青海省光伏电站的积尘及清洁效果调查与研究

王尚钦，魏 康，张金虎，李修树

( 水电水利规划设计总院有限公司，北京 100120 )

0 引言

太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，光伏发电已成为太阳能利用最成熟、应用最广泛的技术之一，具有清洁、可再生、安全、无噪声、应用灵活等特点。据国家可再生能源中心统计，2022 年全国光伏新增装机8 741 万kW， 其中集中式光伏电站5 626 万kW、分布式光伏3 115 万kW。2022 年底累计装机容量达到39 261 万kW，同比增长18.6%。全国太阳能发电量达4 276 亿kWh，占全部电源总年发电量的4.9%。

随着光伏发电装机规模的迅速扩大，光伏发电的实际出力却比预期效果差，除了与太阳能资源及光伏电站设备性能有关外，还与光伏电站运行管理水平、系统消纳能力及片面追求装机规模而忽视利用效率等因素有关[1]。

青海省太阳能资源优势十分突出，是我国光伏发电重要的基地之一。随着青海多个光伏基地的建成，电站的运行维护却面临较大的挑战。尤其是光伏组件表面的积尘、积雪等现象，严重影响了光伏组件的输出功率及其使用寿命。因此，研究积尘对光伏组件输出功率及发电量的影响，探索出经济可行的除尘解决方案是当前光伏行业的重要研究方向[2-3]。

1 影响光伏发电性能的因素

1.1 太阳辐射的影响

光伏电站中的光伏组件表面接收到的太阳辐射直接决定其出力。该处的太阳辐射受到地球自转和公转的影响外，天气和空气质量可影响其强度和光谱分布，对于不同材料的光伏组件产生不同程度的影响。如相对于多晶硅组件，单晶硅组件对于散射辐射利用率就稍差。因此，同样容量的单晶硅组件往往在累计发电量方面略低于多晶硅组件。另一方面，由于光伏组件的运行温度受太阳辐射的影响，辐射越强，其运行温度越高，在高温下的发电性能也会下降。因此其出力与太阳辐射之间的关系不是线性的。

1.2 环境因素

光伏组件附近的气温和风速影响光伏组件的运行温度。在同样辐照下条件下，气温愈低，风速愈高，光伏组件的散热更快，有利于运行温度的降低和提高出力。

1.3 灰尘

灰尘的形成与环境中的沙尘分布、空气质量、气温以及湿度有关。灰尘对入射太阳光的反射和阻挡作用，减少了进入到太阳电池中的光，并改变了光谱分布。电站本地的气候条件很大程度上影响灰尘的分布和类型，此外组件的安装倾角也影响灰尘的堆积方式和程度。需根据电站的自身条件研究合理的清洁策略，包括清洁周期、清洁方式和清洁效果等。

光伏电站建成后，太阳辐射的影响、环境因素等自然条件无法人为控制，而对于光伏组件表面的积尘，可通过定期除尘来维持光伏组件表面的清洁，以提升光伏电站的发电量。

2 选取的典型工程概况

从光伏发电的建设来看，青海省是我国重要的清洁能源开发利用和“西电东送”的重点区域，具备基地化、规模化、一体化开发光能的优越条件。青海省在海北州建设1 个百万千瓦级光伏发电基地，在海南州、海西州各建设1 个千万千瓦级清洁发电基地[4]。

针对青海省光伏板的积尘及除尘措施情况，调研组实地走访了青海省2 个光伏集控中心和12 个已投产的光伏电站，查勘了光伏区现场，考察了光伏组件的积尘情况，调看了电站监控系统，并与运行单位进行交流，获取了相关一手运行数据。

在调研的光伏电站中选取了有代表性的典型工程—青海省海南州特高压外送基地电源配置项目海南州塔拉滩四标段100 MW 光伏电站，进行积尘及除尘措施研究。该工程地处海南藏族自治州共和县，距共和县城约43 km，北部为祁连山，南部为波状沙丘地，青海湖位于场址北侧约30 km，黄河从场址东南部约40 km 经过，场址地貌为黄河高阶地，地形平缓开阔，海拔高程3 200 m。项目场址区位于海南州千万千瓦级新能源基地(一区两园)光电园区内，场址总占地面积约为17.616 km2，工程装机交流侧容量100 MW，直流侧容量134.145 MWp，项目年利用小时1 632 h。项目共32 个发电单元，发电单元组件采用445 Wp、450 Wp 单晶硅双面组件，共计24.84 万块。

3 积尘形式

该光伏电站的积尘主要以重力型和静电吸附型积灰为主，光伏板积灰严重时的照片如图1a所示，通过水洗或者自然清洗的方式可以较好地去除积灰。

图1 积尘情况

除了常规的重力型和静电吸附型积灰，润湿型也是该电站运行时较常出现的积灰形式，如积雪熔化后部分积雪与灰尘混合后在光伏组件的底部和边缘形成较难去除的润湿型积灰，如图1b所示。这种积灰对电站运行影响较大，主要是由于这种积灰会引起光伏板的不均匀受热，可能造成局部温度过高，导致热斑效应或热衰退现象，损害光伏板的寿命。对于此种积灰需要及时清理。

值得注意的是，虽然降雪将给光伏组件带来部分的局部积灰，但雪也起到了积极的作用，即较好地清理了大部分区域的灰尘，也一定程度上减轻了清理的工作量。

4 积尘清理

海南州塔拉滩四标段100 MW 光伏电站项目位于海南州千万千瓦级新能源基地(一区两园)光电园区内，降雨量和降雨频次并不低，光伏发电的运行条件相对较好。

通过交流得知，该电站由于水的来源丰富(附近有青海湖、龙羊峡水库等)，光伏板的清洗方式为自然清洗+水洗。自然清洗主要依赖于降雨，该电站所处位置降雨频次相对较多；人工水洗主要依赖于洒水车，水源来自附近地下水和黄河水，水洗成本较低。在电站运行过程中，对比分析了自然降雨的清洗效果和人工(洒水车)的清洗效果与差异。

4.1 自然降雨的清洗效果

2023 年4 月22-23 日项目地区经历连续降雨，降雨前后的光伏板状态如图2 所示，雨水对光伏组件的清洗效果相对较好，雨后2 天，板上仅有少量浮灰存在，无明显大块的积垢。运行单位从电站中未受到容量管理的光伏子阵(500 kW/子阵)中，采用单个集中逆变器单元单日发电量的方法进行对比，共选取了2 个逆变器单元进行降雨前后发电量对比分析，分别是14 区4 号、18 号发电单元3 月24 日与4 月27 日发电量对比分析。选取的原则为对比两日清洗前后的日照辐射度基本相同，自然降雨清洗前后发电量的对比见表1 所列。

表1 光伏组件自然降雨前后发电量对比

图2 自然降雨的清洗效果

为进一步了解自然降雨对光伏板的清理效果，现场还调研了黄河水电龙羊峡水光互补基地，通过监控调取光伏电站的运行数据对比，用以大致估算自然降雨的清洁作用，见表2 所列。

由于天气条件限制，无法找到辐射度完全相同的两个发电日进行对比，因此上述数据中的增幅考虑了与2023 年4 月25 日相比5 月6 日辐射度有提升(约10.6%)。考虑辐射度变化，自然降雨的清洗效果对电站功率发电能力的提升小于10%，若发电量与辐照度为线性关系，则发电量增加比例为3%～7%。

4.2 洒水车的清洗效果

运行单位在2023 年5 月4 日进行过一次清洗。为了评估清洗效果，运行单位从电站中未受到容量管理的光伏发电单元中，采用单个光伏发电单元单日发电量的方法进行对比，共选取了2 个光伏发电单元进行清洗前后发电量对比分析：分别是14 区4 号、18 号发电单元4 月25 日与5 月19 日发电量对比分析；分别是14 区4 号、18 号发电单元4 月27 日与5 月6 日发电量对比分析。选取的原则为对比两日清洗前后的日照辐射度基本相同，清洗前后发电量的对比见表3所列。

可以看出，当全天晴天时，由于项目容配比1∶1.22，满发时受到箱变容量限制，发电单元的发电量基本处在满发状态，清洗前后发电量差距不大。当日常有阴有晴，瞬时日照有差别，且全天日照强度一般时，清洗前后，发电量整体增长率为7.83%，单个发电单元发电量平均多发1 320 kWh。

4.3 清洗成本

通过调研和数据整理分析，海南州塔拉滩四标段100 MW 光伏电站项目光伏清洗的人工水洗和自然清洗的成本数据见表4 所列。

表4 海南州塔拉滩光伏清洗成本及效果

4.4 清洗时机

青海受海拔、地形、纬度、远离海洋的地理位置、大气环流形式等因素的相互作用，形成了独具特色的高原大陆性气候特征。其日照时间长、日照强烈，降雨少而集中，降水呈现显著的季节性差异，即夏日降水多，冬春降水少。以西宁10 年的统计数据为例(图3)，月降水量超过50 mm 在5 月到9 月，最大月降水量在9 月约100 mm。由此得出5 月到9 月尽可能依赖自然降雨来清洗。

图3 西宁年度降水量分布图

每年10 月到次年4 月，主要根据积尘量的大小来确定清洗时机。图4[2]所示给出了1 m2光伏组件的输出功率与积尘量的关系，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时的输出功率降低了15.2%，超过100 g/m2时光伏组件的输出功率下降更快。由此得出，积尘量达到90 g/m2-100 g/m2时，应组织清洗。根据近年青海省10 月到次年2 月的天气和积尘情况，基本每2 ～3 个月清洗1 次，可以满足要求。

图4 1 m2光伏组件输出功率与积尘量的关系

每年3-4 月是青海省沙尘天气比较严重的季节，尤其是青海省临近沙漠的地区有时会出现沙尘暴，导致几乎所有光伏组件表面形成厚实的干燥型尘土层，给电站运行带来较大影响。为此，应密切关注天气预报情况，在沙尘暴发生后应组织清洗。

5 结论与建议

根据调研情况和数据，经进一步研究对青海地区得出以下结论及建议：

1)无论是自然降雨清洗还是人工水洗，积尘清理对于电站运行的发电能力提升都有较明显的效果，应充分将自然清洗和人工水洗结合起来选择清理时机。

2)自然降雨清洗和人工水洗对电站总体发电能力均有较明显的提升作用，两者分别平均提升为3.49%和7.83%左右。但由于数据获取手段的不可控，这些数据是否准确可结合更多的研究和调研来辨别和印证。

3)从清洁水来源方面考虑，海南州千万千瓦级清洁发电基地毗邻青海湖和龙羊峡水库，清洁所用水均可从附近取得，水资源丰富，用水成本较低。

4)从清洁用水量来说，洒水车普及度较高，清洁水量不大，每兆瓦用水量3 ～5 m3，清洗成本120-200 元/MW。

5)当积尘量达到90 ～100 g/m2时，应组织清洗。根据近年青海省10 月到次年2 月的天气和积尘情况，基本每2-3 个月清洗1 次。每年3-4 月是青海省沙尘天气比较严重的季节，在沙尘暴发生后应组织清洗。