林志鴻，曾 飛，王 哲，胡振球，梁健鋒

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東 佛山 528300）

光伏發(fā)電占我國總發(fā)電量的比例在逐步上升，在我國的發(fā)電結(jié)構(gòu)中占有越來越重要的地位。但長時(shí)間在戶外運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能難免會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，特別是積灰對(duì)光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響。同種型號(hào)的組件在相同的輻照條件下，積灰組件的輸出功率遠(yuǎn)低于無積灰的組件。此外，因?yàn)榛覊m吸收太陽輻射可使組件表面升溫，一些含有腐蝕性成分的灰塵在高溫下加速與玻璃的化學(xué)反應(yīng)，從而降低其光電轉(zhuǎn)換效率[1]。因此，灰塵是影響光伏電站發(fā)電性能的關(guān)鍵因素之一。

1 灰塵的來源

灰塵的來源主要有兩個(gè)方面：（1）自然來源，如土壤、砂石風(fēng)化以及火山爆發(fā)、山林火災(zāi)等；（2）人為來源，如人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的，如生活活動(dòng)污染源、工業(yè)生產(chǎn)污染源及交通運(yùn)輸污染源等[2]。

分布式光伏電站大部分安裝在工業(yè)廠房屋頂，該類光伏電站的灰塵主要來源為工業(yè)廢氣，成分有加工粉塵、酸堿顆粒和油性廢氣等，大部分為污染性強(qiáng)、較難清洗的灰塵。

集中式光伏電站主要安裝在山地、水面及平原等地方，該類光伏電站的灰塵主要來源為揚(yáng)塵、沙石風(fēng)化、秸稈焚燒和垃圾焚燒等，大部分屬于易清洗灰塵。

2 灰塵對(duì)光伏電站發(fā)電的影響

2.1 灰塵分類

從對(duì)光伏組件污染性大小方面考慮，灰塵分為普通灰塵、酸堿性灰塵以及油污性灰塵。

普通灰塵為覆蓋在光伏組件表面上，用清水能輕易沖洗的無機(jī)或有機(jī)灰塵。主要成分為土壤揚(yáng)塵、沙石風(fēng)化、谷物塵以及毛發(fā)粉塵等細(xì)小顆粒。

酸堿性灰塵則是與水汽結(jié)合后能與光伏組件表面玻璃蓋板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的灰塵。如：煤廠、氮肥廠生產(chǎn)過程產(chǎn)生的灰塵。

油污性灰塵則是工廠生產(chǎn)的油煙、油霧、瀝青煙、焦?fàn)t煙以及柴油機(jī)尾氣中的顆粒物等，該類灰塵吸附在光伏組件表面，用清水難以清洗干凈，需要用特定的清潔劑清洗。

2.2 普通灰塵對(duì)光伏電站發(fā)電的影響

普通灰塵在風(fēng)力系統(tǒng)的作用下，飄到光伏組件表面，隨著時(shí)間的推移，越積越多，從而影響光的入射，導(dǎo)致光伏組件發(fā)電效率降低，發(fā)電量受損，如圖1所示。有研究表明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[3]，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。

圖1 灰塵遮擋的組件

此外，積灰還會(huì)阻擋光伏組件的熱量向外傳遞，從而導(dǎo)致輸出功率下降。有研究表明太陽電池溫度每上升1℃，輸出功率約下降0.5%[4]。當(dāng)積灰到一定程度時(shí)，被灰塵遮擋的部分由發(fā)電單元變?yōu)楹碾妴卧?，升溫速度遠(yuǎn)大于未被灰塵遮擋的部分，致使溫度過高出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象，降低發(fā)電功率。光伏組件熱斑現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 灰塵造成的組件熱斑

2.3 酸堿性灰塵對(duì)光伏電站發(fā)電的影響

酸堿性灰塵除了含有普通灰塵所具有的特性外，還能與光伏組件面板的玻璃成分發(fā)生酸性或堿性化學(xué)反應(yīng)。隨著玻璃在酸性或堿性環(huán)境里的時(shí)間增長，玻璃表面就會(huì)慢慢被侵蝕，從而在表面形成坑坑洼洼的現(xiàn)象，如圖3所示，影響光線入射，導(dǎo)致實(shí)際到達(dá)光伏電池表面的能量減少，降低光伏電池發(fā)電量。這個(gè)影響效果是不可逆的，故在該環(huán)境下運(yùn)行的光伏發(fā)電站發(fā)電量會(huì)出現(xiàn)不可逆的發(fā)電效率損失。

圖3 酸堿性灰塵造成的玻璃腐蝕

2.4 油污性灰塵對(duì)光伏電站發(fā)電的影響

油污性灰塵除了含有普通灰塵所具有的特性外，還能在光伏組件表面玻璃蓋板上形成油膜，如圖4所示，從而使得組件表面更易吸附灰塵，致使組件溫度更高，發(fā)電功率下降更快。

圖4 油污性灰塵造成的遮擋

在清洗油污性灰塵時(shí)，單單使用清水是無法沖洗干凈的，還需要另外配合特定的清潔劑來清洗。故在雨天過后，受油污性灰塵污染的光伏電站發(fā)電量提升效果遠(yuǎn)低于受普通灰塵污染的光伏電站。若長期在油污污染的環(huán)境下運(yùn)行，光伏電站的發(fā)電效率同樣會(huì)出現(xiàn)不可逆的損失。

由于灰塵對(duì)電站發(fā)電存在溫度、遮擋和腐蝕等影響因素，為了控制灰塵對(duì)光伏電站發(fā)電性能的影響，在灰塵遮擋損失超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]的要求時(shí)，建議對(duì)光伏電站進(jìn)行一次清洗工作。

3 灰塵對(duì)光伏發(fā)電影響案例

本文對(duì)廣東省廣州市某個(gè)分布式屋面光伏電站進(jìn)行研究，測(cè)試清洗前后的組件發(fā)電功率及系統(tǒng)能效比（PR），評(píng)估灰塵對(duì)光伏電站發(fā)電性能的影響。該電站建設(shè)在汽車工業(yè)園，為混凝土屋頂，容量為6 279.24 kWp，南北面安裝傾角分別為朝南5°和朝北5°，2020年9月份建成后至測(cè)試時(shí)約半年時(shí)間，一直未清洗，于2021年4月11日測(cè)試清洗前PR值，4月12日從現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取5塊組件進(jìn)行最大功率測(cè)試，7月5日由運(yùn)維人員對(duì)電站組件進(jìn)行整體清洗，7月7日測(cè)試清洗后PR值，7月8日對(duì)相同的5塊組件進(jìn)行最大功率測(cè)試。

3.1 清洗前光伏電站的發(fā)電情況

電站清洗前組件表面有明顯積灰，集中在邊緣一側(cè)，如圖5所示。

圖5 電站清洗前組件外觀照片

電站清洗前測(cè)試電站PR值，抽檢5塊組件進(jìn)行最大功率測(cè)試，計(jì)算平均污漬損失率，結(jié)果見表1。

表1 電站清洗前組件測(cè)試數(shù)據(jù)

由數(shù)據(jù)可得，在光伏電站長期未清洗的情況下，積灰對(duì)光伏組件的發(fā)電功率影響較大，功率損失比率平均值高達(dá)15.27%。

在半年未清洗的條件下，對(duì)該光伏電站的整體發(fā)電效率進(jìn)行一個(gè)晴朗日的測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 電站清洗前PR值

為排除溫度的影響，對(duì)實(shí)測(cè)的PR值進(jìn)行溫度修正，修正到STC條件下，見表3。

表3 電站清洗前PRSTC值

由結(jié)果可得，該光伏電站在清洗前的整體發(fā)電效率為72.62%，進(jìn)行溫度修正后的發(fā)電效率為76.93%。

3.2 清洗后光伏電站的發(fā)電情況

電站清洗后組件表面積灰基本清洗干凈，如圖6所示。

圖6 電站清洗后組件外觀照片

清洗后對(duì)表1中的5塊組件重新進(jìn)行功率測(cè)試，結(jié)果見表4。

表4 電站清洗后組件測(cè)試數(shù)據(jù)

在進(jìn)行大規(guī)模的組件清洗之后，仍然存在輕微的灰塵遮擋功率損失，平均值為0.81%。此時(shí)對(duì)該光伏電站的整體發(fā)電效率進(jìn)行一個(gè)晴朗日的測(cè)試，結(jié)果見表5。

表5 電站清洗后PR值

為排除溫度的影響，對(duì)實(shí)測(cè)的PR值進(jìn)行溫度修正，修正到STC條件下，見表6。

由結(jié)果可得，該光伏電站在清洗后的整體發(fā)電效率為81.52%，進(jìn)行溫度修正后的發(fā)電效率為87.07%。

綜上所述，該光伏電站在長期未清洗的情況下，組件標(biāo)準(zhǔn)條件下的功率值平均損失達(dá)15.27%，對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率PR值為72.62%，溫度修正后的PRSTC值為76.93%；清洗后積灰基本清洗干凈，污漬損失率大大降低，平均損失為0.81%，PR值提高到81.52%，增幅達(dá)8.90%；考慮到清洗前后測(cè)試日期的季節(jié)差異帶來的組件結(jié)溫影響，修正到PRSTC后增幅為10.14%，可見灰塵遮擋對(duì)光伏電站發(fā)電性能影響非常大。假設(shè)第二次PR值測(cè)試時(shí)電站仍未清洗，則發(fā)電量減少8.90%，減少發(fā)電量3 402 kW·h。

4 結(jié)束語

本文對(duì)一個(gè)約半年未清洗的汽車工業(yè)園混凝土分布式光伏電站進(jìn)行分析，得出長期積灰對(duì)電站光伏組件的發(fā)電性能存在很大影響。由于積灰從溫度、遮擋和腐蝕等方面影響光伏組件的發(fā)電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱斑，大大增加電站安全風(fēng)險(xiǎn)，建議根據(jù)光伏電站組件的積灰情況進(jìn)行評(píng)估，在達(dá)到某一值時(shí)，應(yīng)對(duì)所有組件進(jìn)行清洗，減少積灰對(duì)電站發(fā)電的影響，消除潛在的安全隱患。