荒漠中光伏发电量受光伏组件积尘的影响和自动清洁经济效益研究

王莉　董鋆刚

摘 要：为明晰积尘对光伏组件的影响，探索荒漠这种特殊环境对光伏组件的影响，寻求提升经济效益的方法。文章运用文献研究和案例研究的方法，分析了积尘对光伏组件的遮挡影响、热斑效应和腐蚀影响，研究了荒漠中积尘的状况，对清洁后的光伏组件的经济效益进行研究。得出自动清洁装置相比于人工清洁对提升发电站经济效益具有显著作用。

关键词：光伏组件；发电量；积尘；经济效益；荒漠

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）12-0169-02

对于光伏组件而言，灰尘会对其产生遮挡、腐蚀以热斑效应等一系列负面效应，进而影响光伏组件的输出功率。而荒漠作为一个风沙大、自然环境恶劣、尘土较多、遮挡物少的地区，附着在光伏组件上的积尘要明显多于其他地区，对光伏发电量的影响也大于其他地区。及时对组件表面进行清理，防止组件被遮挡、预防热斑效应，将大大提高光伏系统的性能，增加投资收益。

1 积尘对光伏组件发电量的影响

1.1 积尘对光伏组件的遮挡效应

荒漠中的灰尘较大，在光伏组件上的积尘也较多。沉积在组件上的灰尘会遮挡光伏组件的玻璃盖板，造成盖板的透射性减弱，从而减弱到达太阳电池面上的光强。光强减弱将减弱光电效应，直接减少光伏的发电量。同时，积尘遮挡对光伏组件的输出功率具有直接性影响。

光伏组件玻璃盖板的作用是保护发电主体，其透光率大于91%。由光线传播原理可知，当入射光线照射到玻璃盖板时，光线会发生折射现象和反射现象。当光伏组件表面有积尘时，其光电效应原理如图1所示。

光线（光强为E）照射到灰尘表面时，灰尘将光线吸收和散射。部分被散射的光线会照射到玻璃盖板上（图中E1所示光线），到达光伏玻璃盖板的实际光强仅为E1，相较于无积尘时减少（E-E1）。综上所述，当光伏组件表面有积尘时，其发电量将少于清洁状态下。

1.2 积尘对光伏组件的温度效应

一般而言，光伏组件的热平衡维持是在光伏组件清洁的情况下运行的。而在荒漠中，光伏组件不可避免的有积尘覆盖，覆盖的积尘改变了光伏组件的热平衡状态。积尘的存在使部分光伏组件因遮挡无法正常工作，其温度快速升高，而未被遮挡的光伏组件其温度远低于被遮挡的部分。这样就使得被积尘遮挡的光伏组件因温度过高而被烧坏，暗斑就此出现，进而导致整个光伏组件破坏，无法工作。

综上所述，积尘会使光伏组件产生热斑效应，破坏光伏组件系统，致使其发电量减小，甚至完全破坏无法发电。

1.3 积尘对光伏组件的腐蚀效应

玻璃盖板钢化玻璃的主要成分是石灰石和二氧化硅等。荒漠中的大量积尘是呈酸性或碱性，会与石灰石和二氧化硅发生化学反应。附着在玻璃盖板上的积尘，加之空气中湿润的水份，就会与玻璃盖板中的成分发生酸碱反映，腐蚀玻璃盖板。

玻璃盖板与积尘发生酸碱反应后，玻璃盖板表面就会变得粗糙，粗糙的表面其对光线的反射作用增大，而折射作用减弱。这样入射到太阳电池上的光线就会减少，进而减弱光电效应，最终使光伏组件的发电量减少。虽然积尘的腐蚀不是瞬时发生的，且其影响不大，但是玻璃盖板的腐蚀却是难以修复的。玻璃盖板一旦被腐蚀，将永久无法恢复，因此，必须加强对光伏组件的日常维护和养护才能降低腐蚀危害。

2 荒漠特殊环境对光伏组件的影响分析

2.1 昼夜温差大的影响分析

荒漠生物稀疏、人类及其他生物活动少，其主要组成成分——沙石的比热比水的比热低得多。因此，在同样的日照下，荒漠接受光照的强度比较大，吸收热量的速度比较迅速；而在夜晚，热量释放的速度也比较快，温度迅速下降。较大的昼夜温差，会导致水蒸气的凝结及蒸发，这样在光伏组件上就会产生水滴，容易使光伏组件与积尘发生化学反应。而日间较高的温度也易导致光伏组件热斑效应的发生。

2.2 风沙大的影响分析

荒漠由于植被稀疏、砂石颗粒较多，因此风沙较大。一旦起风，没有阻挡的风会卷着沙尘一泻千里。因此，在荒漠中光伏组件表面的积尘要明显多于其他地区。漫天的沙尘会沉积在光伏组件表面，致使光伏组件光线透射率降低，甚至产生化学反应及热斑效应，降低光伏组件的发电量。

3 清洁对提升光伏发电量的效益影响

认识到积尘对光伏组件发电量的影响之后，越来越多的学者开始关注清洁对提升光伏发电量效益的影响。根据美国航空航天局研究显示：积尘的覆盖率达4.05 g/m2就能减少40%的太阳能转换，尤其在环境条件较差的地区（如荒漠）影响更大。

国内两家研究机构对清洁对光伏组件发电量的影响进行了研究，其研究数据表明：年累计发电量、年累计节约费用、CO2减排量都可提高25%，SO2减排量、烟尘减排量可提高25.7%，标准煤节约量提高25.1%。根据安徽蚌埠2 MW电站的测试，发电站经过20 d的灰尘累积其发电量下降24%。而深圳光伏建筑一体化项目研究表明，相对于15 d未清洁的组件，清洁后的组件发电效率提高平均25%。虽然光伏组件清洁对提高效益具有作用，但是人工清难度大，成本高，对提升光伏发电量的效益影响甚微。

4 自动清洁提升发电量的效益分析

光伏组件自动清洁装置指根据光伏发电原理，采用自动控制系统与传动系统相结合，来对光伏组件进行自动清洁，提升光伏组件发电效率的机电产品，可以提升10%～30%的发电率。

但是，不同的地区降尘量和灰尘排布也有所不同，而且不同地区的空气湿润程度不同。植被覆盖率较高的地区，降尘量就少；空气湿润的地区，光伏组件发生酸碱反应的概率就高。而针对本文所研究的荒漠环境，由于其风沙大、植被少，降尘量和灰尘排布都比较大，因为沉积的灰尘也比较多，自动清洁装置对提升经济效益的作用也会更为显著。

根据目前科学技术的发展水平，对自动清洁装置的设计有很多种方式，主要分为以下两种：单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。

调查研究表明，单轴跟踪系统可以提升约10%的发电量，双轴跟踪系统可以提升约15%～20%的发电量。从投入产出比来看，清洁对于提升经济效益效果显著。下面以宁夏嘉泽项目20 MW光伏电站作为研究案例进行分析。

该项目共有87 600块光伏组件，共需791套清洁装置，每套装置的材料成本和安装成本合计为7 775元。安装自动清洁装置后，发电量将提升10%/a，发电量3 000万 kWh/a，效益增收300万元/年（电价1元/kWh），人工节省费84万/a，投资回收期1.6 a，见表1。

综上所示，自动清洁装置可以大大降低人工成本，尤其是在荒漠地区这种降尘量较大的地区，更需采用自动清洁装置对光伏组件进行清洁。

这将大大降低荒漠地区发电站的成本，提高光伏电阻的发电量，提升经济效益。

5 结 语

①本文分析了积尘对光伏组件发电量的影响，发现了积尘会遮挡玻璃盖板，影响光电效应，降低发电量；积尘会导致光伏组件发生热斑效应，破坏光伏组件；积尘会与玻璃盖板发生酸碱反应，且难以修复。

②本文分析了荒漠这种特殊环境对光伏组件的影响，得出荒漠由于昼夜温差大、风沙大，其对光伏组件产生的积尘多，发生化学反应的机会大，对光伏组件发电量的影响更为显著。

③本文分析了清洁对提升光伏组件发电效益的作用，得出清洁可以提高光伏组件的经济效益，但人工清洁成本高。

④本文分析了自动清洁对提升光伏组件经济效益的作用，发现自动清洁可以较好的提升经济效益，是值得提倡的做法。

参考文献：

[1] 陈东兵，李达新，时剑潘，等.光伏电池组件表面积尘及立杆阴影对电站发电功率影响的测试分析[J].太阳能，2011，（9）.

[2] 田智华，段凯.光伏建筑一体化光伏电池组件表面清洁的效益分析[J].建筑热能通风空调，2011，（4）.