(dǎo)致組件表面能夠接收到的光照強(qiáng)度下降，引起組件輸出功率下降，最終降低光伏電站的發(fā)電量。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有研究表明，長時(shí)間的積灰能夠使光伏組件的峰值輸出功率降低最高達(dá)到40%左右，為了減少灰塵遮蔽光伏組件導(dǎo)致發(fā)電量降低的影響，需要不定期的對組件進(jìn)行清洗。而清洗的效益由當(dāng)前發(fā)電量下降、未來天氣情況和清洗成本所決定；清洗時(shí)機(jī)合理清洗效益可以最大化，而清洗時(shí)機(jī)不合理，清洗甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)收益。對于一些小型分布式光伏電站，如家庭、學(xué)校等光伏電站，缺少具備相關(guān)專業(yè)知識人員，很難合理的選擇清洗時(shí)機(jī)。

當(dāng)前階段的光伏電站采用的比較典型的清洗時(shí)間計(jì)算方法可以歸納為以下三種：

（1）周期性頻次清洗策略。研究者主要通過記錄T 時(shí)間段內(nèi)的發(fā)電量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，當(dāng)清洗成本達(dá)到發(fā)電收益的一定比例時(shí)，確定清洗周期，光伏組件將在每個(gè)周期時(shí)間到達(dá)時(shí)立即清洗。這樣的研究方案是不可靠的，因?yàn)檠芯空邿o法確定每個(gè)清洗后的光照條件，同時(shí)也不能確定積灰導(dǎo)致的發(fā)電量損失與清洗成本之間的關(guān)系，清洗后，光照變差，將會導(dǎo)致收益下降，造成發(fā)電損失。

（2）計(jì)算輸出功率損失率的清洗策略。通過伏安曲線檢測儀來測試光伏電站中某一光伏方陣的伏安曲線，然后將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的功率值，計(jì)算其與標(biāo)準(zhǔn)功率的差值比例，再通過計(jì)算該方陣的發(fā)電損失與清洗成本的臨界關(guān)系，從而確定清洗時(shí)間。此種方法中，由于研究者所使用的伏安曲線檢測儀多為直接購買，且目前市場上還沒有能夠用于在并網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行工作的伏安曲線掃描儀，研究者只能在離網(wǎng)狀態(tài)下對光伏組件進(jìn)行測試，減少了光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電時(shí)間，造成發(fā)電損失，實(shí)際操作性不高，需要配備專業(yè)的操作設(shè)備和技術(shù)人員，同時(shí)該方法沒有考慮到收益，容易造成清洗后收益降低。

（3）對比發(fā)電量損失率清洗策略。研究者通過建立兩個(gè)對比的光伏方陣，分為參比方陣與實(shí)測方陣，在較短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行對參比方陣進(jìn)行清洗，對實(shí)測方陣不進(jìn)行清洗的方法，來對比這兩個(gè)光伏方陣在一定時(shí)間內(nèi)的發(fā)電量，當(dāng)兩個(gè)方陣的發(fā)電量差值達(dá)到預(yù)期的設(shè)定值時(shí)，便對整個(gè)光伏電站進(jìn)行清洗。此種清洗方法存在不足，其忽略了發(fā)電量損失是已經(jīng)客觀存在的事實(shí)，并不能因?yàn)榇舜吻逑?，損失的發(fā)電量還能夠收回。而應(yīng)該考慮的是，清洗之后，電站的發(fā)電量能夠提升多少，比較固定時(shí)間段增加的發(fā)電收益與清洗成本的關(guān)系確定清洗策略。

圖1 光伏組件及檢測原理圖A

圖2 光伏組件清潔度檢測原理圖B

綜上所述，開發(fā)低成本、易實(shí)施、無需專業(yè)人員維護(hù)的光伏組件積塵智能監(jiān)測系統(tǒng)，為光伏電站的合理清洗提供依據(jù)，對于提高光伏電站經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 積塵檢測原理

將通過比對的方法來得到積灰組件與清潔組件之間輸出功率的比值，并以此數(shù)值來定義清潔度。這樣，用戶可以直觀的得到積灰導(dǎo)致的發(fā)電量下降比例，或者說是對組件進(jìn)行清洗，發(fā)電量可以提高的比例；該數(shù)值可以為清洗時(shí)間的選擇提供依據(jù)。

光伏組件的輸出功率除了與光照、溫度有關(guān)，還與自身的轉(zhuǎn)換效率、衰減有關(guān)。為了提高檢測的精度，本文采用將一塊小型光伏組件放置在高透光玻璃（光伏組件專用玻璃）下面，玻璃一半暴露在外面，與光伏電站的組件保持一樣的清潔度，另一半則在暗箱中保持清潔狀態(tài)。首先測量圖1 位置時(shí)小型光伏組件的輸出功率，然后電動推桿通電將清潔的玻璃推到左側(cè)，如圖2 所示，再次測量小型光伏組件的輸出功率。將兩次測量結(jié)果進(jìn)行比對就可以得到光伏組件因積灰導(dǎo)致輸出功率下降的比例。系統(tǒng)還設(shè)置了自動清洗裝置，當(dāng)光伏電站進(jìn)行組件清洗后，本系統(tǒng)也要進(jìn)行清洗，從而保持與光伏電站中組件的清潔度一致。清洗系統(tǒng)包括水箱、液位傳感器、進(jìn)水電磁閥、水泵和噴頭。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的硬件系統(tǒng)如圖3 所示。小型光伏組件通過控制單元向蓄電池充電，蓄電池為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。因此小型光伏組件在系統(tǒng)中即發(fā)揮檢測元件的功能，也發(fā)揮了發(fā)電的功能，保證本系統(tǒng)可以不需要外接電源?？刂茊卧獙?shí)時(shí)檢測小型光伏組件的輸出功率，在達(dá)到預(yù)定測試條件（可以從時(shí)間、光照強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置）時(shí)啟動對比檢測，即啟動電動推桿，使玻璃運(yùn)動到圖2 所示位置，并檢測小型光伏組件的輸出功率。由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理后進(jìn)行存儲，并通過無線通信模塊發(fā)送給用戶，當(dāng)然用戶也可以通過系統(tǒng)自帶的顯示模塊進(jìn)行查詢。同時(shí)控制單元還采集液位傳感器的信號，控制進(jìn)水電磁閥的開關(guān)來保持水箱水位。在用戶啟動自動清洗功能時(shí)，控制器啟動水泵和電動推桿，利用噴頭和光伏組件專用玻璃的移動來實(shí)現(xiàn)自動清洗。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)每天定時(shí)檢測發(fā)電量下降程度，并通過網(wǎng)絡(luò)獲取天氣數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出當(dāng)前清洗能產(chǎn)生的效益，最后把結(jié)果發(fā)送到用戶手機(jī)上。采用“YY天氣”天氣數(shù)據(jù)接口API，可以獲取7 天的天氣預(yù)報(bào)。每個(gè)城市設(shè)定了編碼，如衢州為CH2110，如圖5 所示。

4 關(guān)鍵部件選型

4.1 小型光伏組件選型

現(xiàn)有光伏電站要采用單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，針對這種情況，項(xiàng)目中小型光伏組件也將選用單晶硅和多晶硅兩種。本文采用的光伏組件如圖6、圖7 所示，主要參數(shù)為：電壓18V，功率5W，經(jīng)過穩(wěn)壓以后可以為12V蓄電池充電。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 城市編碼

圖6 小型單晶硅光伏組件

圖7 小型多晶硅光伏組件

4.2 電動推桿選型

電動推桿在本系統(tǒng)中主要用于改變玻璃的位置，本文采用的電動推桿如圖8 所示，該推桿采用12V 電源，推力6000N，形成50mm-1000mm 可選，正負(fù)極互換控制推出和收回。

圖8 電動推桿

4.3 無線通信模塊選型

本文采用的無線通信模塊為SIM900 GPRS/gsm 無線傳輸模塊，如圖9 所示。該模塊4 頻模塊全球可用，支持各類單片機(jī)，具備發(fā)送SMS 短信，打電話，GPRS 等功能，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制設(shè)備開發(fā)，無線抄表，智能家電，超遠(yuǎn)距離控制等。

5 結(jié)論

圖9 無線通信模塊

針對光伏電站無法合理安排清洗時(shí)間，最終導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電收益因積塵下降的問題，設(shè)計(jì)了一種光伏組件積塵智能監(jiān)測系統(tǒng)。光伏組件積塵問題采用小型光伏組件作為發(fā)電量檢測元件，分別測試清潔玻璃和積灰玻璃下的發(fā)電量來獲得光伏組件發(fā)電量因積灰導(dǎo)致的下降程度。該方法檢測的是同一塊光伏組件的輸出功率，避免了對比測試中因光伏組件本身差異而導(dǎo)致的測量誤差。同時(shí)小型光伏組件還為系統(tǒng)中的蓄電池充電，保證系統(tǒng)可以不需要外接電源。系統(tǒng)通過無線模塊獲取網(wǎng)絡(luò)天氣資源，并據(jù)此進(jìn)行當(dāng)前效益分析，并發(fā)送到用戶手機(jī)上，用戶可以直觀的了解到光伏電站當(dāng)前發(fā)電量損失以及當(dāng)前的清洗效益，可以合理的安排好清洗時(shí)間，提高清洗的經(jīng)濟(jì)效益，提高光伏電站的收益。