积尘对光伏电站发电量的影响及清洁方式分析

吴颖超

(甘肃旻投电力发展有限公司，张掖 734000)

0 引言

光伏发电作为重要的可再生能源利用形式，已得到越来越多国际社会的关注。据国际可再生能源机构(IRENA)的统计[1]，截至2019年年底，全球并网光伏发电累计装机容量为580.1 GW。中国是占全球光伏发电装机容量份额最多的国家，截至2019年年底，其累计光伏发电装机容量达到205.7 GW，占全球光伏发电累计装机容量的35.46%。

从光伏电站的发展趋势来看主要呈现出3个特征[2-3]：1)在城市等人口密集地区，主要采用分布式光伏电站，比如屋顶光伏电站，此类电站具有占地面积小、安装灵活、成本较低的特点；而在西部戈壁等空旷地区，主要采用集中式光伏电站，比如地面光伏电站，此类电站具有占地面积大、集中安装的特点。2)建设光储一体化光伏电站。储能技术的应用能最大化利用光伏电力，缓解光伏电力并网对电网的冲击，并可实时保障电网的调度要求。3)将云存储、云计算、数字孪生、大数据等技术应用于光伏电站，实现了光伏电站的智能化运维管理。未来，基于数字孪生的光伏电站智能化平台将智能电网、物联网、云计算等技术紧密结合，可以解决加入储能环节后光伏电站输出功率的优化分配问题及光伏电站的分级分层控制问题，可有效掌握光伏电站的完整运行信息，从而提高电站的运维效率，加快决策速度，最终保障光伏电站安全、稳定、高效、经济地运行。

然而，由于我国大型地面光伏电站多处于生态环境较差的偏远地区，电站的运维面临较大挑战。尤其是光伏组件表面的积雪、积尘等情况，严重影响了光伏组件的输出功率及其使用寿命[4-7]。因此，研究积尘对光伏组件输出功率的影响，进而对光伏电站发电量的影响，探索出一体化除尘解决方案成为光伏行业的重要课题[8-10]。基于此，本文针对积尘对光伏组件输出功率及光伏电站发电量的影响进行了研究，并对比了不同清洁方式的优缺点。

1 积尘对光伏电站月发电量的影响

光伏组件通过吸收太阳光，将光能转换成电能。光伏电站发电量主要由装机容量、峰值小时数、系统效率这3个因素决定。当光伏电站的建设地点和装机规模确定后，相当于装机容量和峰值小时数已经确定，此时若要提高光伏电站发电量，只能提高系统效率。

影响系统效率的主要因素包括：1)自然原因，比如，环境温度、太阳辐射强度等；2)设备原因，比如，光伏组件的匹配度及性能、逆变器和箱变的效率、直交流线损、设备故障等；3)人为原因，比如，光伏电站设计不当、光伏组件表面的积尘清洁不及时等。在上述影响因素中，自然原因受自然条件的限制无法人为控制；设备原因受产品自身性能及技术条件的限制，可改变的空间也较小；人为原因中，光伏电站设计不当的情况主要包括光伏支架前后排的间距偏小造成的前后排遮挡问题，可通过合理调整进行改进，而对于光伏组件表面的积尘清洁不及时这一项，可通过定期除尘来维持光伏组件表面的清洁，从而提升光伏电站发电量。

粉尘的定义为粒径小于0.05 mm的固体颗粒。随着时间的推移，粉尘会在光伏组件表面累积，形成积尘。通过实验发现，光伏组件表面积尘量会对光伏组件的输出功率产生影响。本文实验均以晶体硅光伏组件(下文简称“光伏组件”)为例进行分析，1 m2光伏组件的输出功率与积尘量的关系如图1所示[7]。

图1 1 m2光伏组件的输出功率与积尘量的关系Fig.1 Relationship between output power of 1 m2 PV module and weight of dust accumulation

由图1可知，光伏组件的输出功率随积尘量的增大而减小。当积尘量达到100 g/m2时，1 m2光伏组件的输出功率相对于积尘量为30 g/m2时光伏组件的输出功率降低了15.2%。由此可知，保持光伏组件表面的清洁至关重要。

对于1 m2光伏组件而言，表面清洁的光伏组件与表面积尘的光伏组件在1天内08:00～17:00期间的输出功率对比如图2所示。由图可知，光伏组件表面有积尘时比无积尘时的输出功率最大下降了23.94%。

图2 1 m2光伏组件表面有、无积尘时的输出功率曲线Fig.2 Output power curve of 1 m2 PV modules surface with or without dust accumulation

由于太阳辐射强度随气候的变化而变化，因此光伏组件在不同月份接收的日太阳辐射总量也会不同。积尘量为100 g/m2时，1 m2光伏组件在不同月份接收的日均太阳辐射总量情况如图3所示。

图3 积尘量为100 g/m2时，1 m2光伏组件在不同月份接收的日均太阳辐射总量情况Fig.3 Total daily average solar radiation received by 1 m2 PV modules in different months when the dust accumulation is 100 g/m2

以采用上述光伏组件的装机容量为50 MW的某光伏电站为例，积尘对光伏电站发电量及收益的影响进行分析。

月发电量W可表示为：

式中：Q为日均太阳辐射总量；n为每个月的天数；A为光伏组件的总面积，此处取35.2万m2；η为光电转换效率，此处取12%。

根据式(1)可得到积尘量为100 g/m2时该光伏电站的月发电量，而通过清洁方式使积尘量降至30 g/m2时，该光伏电站的月发电量可提升6.4%。若按市场电价0.9元/kWh计算，则该光伏电站每月可创造的收益如表1所示。

表1 提高光伏组件表面清洁度后不同月份的收益增加情况Table 1 Increase in revenue after improving surface cleanliness of PV modules in different months

由表1可知，通过清洁方式使光伏组件表面的积尘量降至30 g/m2后，光伏电站的年收益可增加455.31万元。

2 光伏组件清洁方式的研究

相较于建设在农村或城市的屋顶光伏电站，我国大型地面光伏电站主要建设在太阳能资源丰富且土地广袤的西北荒漠地区，而这类地区的沙尘较多。受到积尘、积雪等原因的影响，光伏组件的输出功率大幅下降，导致光伏电站的发电量降低，造成了巨大的经济损失。据相关数据显示[11]，若2个月内不清洁光伏组件表面的积尘，光伏组件的输出功率将降低6.9%。若长年不进行除尘工作，光伏组件的输出功率平均将降低17%，严重时甚至能达到40%。而1年1次的清洁仅可以提升0.81%的输出功率；若对光伏组件表面进行定期除尘，使光伏组件表面的积尘量小于30 g/m2，则光伏组件的输出功率可提升9.8%。因此，进行定期除尘是增加光伏电站发电量的发展方向。

关于定期除尘，研究人员已开发出多种清洁设备，主要包括人工手持式设备、加装清洁装置的机械设备和清洁机器人。

采用人工手持式设备进行光伏组件除尘是最传统的一种清洁方式，采用该设备对地面光伏电站和屋顶光伏电站的光伏组件进行除尘时的情况如图4所示。此种清洁方式的优点是灵活性大、清洁效果好，但缺点是清洁效率低、人工成本较高，且存在危害人身安全的因素。

采用加装清洁装置的机械设备进行光伏组件除尘也是一种常见的清洁方式，如图5所示。此种设备是通过在拖拉机、运输车、挖掘机等通用工程机械上加装臂架式清洁装置，以水洗或干扫的方式对光伏组件进行除尘。此种清洁方式的优点是可节省一次性投资费用。缺点是加装的清洁装置与工程机械的动力存在不匹配的情况，工作成本高；同时由于设备对工作路线中地势(非平坦道路)的适应性差，对臂架控制不当时易损坏光伏组件；而且该设备必须由专业驾驶员进行操作。

图5 加装清洁装置的机械设备Fig.5 Mechanical equipment equipped with cleaning device

根据清洁机器人与光伏组件的结合度，清洁机器人可分为飞行类清洁机器人、爬行类清洁机器人、轨道类清洁机器人和自动行走类清洁机器人，分别如图6所示。

图6 不同类别的清洁机器人Fig.6 Different types of cleaning robots

飞行类清洁机器人是一种在尾部加装小型清洁装置的无人机，体积小，可在一般大型机器难以到达的位置(如屋顶)进行除尘工作，适用于小面积的光伏组件。爬行类清洁机器人可通过规划好的轨迹在光伏组件表面进行除尘，但其作业面积受限且在不同光伏方阵间移动时需要人工干预，因此适用于面积较小的光伏方阵而不适用于大型地面光伏电站。轨道类清洁机器人是利用太阳能驱动清洁装置沿安装于光伏组件上下两侧的轨道运动来完成除尘工作，该类机器人适用于安装环境较好的光伏组件，且只能完成轨道连续的光伏方阵的除尘工作，造价较高。

随着智能控制及导航技术与机器人技术的融合，自动行走类清洁机器人应运而生。自动行走类清洁机器人可按照设定路线自动完成光伏组件的除尘工作，其工作不受时间限制、能适应复杂的路面工况、可在光伏方阵间工作自如，克服了上述其他清洁设备的缺点，适用于大型地面光伏电站的除尘工作。另外，该类机器人可与摄像机相结合，实现对光伏组件状态的巡检，同时，与除草机构结合可实现对地面杂草的清除。因此，自动行走类清洁机器人是一种具有广阔应用前景的多功能自主除尘的机器人。

3 结论

光伏组件表面的积尘是影响其输出功率的重要因素，本文分析了光伏组件表面的积尘量对光伏电站发电量的影响，并对除尘可提高的光伏电站发电量与增加的收益进行了计算，得到以下结论：

1)长年的积尘可导致光伏组件输出功率平均降低17%；定期清洁使光伏组件表面积尘量小于30 g/m2，则可提高光伏组件输出功率9.8%以上。

2)按月发电量提高了6.4%计算，装机容量为50 MW的光伏电站的年收益可增加455.31万元。

3)可适应复杂路面情况的自动行走类清洁机器人是大型地面光伏电站清洁设备的发展方向。