武永鑫，王 虎,李世杰，李 芮，王靖雯

(1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 石景山 100040；2.寧波諾丁漢大學(xué)，浙江 寧波 315100)

TK 51

A

2096-2185(2017)05-0055-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.05.009

灰塵沉積對光伏組件發(fā)電性能的影響

武永鑫1，王 虎1,李世杰1，李 芮1，王靖雯2

(1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 石景山 100040；2.寧波諾丁漢大學(xué)，浙江 寧波 315100)

積灰會影響到光伏組件對太陽輻照量的接收，從而造成輸出功率下降。針對大理地區(qū)的氣候特點，通過模擬與實測相結(jié)合的方法，對該地區(qū)積灰及雨水沖刷對組件發(fā)電性能的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明少雨的1—5月份，各月積灰造成的組件輸出功率的衰減為11.4%～13.3%，組件積灰較長時間后輸出功率下降明顯，積灰90日后，輸出功率下降21.6%。雨水沖刷研究結(jié)果表明，經(jīng)歷6—10月份的雨水沖刷后，測試積灰組件相對發(fā)電效率由78.1%上升至90.0%，雨水對清潔光伏組件表面灰塵效果明顯。

光伏組件；表面積灰；相對發(fā)電效率；輸出功率； 雨水沖刷

0 引言

光伏電站在運行過程中，組件表面會逐漸沉積灰塵，影響組件對太陽輻射量的接收，從而造成電站發(fā)電量損失[1-4]。

國內(nèi)外科學(xué)家針對灰塵沉積對光伏組件發(fā)電效率的影響展開了大量研究。文獻(xiàn)[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，灰塵對組件發(fā)電效率的影響可達(dá)10%～25%。文獻(xiàn)[6]通過模擬自然灰塵情況，得出積灰密度與光伏發(fā)電效率成反比，并給出了輸出功率與積灰密度之間的線性擬合公式。樸在林等人發(fā)現(xiàn)積灰密度在0.124 4 g/m2時，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率下降16.59%；積灰密度達(dá)到0.898 g/m2時，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率下降54.95%[7]。高德東等研究了荒漠地區(qū)光伏組件表面積灰對轉(zhuǎn)化效率的影響，結(jié)果表明灰塵量達(dá)2～8 g/m2時，會使得光伏電池相對效率降低5%～25%[8]。趙卓靜等研究結(jié)果顯示灰塵覆蓋并不影響光伏電池I-V曲線的趨勢，但隨著灰塵密度的增大，光伏電池的最大輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、短路電流及開路電壓都出現(xiàn)下降[9]。

目前，國內(nèi)外主要通過研究組件表面灰塵密度對光伏組件透過率的影響，但是對于同一地區(qū)，不同月份和不同氣候條件下，積灰與組件輸出功率之間的關(guān)系報道較少。本文針對云南大理地區(qū)光伏組件表面積灰情況，分析不同月份、不同積灰時長及雨水沖刷對組件發(fā)電效率的影響。

1 大理地區(qū)氣候環(huán)境

大理地區(qū)具有低緯度高原季風(fēng)氣候特性，四季氣候差異不明顯，溫差較小。11月到次年4月較為干燥，降水量較少，僅占全年的5%～15%，5—10為雨季，降水量達(dá)全年的85%～95%。因此，選取2016年1—5月份開展組件積灰測試研究，6—10月開展雨水沖刷對組件輸出功率影響檢測。圖1為meteonorm軟件提供的大理地區(qū)多年平均月降雨天數(shù)和降雨量數(shù)據(jù)圖。

圖1 大理地區(qū)各月平均降雨量和降雨天數(shù)Fig.1 Mean monthly precipitation and monthly mean raining days in Dali area.

2 實驗方案

在自然積灰條件下，對不同月份，不同積灰時長及雨季雨水沖刷前后的光伏組件的輸出功率進(jìn)行測量，以分析光伏組件發(fā)電性能的變化情況。

實驗使用意大利HT公司生產(chǎn)的IV400型Ⅰ-Ⅴ測試儀，對光伏組件對光伏組件積灰前后的輸出功率進(jìn)行測試，該設(shè)備可以獲得被測組件在測試及標(biāo)準(zhǔn)條件下的開路電壓(UOC)、短路電流(ISC)、最大功率點電壓(Upm)、最大功率點電流(Ipm)、最大輸出功率(Pm)、填充因子(FF)、組件溫度及組件的Ⅰ-Ⅴ曲線和輸出功率曲線。IV400型Ⅰ-Ⅴ測試儀配備太陽總輻射量測試儀，用以獲得組件檢測時的太陽總輻照量。

實驗采用單晶光伏組件，其最大輸出功率為320 W，組件放置朝向為正南，安裝傾角為26°，詳細(xì)的組件參數(shù)如表1所示。積灰對組件發(fā)電性能的影響研究中，組件輸出功率采集時間為2016年1—5月。測試數(shù)據(jù)于晴朗天氣下采集，數(shù)據(jù)采集時組件傾斜面上的太陽輻射量≥700 W/m2。

表1 光伏組件技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of photovoltaic module

3 結(jié)果分析與討論

3.1組件表面灰塵對相對發(fā)電效率的影響

文獻(xiàn)[10]通過研究灰塵對組件接收太陽輻照強(qiáng)度的影響，提出了相對透過率與積灰時長之間的擬合公式。組件表面積灰密度與其輸出功率下降存在著必然的聯(lián)系，透過率的下降導(dǎo)致了組件輸出功率的下降，積灰越多，相同條件下組件的輸出功率越低[11-12]。因此,本文使用相對透過率與積灰時長之間的關(guān)系式來擬合組件積灰后輸出功率的變化情況，表達(dá)式為

(1)

式中：Pclean為積灰前輸出功率；Pdust為積灰后的輸出功率；η為相對發(fā)電效率，反映了光伏組件輸出功率的變化；a、b、c為經(jīng)驗系數(shù)；D為組件暴露天數(shù)。

使用公式(1)對2016年1—5月各月相對發(fā)電效率隨積灰時長的變化進(jìn)行擬合，所使用的擬合誤差計算方法主要評估指數(shù)為均方根誤差(root mean square error， RMSE)、平均百分比誤差(mean percentage error， MPE)和相關(guān)系數(shù)(r)。其中，RMSE和MPE值越接近于0，擬合精度越高；r值越接近于1擬合越精準(zhǔn)。圖2為各月積灰對發(fā)電效率影響的擬合曲線，所獲得的擬合誤差和各月的經(jīng)驗系數(shù)如表2所示。

從圖2中可以看出，模擬曲線與實測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，所得到滿足公式(1)的經(jīng)驗系數(shù)分別為a=0.952 5，b=-0.031 38和c=0.534 6。由表2可知，各月擬合評估指數(shù)中，RMSE值為0.017～0.020，MPE值為-0.6%～1.4%，r值大于0.908。

圖2 相對發(fā)電效率與積灰時長的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between power generation efficiency and time of dust deposition

表2 經(jīng)驗系數(shù)和統(tǒng)計誤差Table 2 Experience factor andstatistical error

由此可知1—5月中各月的相對發(fā)電效率隨積灰時長的變化情況能夠較好的使用公式(1)進(jìn)行擬合。各月積灰對光伏組件輸出功率造成的衰減較為接近，不同月份積灰造成的組件輸出功率下降分別為：11.4%、11.5%、12.9%、13.3%和13.2%。 可見，該地區(qū)1—5月光伏組件表面的灰塵的沉積情況相似。

使用所獲得的關(guān)系式對較長時間積灰引起的組件發(fā)電效的變化進(jìn)行模擬。圖3為較長積灰時間下(90 天)光伏組件相對發(fā)電效率變化的實測與模擬數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，擬合評估指數(shù)如表3所示。可以看出，圖3中實測數(shù)據(jù)散點大多數(shù)高于模擬曲線，這表明模擬數(shù)據(jù)要低于實測結(jié)果，模擬曲線與實測數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢。在積灰時間較短時組件相對發(fā)電效率下降較快，隨著積灰時間的逐漸增長，組件相對發(fā)電效率下降趨于和緩，這與報道的組件表面灰塵質(zhì)量增加引起的輸出功率的變化趨勢相一致[13]。表3中擬合評估指數(shù)顯示，RMES值、MPE值和r值分別為0.048、-0.79%和0.925，RMES值和MPE值較小，r值接近1，擬合結(jié)果較好。光伏組件在積灰30天后，相對發(fā)電效率下降10.8%，60天后下降了15.9%，90天后下降21.6%。對比之前的報道[2,6]，大理地區(qū)由于氣候濕潤，灰塵對光伏組件發(fā)電效率的影響相對較小，但是由于該地區(qū)土壤為紅壤，此種類型土壤積塵對光伏發(fā)電影響較大[14]，長期積灰對組件發(fā)電效率的影響同樣不容忽視。

圖3 模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of simulated data and measured data.

表3 擬合結(jié)果誤差指數(shù)Table 3 Statistics of fitting result

3.2雨水沖刷對相對發(fā)電效率的影響

大理地區(qū)6—10月為雨季，降水量較大，研究該時段雨水沖刷對積灰光伏組件相對發(fā)電效率的影響，對于電站的清潔維護(hù)方案的制定是十分必要的。圖4為6—10月雨水沖刷前后光伏組件相對發(fā)電效率的變化曲線。由于雨水的沖刷作用，組件相對發(fā)電效率逐漸增大，變化趨勢近似指數(shù)曲線。在未經(jīng)雨水沖刷之前，積灰光伏組件的相對發(fā)電效率為78.1%，經(jīng)過6月份的雨水沖刷之后，其相對發(fā)電效率提升至80.7%。在經(jīng)歷7月份雨水沖洗之后，相對發(fā)電效率上升至87.3%。在經(jīng)過8月份的雨水沖刷之后，光伏組件的相對發(fā)電效率達(dá)到了90%，其后組件雖然經(jīng)歷了9、10月份雨水沖刷，但是其相對發(fā)電效率并沒有進(jìn)一步的上高，依然維持在90%左右。從以上結(jié)果可以看出，大理地區(qū)雨季的雨水沖刷能夠明顯改善灰塵遮擋對光伏組件發(fā)電效率造成的損失，但是無法徹底清除組件表面灰塵的殘留影響，這也許是由于組件表面灰塵主要有當(dāng)?shù)氐耐寥罉?gòu)成，而大理地區(qū)的土壤中鐵和鋁的氧化物含量較多，這些氧化物易形成結(jié)晶，吸附于組件表面，不易因雨水沖刷而被破壞。因此，當(dāng)?shù)毓夥娬拘枰Y(jié)合實際情況對組件表面開展進(jìn)行清潔工作。

圖4 雨水沖刷對光伏組件相對發(fā)電效率的影響Fig.4 Influence of power generation efficiency of photovoltaic module by rain washing.

4 結(jié)論

(1) 使用Adel A Hegazy提出的擬合公式能夠很好的擬合大理地區(qū)光伏組件相對發(fā)電效率隨積灰時長的變化情況。1—5月中，各月灰塵沉積情況基本相同，光伏組件相對發(fā)電效率的衰減值近似，各月灰塵引起的組件發(fā)電效率下降為11.4%～13.3%。較長時間的組件積灰研究顯示，組件相對發(fā)電效率的衰減呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢，長期的積灰對光伏組件輸出功率的影響明顯。本文所獲得的擬合公式對于預(yù)測大理地區(qū)積灰對光伏組件輸出功率的影響具有一定的參考價值。

(2) 6—10月雨水沖刷能夠顯著的提高積灰組件的相對發(fā)電效率，但是無法徹底清除灰塵殘留造成的影響。大理地區(qū)光伏電站可以根據(jù)各月份降雨量的情況來制定光伏組件清洗方案，以節(jié)約清洗費用，提高電站的發(fā)電量，達(dá)到最大的收益。

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DustDepositionImpactonPowerGenerationPerformanceofPhotovoltaicModules

WU Yongxin1, WANG Hu1, LI Shijie1, LI Rui1, WANG Jingwen2

(1. China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Shijingshan District, Beijing 100040, China;2. University of Nottingham Ningbo China, Ningbo 315100, Zhejiang Province, China)

The dust deposition on the surface of photovoltaic module will impact its reception of solar radiation and reduce the power generation efficiency. Aiming at the climatic characteristics of Dali, this paper studies the dust deposition and the rain washing impact on power generation efficiency of photovoltaic modules by combining simulation with actual measurement. The results show that the situation of power generation efficiency degradation caused by dust deposition in different months is similar from January to May with less rain, whose range is between 11.4% and 13.3%. The power generation efficiency of photovoltaic module decreases obviously after a long term dust deposition, which can be up to 21.6% in 90 days. The rain wash research results show that the power generation efficiency of the dust deposition module increases from 78.1% to 90% after undergoing rain washing from June to October, which is significantly improved. The cleaning effect of rainwater on the dust deposition on the photovoltaic module surface is obvious.

photovoltaic module; dust deposition on surface; relative power generation efficiency; output power; rain washing

武永鑫

2017-07-21

武永鑫(1981—)，男，博士，研究方向為太陽能光熱發(fā)電技術(shù)， wuyongxin@cdt-kxjs.com;王 虎(1973—)，男，博士，研究方向為熱能工程;李世杰(1986—)，男，碩士，研究方向為太陽能利用技術(shù);李 芮(1987—)，女，碩士，研究方向為光伏電站設(shè)計；王靖雯(1996—)，女，本科，研究方向為能源工程。

(編輯 蔣毅恒)