灰尘对光伏电站发电量的影响及解决方案的对比分析

卢育发， 吴可凡， 董庆国

（1.安徽电子信息职业技术学院;2.蚌埠市第二中学; 3.安徽天柱绿色能源科技有限公司， 安徽 蚌埠 233000）

灰尘对光伏电站发电量的影响及解决方案的对比分析

卢育发1， 吴可凡2， 董庆国3

（1.安徽电子信息职业技术学院;2.蚌埠市第二中学; 3.安徽天柱绿色能源科技有限公司， 安徽 蚌埠 233000）

光伏电站的运营收益不理想，主要原因是沉积在光伏电池板表面的灰尘严重影响了电池板的正常发电，国内外多个调查机构针对灰尘影响光伏系统功率衰减进行研究，得出数据表明：我国光伏系统输出功率受灰尘影响平均约20%左右，即1兆瓦电站每年因灰尘损失电量约25万KWh，科技工作者投入大量资金花费几年的时间才能使光伏组件技术提升1～2个百分点的发电效率，但如果能有效解决光伏组件表面灰尘等污染物的清扫问题就能提高发电量将达到15%以上，因此保持光伏电站光伏电池板的清洁将能大大提高光伏电站的发电能力。

光伏电池板；灰尘；损失电量；智能无水自洁；清扫机器人

随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，有限的化石能源的消耗量逐年增大，由此导致世界能源危机日益加剧，自然生态环境日趋恶化①。尤其是当前，世界各国都已经清醒的认识到：常规化石能源的无节制使用，不但会导致化石能源最终的枯竭耗尽，同时也是对人类赖以生存的环境的严重污染和破坏。为了保持社会的不断进步和经济的持续发展，寻求新能源成为全世界关注的焦点[1]。经过长期的不断地探索和实验，太阳能光伏发电以其能源分布广泛、且可持续能力强、发电过程简单、既没有机械转动部件，也不消耗燃料；既不排放任何污染物，也不产生噪声等优点，已被公认是一种最具可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的绿色环保新能源。

有关资料显示：2011年，全球光伏新增装机容量约为27.5GW，较2010年的18.1GW相比，涨幅高达52%，全球累计安装量超过67GW。其中中国是全球光伏发电安装量增长最快的国家，2011年的光伏发电安装量比2010年增长了约5倍，2011年电池产量达到20GW，约占全球的65%。随着最近几年国家“光伏扶贫”等项目的不断推广，我国的光伏发电事业得到了飞速发展，2015年全国光伏发电新增装机容量达到15.13GW，至2015年底全国累计装机量37.95GW，2016年将可能实现新增装机量约20GW。

虽然光伏电站的装机容量逐年攀升，但是人们发现很多光伏电站的发电量并没有达到设计要求，其主要原因就是沉积在光伏电池板表面的灰尘严重影响了电池板的正常发电，国内外多个调查机构针对灰尘影响光伏系统功率衰减进行研究，得出数据如图1所示。

从上图可以看出我国光伏系统输出功率受灰尘影响平均约20%左右，即1兆瓦电站每年因灰尘损失电量约25万KWh，科技工作者投入大量资金花费几年的时间才能使光伏组件技术提升1～2个百分点的发电效率，但如果能有效解决光伏组件表面灰尘等污染物的清扫问题就能提高发电量将达到15%以上，美国国家航空航天局研究显示：每平方米仅有4.05克的灰尘层就能减少太阳能转换效率40%，因此保持光伏电站光伏电池板的清洁将能大大提高投资者的收益。

图1 灰尘影响光伏系统功率衰减

一、灰尘对太阳能电池板的影响

众所周知，太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体的特性有关，其发电能力是随着周围环境温度、半导体中杂质含量及光照强度而变化的。太阳能电池板表面沉积的灰尘对入射光具有反射、散射和吸收太阳辐射的作用，可降低入射光的透过率，造成太阳能电池板面板接收的太阳辐射量减少，输出功率也随之减小，这是灰尘对太阳能电池板最直接的影响。

其次，如果在太阳能电池板矩阵中的任何一串联支路中的太阳能电池单体或组件的表面被灰尘或异物遮蔽，被遮蔽的太阳能电池单体或组件不仅不能正常工作，它还将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳能电池单体或组件此时就会发热，这不仅会消耗有光照的太阳能电池组所产生的能量，同时还会导致太阳能电池单体或组件温度不断升高，最终会使焊点融化，破坏封装材料（如果无旁路二极管保护），甚至会使整个矩阵失效。

再次，沉积在太阳能电池板表面的灰尘会导致光伏面板的传热形式发生变化，会增大面板的传热热阻，影响太阳能电池板组件的散热，导致组件温度升高。有研究资料表明：面板温度上升1℃，输出功率约下降0.5%[2]。

另外，灰尘的成分比较复杂，有的呈酸性，有的呈碱性，而晶硅光伏面板的主要成分为二氧化硅和石灰石等，如果沉积在太阳能电池板表面的灰尘碰到空气中的水汽变湿润，就可与面板的组成物质发生化学反应。一段时间后，太阳能电池面板表面在酸性或碱性环境的侵蚀下逐渐发生腐蚀、损伤，使表面变得坑坑洼洼，导致太阳能电池板面板的光学性能衰减，太阳辐射在面板表面发生漫反射，破坏太阳辐射在光伏面板中传播的均匀性。

二、太阳能电池板表面除尘方法对比

通过上述分析可以看到，灰尘不仅影响太阳能电池板的正常工作，同时对于整个光伏电站的安全运营来说也是一个隐患。所以说，太阳能电池板表面的除尘清洁就成了光伏电站运维工作的一个重要工作。

当前各太阳能电站对太阳能电池板表面灰尘的清洁主要采取以下措施：

（一）利用自然界中的力量被动清洁

这种方法就是被动等候借助自然界中的风来吹走太阳能电池板表面的灰尘或借助雨水的冲刷能力来清洗太阳能电池板表面。这种方法的主要优点就是成本低，几乎无需新增投入。但是这种方法有其局限性，这就是季节差别大，清洁效果不明显。在雨季，雨水丰沛，一方面可以冲刷太阳能电池板表面的灰尘，另一方面雨水也可以减少扬尘，这对保持太阳能电池板表面的清洁也有帮助，但是到了旱季效果就微乎其微了。至于风，虽然风能吹走一部分电池板表面的浮灰，但是对一些黏附性强的灰尘就毫无作用，另外，大风常常伴随扬尘，旧的浮沉虽然被吹走了，但是新的灰尘紧跟着就沉积下来，有可能更多，所以，借助自然界中的风或雨来除尘是没有任何保障的。

（二）人工清洁

人工清洁就是通过人力使用一些简单的工具（毛刷、拖把、橡胶条等）对太阳能电池板表面进行清扫，有的还辅助一些清水，一边冲洗一边清扫。这种方法只适用于小型电站。这种方法的优点是清扫效果比较明显，增加的成本较小，对水资源的浪费相对较小。但是缺点也比较明显，首先人工清洗效率比较低，而且所用工具难免会和电池板表面进行磕碰，这样就比较容易损伤太阳能电池板；另外，有些小型电站建在高处（例如建筑物顶部），人员在高处进行清洁作业危险性比较大；还有，有很多电站建在水资源相对比较稀缺的地区，用水比较困难，这样清洁效果将大打折扣。

（三）机械清洁

对于那些大型太阳能发电站来说，如果只是用人力进行定期清洁的话，不仅难度大而且人力成本投入也高，还有效果也不明显。所以需要投入清洁设备用机械对太阳能电池板进行清洁。目前市场上用于太阳能电池板清洁的大型机械设备主要有两种清洁方式，一种利用高压水枪的方式用高压水或水汽混合物来冲刷太阳能电池板表面，另外是用毛刷和水结合的方式对太阳能电池板表面清扫。

机械清洁最大的优点就是清洁效率高、清扫效果好、对太阳能电池板损伤比较小、自动化程度较高。但是它们的缺点也同样明显，设备投入大、对操作人员的素质要求高、水资源浪费比较严重、使用时需要开阔平坦的场地、产生大量污水等缺点成了大型太阳能电池板清洁设备被广泛使用的障碍。

（四）光伏电站无水智能自洁机器人

光伏电站无水智能自洁机器人是一款自动化程度高，一旦投入使用无需人员介入，不需要用水清洁的智能化太阳能电池板清洁装备，该装备包括远程控制机构、机械控制机构、驱动机构、传动机构和设置于传动机构上的清洁装置，传动机构采用无润滑柔性轨道传动，清扫装置与无润滑柔性轨道固定连接，柔性清洁头通过弹性机构固定于无润滑柔性轨道下侧，柔性清洁头上还连接有限位机构，限位机构可沿电池组件的上沿来回滑动。机械控制机构包括与传动电机连接的控制器，及与控制器连接的、位于电池组件上清扫行程两端的限位开关，通过程序设定，每天夜间进行自动清扫工作。远程控制机构也可读取现场环境数据，从而判断是否进行工作（如：雪天阻力过大，可不进行清洁作业）或人工远程控制和监控。

与传统清扫设备相比具有以下优点：

1.该机器人装备无需对光伏组件进行任何改造。自动清洁无需用水，清洁后组件表面洁净程度一致，消除了组件产生热斑的电量损失。

2.其他在白天清洁的方式会影响正常发电，该产品在每天夜间或清晨工作，光伏组件表面每天保持干净，不会存在人工清扫周期内的积尘，光伏发电量将大大提高。

3.清洁维护效率高，轻量化设计，消除了人工清洗带来的电池片隐裂、短路等问题。

4.清洗头自洁材料采用抗紫外线野外耐用的特质材料不磨损组件玻璃，确保将灰尘剥离组件表面，灰尘会从组件排列的间隙中掉落，避免了二次污染。

5.比人工清洗质量好，无劳累程度、责任心、天气、重复频率的限制。

三、光伏电站无水智能自洁机器人实际使用效果

为了进一步验证光伏电站无水智能自洁机器人装备的清洁效果，我们选择安徽电子信息职业技术学院2#和4#学生宿舍楼屋顶光伏电站作为对比测试，对比的两个屋面完全相同，装机容量都为58.8KW，组件等设备及材料都是同一品牌，电站设计角度、阵列、电缆路径、并网方式等完全相同，2#楼安装光伏电站智能自洁装备之前，两个屋面电站在2014年每个月发电量的差值仅为0.3%。2014年12月31日起，2#楼安装智能自洁装备后发电量实际对比结果如图2所示。

图2 安装智能自洁装备后发电量实际对比

上图发电对比数据说明，使用光伏电站智能自洁装备清洁后的光伏电站元月份发电量比不清洁的电站提高量最高可达84%（1月份雨水少）。全年光伏电站使用机器人自洁装备发电提高量平均约20%。根据电子学院宿舍楼2014年发电数据，在蚌埠市1MWp光伏电站如果不清扫年发电量只有100万KWh，安装光伏电站智能自洁机器人装备发电量每年增加20万KWh，按分布式光伏发电电价，每年提高收益约20万KWh×1.4元/KWh=28万元,1MW光伏电站智能自洁装备固定资产投资约40万元，所以因发电量增加的收益不到2年就能收回无水智能自洁机器人装备的投资成本。

四、结论

通过上述阐述我们可以得到以下结论：

灰尘或异物的遮蔽对太阳能电站的正常运营有很大影响，它不仅减少光伏电站的发电量，而且对光伏电站的安全也是一大隐忧。

如果使用传统方法对太阳能发电站的光伏电池板表面进行定期清扫有很大困难，一是后期投入比较大；二是对光伏电池板表面有损伤；三是对水资源浪费比较严重，而且会产生大量的污水，对环境不友好。

光伏电站无水智能自洁装备在不需要人员介入的情况下，可以实现对太阳能电池板定时清洁，不仅自动化程度高，而且不需要用水，对环境无污染，最主要的是清洁效果明显，投资回报周期短。

所以说光伏电站无水智能自洁装备对光伏电站的日常运维是不可或缺的重要设备。

[1]何道清，何 涛，等.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]温 岩，赵 东，等.灰尘对光伏系统的影响.百度文库．

(责任编辑：袁 媛)

Analysis of Dust Affecting the Power Generation of Solar Power Plants&Comparison of the Solutions

LU Yu-fa3，WU Ke-fan2,DONG Qing-guo3
(1.Anhui Vocational collage of Electronics and Information Technology，Bengbu 233000,China；2.A Senior High Student in Bengbu No.2 High School,Bengbu 233000,China; 3.Anhui Tianzhu Green Energy Science&Technology Co.,Ltd.,Bengbu 233000,China)

The benefits from the operating solar power plants fail people’s expectation.A main reason for this is that the dust accumulated on the surface of PV modules produces a significantly decreasing effect on the plant’s power generation.Many research institutes in China and abroad studied the decreasing effect that dust exerts on the plant’s power generation.The data result shows that in China,it is estimated that the dust decreases 20%of the total power output from a photovoltaic system on average,which means a 1MW solar power plant would lose a power generation of 250,000 kWh per year due to the accumulated dust.It takes years of studying and high costs for scientific and technological workers to achieve increasing 1-2%in photovoltaic power generation.If there is an effective way to clean the contaminants on the modules’surface such as the dust,the power generation couldbe raised by 15%.Therefore,keeping clean the PV modules in a solar power plant is vital to increase the plant’s power generation.

PV modules;dust;power generation loss;smart waterless self cleaning;cleaning robot

X382

A

2016－10－29

卢育发（1968－），男，安徽蚌埠人，副教授、副研究员，硕士，研究方向：新能源与光、机、电一体化.E-mail:7336359@qq.com.吴可凡（1999-），男，安徽蚌埠人，高三理科实验班，曾参与安徽天柱绿色能源科技有限公司专题课题研究，曾获安徽省青少年科技创新大赛二等奖。E-mail:wyb0404@126.com.

1671－802X(2016)06－0033－04