西安城区灰尘对分布式光伏电站输出功率的影响分析

陕西光伏产业有限公司 ■ 王锋 张永强 才深

一 引言

近两年，我国太阳能光伏产业接连受到国内外经济形势低迷的冲击，加上美欧“双反”的重创，国内光伏发电的发展趋势逐渐由大型并网电站向城市屋顶分布式光伏系统转移。与大型并网光伏电站不同，分布式光伏电站具有“容量小、分布广、总量大”的特点。其选址着眼于广阔的城市闲置屋顶，布置灵活，潜在容量十分可观。因此从中央到地方纷纷出台鼓励政策促其发展，如2009年国家开始实施至今的“金太阳”工程、上海市的《上海市10万个屋顶计划》、深圳、杭州、扬州等地的“阳光屋顶”计划[1]等。

随着城市环境的日趋恶化，特别是秋冬季节北方集中出现的雾霾天气，给分布式光伏发电带来了不小的影响。雾霾中的大气颗粒物不仅吸收阳光使能见度降低[2]，还造成灰尘沉积增加。太阳电池组件表面积灰，输出功率就会降低，降幅甚至达到26%[3]。类似的大气环境总是区域性出现，区域内的分布式光伏电站都将受其影响，对该地区功率输出总量造成不小的损失。

本文选取西安城区冬季环境污染较严重的一段时间，在一处运行多年的小型屋顶分布式光伏电站设计实验，探索灰尘积累对分布式光伏电站发电量的影响，以期为城市中的分布式光伏发电系统提出一点维护和管理的参考。

二 灰尘对分布式光伏电站的影响

国内外对于灰尘对光伏系统影响的研究起步很早，上世纪80年代初，Gammon R B等人[4]已发现大气污染对于太阳能利用的严重影响。灰尘对太阳电池功率输出的影响主要是散热和受光两方面。

1 灰尘对光伏组件散热的影响。

目前光伏电站使用最多的是硅基太阳电池组件，硅基太阳电池对温度十分敏感，灰尘在太阳电池组件表面积累，会增大光伏组件的传热热阻，像是给光伏组件盖上了一层“棉被”，影响其散热。研究表明太阳电池温度上升1℃，输出功率约下降0.5%。

2 灰尘对光伏组件受光的影响。

灰尘沉积在光伏组件受光面，首先会遮挡光线对太阳电池的照射，造成太阳电池接受阳光的有效面积减少；其次会使部分光线的入射角度发生改变，造成光线在玻璃盖板中不均匀传播[5]，影响太阳电池对光线的接受，导致输出功率下降。

三 实验部分

1 实验区域

在西安市区一处楼顶太阳能电站中，选择电站中地形较好，光伏组件四周遮挡较少，布置相邻的三个区域，每个区域含有16块光伏组件，分别编号为1区、2区和3区，见图1。

图1 实验区域

2 实验方法

以1区作为对比(户外自然条件下充分积灰)，不作处理，其他两区进行统一清洗(指利用清水冲洗光伏组件表面的积灰并揩干)；利用电站监控系统，记录3个发电区域在清洗前后的每日累积发电量，研究其变化规律。

3 数据筛选

利用电站的监控系统的历史数据查询功能，各区每日的发电量数据可自动完成统计，见图2。

获取清洗前后从2012年11月23日至2013年1月3日共40天内的各区数据，绘成曲线如图3(为观察清晰，将1区发电量曲线上移5个单位，3区下移5个单位)。

对这些数据进行筛选(注1)、汇总、比较和分析后得出实验结论。

图2 监控系统历史报表

图3 各区发电量数据

四 结果与讨论

1 发电量结果

从图3可知，三个实验区域日累积发电量的峰值和谷值总是同时出现，发电量的变化规律也呈现出高度一致性。证明了所选区域的实验条件基本相同，且试验期间各分布式光伏系统均工作正常。

为进一步说明三个区域发电量变化的关系，提出一个无因次量σ：

其中，Q1、Q2、Q3分别是1、2、3区每日的累积发电量。

当σ＜1时，表明1区发电量高于其他两区。当σ＞1时，则表示1区发电量低于其他两区。

2 发电量变化预测值

因为3个发电区域的装机容量基本相等，可以预见σ值的变化，会随时间推移分为3段：清洗前σ值是一个稳定值；清洗后稳定被破坏，2、3区发电量增加，1区不变，σ值会增大；随着灰尘沉积，σ值会缓慢稳定，直到与清洗前相等；σ值的

变化预测如图4所示。

图4 清洗前后σ1和σ2的预测值

3 发电量变化实际值

统计清洗前后每日的σ1和σ2实际值，绘成曲线如图5所示。

图5 清洗前后σ1和σ2的实际值

从图5可知，实际σ1和σ2曲线与预测基本吻合，曲线随时间推移分成3段：12月6日前σ1和σ2稳定在0.95～1.05间；12月20日后σ1和σ2稳定在1.0～1.05间；12月6日至12月20日，σ1和σ2则远高于其它两个区间。表1统计了σ1和σ2清洗前后的平均值。

从表1可知，清洁前后光伏组件的输出功率约提高15%，12月20日后，输出功率则降低至与清洁前相等。

表1 σ1与σ2的平均值

4 曲线陡降的原因初探

从图5可知，12月21日前后σ1和σ2值突然降低，图线非常陡峭。这与预期不相符。

由前文分析可知，发电量降低是光伏组件表面的积灰引起的。一般说来，粗颗粒物多以滚动方式搬运；中细颗粒物多以跳跃方式搬运；极细颗粒物多以悬浮方式搬运[6]。本次实验中的光伏电站位于城市楼顶，距地高度约为20m，光伏组件表面积灰的主要来源是悬浮在大气中的极细颗粒物。

图6 实验期间高新区可吸入颗粒物(PM10)含量

查阅实验期间西安高新区可吸入颗粒物(PM10)含量，如图6所示。

实验期间，特别是清洗组件后，高新区可吸入颗粒物(PM10)含量一直比较高，甚至多日出现重污染。

12月21日西安市区突降大雪，降雪促进了大气中颗粒物的沉降，由于降雪对组件表面的冲刷作用很小，降雪消融后，颗粒物会留在组件表面，因此2、3区输出功率出现锐减。

可见，大气中颗粒物若不积沉在光伏组件上，对光伏组件输出功率影响不大；但此大雪或雾霾等降尘天气会加速颗粒物的沉降，导致光伏组件的输出功率骤降。

因此降尘天气之后，再清洗光伏组件将能获得更高的发电收益。

五 结论

对实验数据汇总、分析后，可得到以下结论：

(1)大气中颗粒物漂浮时，对光伏组件的输出功率影响不明显。

(2)在相同条件下，清洁的光伏组件与积灰的光伏组件相比，其输出功率要高出至少15%。

(3)降雪会加速光伏组件表面积灰。

(4)大气污染严重的情况下，清洁光伏组件的最佳时机在大雪等降尘天气之后。

[1] 刘光旭，吴文祥，张绪教，等.屋顶可用太阳能资源评估研究——以2000年江苏省数据为例[J].长江流域资源与环境,2010,19(11):1242－1248.

[2] 董雪玲.大气可吸入颗粒物对环境和人体健康的危害[J].资源·产业,2004,6(5):50－53.

[3] Jiang Hai, Lin Lu, Ke Sun. Experimental investigation of the impact of airborne dust deposition on the performance of solar photovoltaic (PV)modules[J].Atmospheric Environment, 2011,45(25):4299－4304.

[4] Gammon R B,Huning J R,Reid M S, et al. Urban air pollution and solar energy[J]. International Journal of Ambient Energy,1981,2(4):183－195.

[5] 居发礼.积灰对光伏发电工程的影响研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[6] 韩永明，杜佩轩，李智明，等.西安市灰尘循环模式及搬运沉积[J].物探与化探.2003,27(3):227－229.