光伏组件下沿泥带对发电量的影响分析及解决方案

蒋领

摘 要：对于建设在工商业屋顶的分布式光伏电站而言，由于其紧邻用电侧，降低了附加的输配电成本，且厂房业主用电可享受折扣；再加上国家政策的大力支持，近几年，此类光伏电站在中国中东部地区实现了飞速发展。但在后期运维中发现，建设于工商业屋顶的分布式光伏电站受屋顶坡度及施工条件的限制，光伏组件安装倾角一般为2°～6°，导致光伏组件除了表面易积灰外，其下沿边框处也堆积了一层厚泥带，极易影响光伏电站发电量。因此，亟需一种成本低、效能高、维护率低的解决方案。以建于西安市某工商业彩钢瓦屋顶的4.6 MW分布式光伏电站为实验场地，分别采用短期和长期两种测试方式，重点研究泥带对光伏组件发电量的影响，提出了利用导水排尘器清除积水和泥带的解决方式，并对其效果进行验证。研究结果显示：1）在保持光伏电站原有清洗状况不变的前提下，通过两年的长期测试发现，1#、2#和3#厂房屋顶安装有导水排尘器的各光伏支路的累计发电量平均值比未安装导水排尘器的光伏支路的累计发电量分别提升了5.17%、13.13%和0.58%；2） 光伏组件的安装倾角越小，泥带对其发电量的影响越严重。

关键词：工商业屋顶；分布式光伏电站；泥带；光伏组件；发电量；导水排尘器

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

光伏组件表面积聚的灰尘会降低光伏电站的发电量[1-7]，尤其是在干旱和半干旱地区，光伏电站发电量的降低幅度更为明显[8-9]。针对灰尘对光伏电站发电量的影响及其相关清洁方法的研究已有多年[10-13]。然而，以往的研究主要集中在均匀分布的灰尘对采用大安装倾角光伏组件的光伏电站发电量的影响，而针对非均匀分布的灰尘对光伏电站发电量影响的研究则很少，尤其是采用小安装倾角光伏组件的情况下。

近几年，中国中东部地区建于工商业屋顶的分布式光伏电站得到了飞速发展。此类光伏电站中光伏组件几乎是平铺在工商业厂房的彩钢瓦屋顶上，安装倾角较小，一般为2°～6°，在光伏电站的实际运维中发现，光伏组件除了表面易积灰外，其下沿边框处也堆积了一层厚泥带。此种泥带的形成原因主要是：光伏组件铝合金边框一般比框内发电的玻璃区高1.0～1.5 mm，导致采用小安装倾角的光伏组件表面的积水不能及时排出而在下沿形成积水区，积水蒸发后，积水中含有的灰尘便形成了一条泥带。这不仅降低了光伏组件的发电量，还对泥带区的太阳电池造成局部遮挡，从而导致光伏组件出现热斑和彩虹纹，降低了光伏组件的使用寿命。

本文以建于西安市某工商业彩钢瓦屋顶的4.6 MW分布式光伏电站为实验场地，分别采用短期和长期两种测试方式，重点研究泥带对光伏组件发电量的影响，并提出利用导水排尘器清除积水和泥带的解决方式，然后对其效果进行验证。

1  实验设计

1.1  实验环境及测试方式

本分布式光伏电站中光伏组件的安装倾角为2°～6°，2019年3月初经历一次小雨之后，通过现场观察发现，光伏组件下沿处的泥带较厚，如图1所示，其会对光伏组件的发电量产生影响。

发电量是衡量1条光伏支路发电效率的重要指标，同时也是光伏电站业主最关心的数据。针对泥带对光伏组件发电量的影响，下文分别进行短期及长期测试，以便得到相关数据，用于判断影响程度。

1）短期测试。选取1#厂房编号为12HL09的汇流箱，从中挑选出洁净程度一样、发电量相近的4条光伏支路，编号分别为01#、04#、05#、08#，每条光伏支路均为由20块光伏组件串联形成的光伏组串。2019年3月7日，实验人员使用拖把于12：30对04#光伏支路的泥带进行清除，并于13：00完成清除工作，但非泥带区未做清洗；另外3条光伏支路的光伏组件未做任何清洗，均保留泥带，将04#光伏支路作为对照组，以此来判断泥带对光伏组件发电量的影响。

2）长期测试。为观测泥带对光伏电站发电量的长期影响和验证导水排尘器的长期有效性，在保持光伏电站全年清洗状况不变的前提下，选取1#厂房（光伏组件的安装倾角为3°、南北朝向）编号为12HL09、2#厂房（光伏组件的安装倾角为3°、东西朝向）编号为41HL05、3#厂房（光伏组件的安装倾角为6°、东西朝向）编号为21HL01的3台汇流箱，从每个汇流箱中挑选数条累计发电量相近的光伏支路。从每个汇流箱已选出的光伏支路中选取1条光伏支路作为对照组，不安装导水排尘器；其余光伏支路均安装导水排尘器，作为实验组。测试时间为2021年2月23日—2023年1月18日，测试期间每隔一段时间读取1次选出的每条光伏支路的电表读数，然后利用每条光伏支路测试结束日的电表读数减去其测试起始日的电表读数，得到该期间每条光伏支路的累计发电量。

实验采用的导水排尘器由笔者参与研发，经过2年不懈努力才试制成功。其基本原理为：借鉴煤油灯灯芯将低处的煤油吸到高处而燃烧的原理，利用高分子亲水性材料的亲水性来实现清除光伏组件下沿边框处积水及泥带的目标。首先将导水排尘器安装在光伏组件下沿边框处，通过高分子材料的亲水性基团给水一个吸力，再结合水自身的表面张力，二者一起将下沿边框处的水和灰尘积聚混合为悬浊液，然后利用导水排尘器的L形结构引导悬浊液翻越边框排出，进而从源头上解决了光伏组件下沿边框处的积水及泥带问题。本导水排尘器的实物图及其亲水基团作用示意图如图2所示。

1.2  导水排尘器最佳安装位置

光伏组件铺设过程中，由于屋面情况及人为施工因素会导致某些光伏组件不能完全平行于屋面，且大部分光伏组件左右方向上略有高度差，致使每塊光伏组件底部泥带聚集区域各不相同。

通过实地观测发现，泥带形状主要分为4种：长方形、横置梯形、大三角形（泥带覆盖面积超过下边框的1/2）和小三角形（泥带覆盖面积未超过下边框的1/2）。根据不同泥带形状，基于水在重力作用下从高处流向低处的原理，为迅速排掉光伏组件下沿由水和灰尘混合形成的悬浊液，导水排尘器安装位置及数量分为以下几种情况：1）泥带为长方形时，该泥带形状是因为光伏组件下沿左右方向上的高度差几乎为零，需安装两个导水排尘器，分别安装在光伏组件下边框的两个1/4点位置，如图3a所示（图中红色三角形指示的点即为导水排尘器最佳安装位置，下同），每个导水排尘器负责排除光伏组件下沿1/2部分的悬浊液；2）泥带为横置梯形或大三角形时，该泥带形状是因为光伏组件下沿左右方向上的高度差略大于零，需安装两个导水排尘器，分别安装在光伏组件下边框的正中心位置和泥带最宽处的边框边角处，分别如图3b和图3c所示；3）泥带为小三角形时，该泥带形状是因为光伏组件下沿左右方向上的高度差较大，需安装1个导水排尘器，安装在泥带最宽处的边框边角处，如图3d所示。

2  泥带对光伏组件发电量影响的短期及长期测试

2.1  短期测试

在04#光伏支路的泥带完成人工清洗前（即13：00前），01#、04#、05#、08#光伏支路的工作电流值相差不大；清洗后，01#、05#、08#光伏支路的工作电流值仍然相差不大，而04#光伏支路的工作电流值却在清洗后的短时间内直线提升，提升了2倍多，具体如图4所示。

2019年3月7—14日期间4条光伏支路的累计发电量如表1所示。

著高于其他3条光伏支路的累计发电量，且其累计发电量相对于其他3条光伏支路的均值提升了约134%。这主要是因为下沿泥带造成光伏组件局部遮挡，进而使光伏组件的工作电流减小，由于整条光伏支路是由光伏组件串联而成，根据串联等流的原理，整条光伏支路的工作电流等于受泥带影响最严重的光伏组件的工作电流，导致整条光伏支路的发电量受到严重影响。但在实际光伏电站运维过程中，光伏组件会定期进行清洗，所以测试期光伏支路的累计发电量不会仅 50 kWh 左右，124 kWh才应该是发电量的正常值。由于人工清洗费时费力，成本较高，因此探寻一种新型的光伏组件清洗方式尤为必要。

2.2  长期测试及导水排尘器有效性验证

2021年2月23日—2023年1月18日期間，分别记录1#厂房屋顶编号为12HL09汇流箱的4条光伏支路（分别为01#、03#、04#、05#光伏支路，其中，04#光伏支路未安装导水排尘器，其下沿一直存在泥带）、2#厂房屋顶编号为41HL05汇流箱的4条光伏支路（分别为02#、03#、06#、11#光伏支路，其中，03#光伏支路未安装导水排尘器，其下沿一直存在泥带）、3#厂房屋顶编号为21HL01汇流箱的4条光伏支路（分别为03#、04#、07#、09#光伏支路，其中，04#光伏支路未安装导水排尘器，其下沿一直存在泥带）各自的电表读数，最后统计得到测试期间各光伏支路的累计发电量，具体如表2所示。

从表2可以发现：测试期间，1#、2#和3#厂房屋顶安装有导水排尘器的各光伏支路累计发电量的平均值比未安装导水排尘器的光伏支路的累计发电量分别提升了5.17%、13.13%和0.58%，验证了导水排尘器的有效性。但3#厂房屋顶安装导水排尘器的光伏支路的发电量提升幅度相对较小，这主要是因为该厂房屋顶的光伏组件安装倾角相对较大（约为6°），而1#和2#厂房屋顶光伏组件的安装倾角约为3°，安装倾角越大，泥带的宽度越窄，相同降雨强度下，雨水在光伏组件表面形成的径流冲刷泥带的力度就越大，泥带对发电量的影响就越小，因此，导水排尘器对发电量的提升也就越有限。

虽然1#和2#厂房屋顶光伏组件的安装倾角约为3°，但这两个厂房屋顶的光伏支路在安装导水排尘器后的发电量提升幅度差值却非常大，约为8%。现场观察后，发现这主要是因为1#厂房屋顶光伏组件的泥带集中在边角处，整个下沿未被全部覆盖，而2#厂房屋顶光伏组件的整个下沿均被泥带覆盖。

3  结论

为分析光伏组件下沿堆积的泥带对光伏组件发电量的影响程度，本文以建于西安市某工商业彩钢瓦屋顶的4.6 MW分布式光伏电站为实验场地，分别采用短期和长期两种测试方式，重点研究了泥带对光伏组件发电量的影响；提出了利用导水排尘器清除积水和泥带的解决方式，并对其效果进行了验证。研究结果显示：

1）在保持光伏电站原有清洗状况不变的前提下，通过两年的长期测试发现：1#、2#和3#厂房的屋顶安装有导水排尘器的各光伏支路的累计发电量平均值比未安装导水排尘器的光伏支路的累计发电量分别提升了5.17%、13.13%和0.58%。

2）光伏组件的安装倾角越小，泥带对其发电量的影响越严重。

在该光伏电站后续的实际运维中也发现，每次下完一场小到中雨，泥带形成后，光伏电站的发电效率呈阶梯式下降，因此需定期组织人员对光伏组件进行清洗；然而不管是水洗还是干拖都存在经济成本较高、作业安全风险较高等弊端。因此，本文提出的安装导水排尘器的方式，既能降本增效，又能减少清洗作业带来的安全风险，且其目前已在全国多地的工商业分布式光伏电站投入使用，获得了广泛认可。

由于导水排尘器只能解决光伏组件下沿泥带问题，不能解决非泥带区的灰尘对光伏组件发电量的不利影响，尤其是降雨稀少的月份，雨水较少，不能将上部非泥带区的灰尘带到下部泥带区，也就不能通过导水排尘器将其排走，所以，在降雨稀少的月份，还需采取人工清洗与导水排尘器相结合的措施来解决。导水排尘器可以弥补人工清洗由自身条件限制带来的弊端及清洗后的收益问题，同时可减少清洗次数、降低清洗时的安全风险；人工清洗又可以弥补导水排尘器长期使用后堵塞及长期不降雨而无法发挥作用的问题。

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