光伏面板積灰及除塵清潔技術(shù)研究綜述*

鮑官軍 ，張林威 ，蔡世波 ，蔣建東，胥 芳，賈桂紅

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310032；2.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引 言

能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為當(dāng)前全球關(guān)注的焦點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)石化能源相比，太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新能源的主要形式之一。太陽能發(fā)電的兩種主要形式是光伏發(fā)電和集熱發(fā)電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)研究中，除面板材料及轉(zhuǎn)換效率、功率預(yù)測(cè)、逆變效率、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）、離并網(wǎng)控制、孤島保護(hù)、電能質(zhì)量管理等關(guān)鍵技術(shù)之外，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的光伏系統(tǒng)而言，面板積灰及其影響也是一個(gè)不容忽視的問題。光伏面板積灰對(duì)太陽輻射具有反射、散射和吸收作用，即降低太陽輻射的透過率，導(dǎo)致光伏面板接收到的太陽輻射量減少、輸出功率下降，并隨著積灰厚度的增大而更為明顯。另外，由于灰塵吸收太陽輻射升溫和腐蝕性化學(xué)成分的存在，積灰還會(huì)對(duì)光伏面板形成一定程度的保溫和腐蝕作用，加劇降低其光電轉(zhuǎn)換效率。

本研究主要綜述分析光伏面板積灰的影響因素、積灰機(jī)理和面板除塵清潔等方面的研究工作，并對(duì)今后的研究方向提出看法和建議。

1 灰塵來源及組成

光伏面板積灰主要來源于大氣灰塵。大氣灰塵是一種懸浮在大氣中的顆粒物，來源于大氣沉降、城市交通、建筑、工業(yè)、表土等所產(chǎn)生的地表顆粒，包括自然來源和人為來源。自然來源主要是土壤、沙塵和巖石，風(fēng)化作用使其分裂成細(xì)小的顆粒并在空氣動(dòng)力系統(tǒng)作用下被輸送到大氣中。人為來源主要指工業(yè)揚(yáng)塵、建筑揚(yáng)塵、交通揚(yáng)塵等。另外，生物質(zhì)也是積灰的主要來源之一，如鳥類糞便、花粉等。

灰塵顆粒直徑一般在百分之一毫米到幾百分之一毫米之間，為人眼所不可見。就其化學(xué)成份而言，大氣灰塵主要是氧化物，如 SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、CaO、MgO、TiO2、K2O等，其中SiO2、Al2O3含量最高，分別為68%～76%和10%～15%［1］。

另外，大氣灰塵的來源和組成因所處的地理位置、氣候條件、季節(jié)和人類活動(dòng)等不同而差異較大，如沙漠地區(qū)的大氣灰塵主要來源于沙土、紅土和沙粒［2］，而城鎮(zhèn)環(huán)境中的大氣灰塵則含有大量的來自于建筑材料的石灰石［3］、汽車尾氣排出的碳化物以及織物纖維［4］等。

2 積灰的影響因素

大氣灰塵在光伏面板上的沉積、附著和固結(jié)受到多種因素的影響，如面板傾角、風(fēng)速風(fēng)向、灰塵性質(zhì)、環(huán)境濕度等等。

2.1 面板角度的影響

Goossens等［5］對(duì)沙漠地區(qū)光伏面板灰塵積累問題進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)灰塵在處于水平狀態(tài)的面板表面的積累效應(yīng)最大。Salim等［6］在沙特阿拉伯地區(qū)進(jìn)行24.6°固定角度的光伏面板積灰效應(yīng)對(duì)比研究，8個(gè)月后，從未清理的面板輸出功率比每天清理的面板降低了32%。然而，Hottel和Woertz［7］在多雨雪的美國(guó)波士頓地區(qū)進(jìn)行為期3個(gè)月的傾角為30°的光伏面板積灰對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明積灰對(duì)面板性能的影響僅僅為4.7%。Garg［8］在印度Roorkee地區(qū)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示:由于積灰的遮擋作用，45°傾角的玻璃板在10天之后的平均透過率將會(huì)下降8%。

上述研究均針對(duì)固定的面板角度，并不能反映出面板傾角變化對(duì)灰塵積累的影響。Sayigh等［9］進(jìn)行了0°～60°范圍內(nèi)間隔15°設(shè)置的5組光伏面板積灰效應(yīng)研究，結(jié)果顯示38天之后的太陽輻射透過率分別降低了64%、48%、38%、30%和17%，表明光伏面板傾角越大，則灰塵越難以在其表面上滯留和附著。這一結(jié)論同樣適用于多雨氣候地區(qū)，只是積灰效應(yīng)較弱，對(duì)面板輸出功率影響也相對(duì)較小，如Dietz［10］進(jìn)行的0°～50°范圍面板傾角實(shí)驗(yàn)顯示僅有5%的輸出功率下降，同樣，美國(guó)加利福尼亞Palo Alto地區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示光伏面板上的積灰僅導(dǎo)致2%的電流下降［11］。Elminir等［12］進(jìn)行了傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的面板積灰實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:灰塵積累密度隨面板角度增大而逐漸降低，由15.84 g/m2降至4.48 g/m2，太陽輻射透過率下降幅度也是逐漸降低，由52.54%遞減至12.38%。陳菊芳，沈輝等［13］對(duì)廣州地區(qū)3個(gè)不同區(qū)域的灰塵情況進(jìn)行觀測(cè)分析，分析結(jié)果表明:灰塵主要降低玻璃對(duì)450 nm～880 nm波長(zhǎng)的太陽輻射的透過率，1～3個(gè)月內(nèi)透過率降低 1.3%～4.0%。Cano［14］于2011年1月～3月期間在美國(guó)亞利桑那州進(jìn)行傾角分別為0°、5°、10°、15°、20°、23°、30°、33°和40°光伏面板發(fā)電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:0°傾角的光伏面板因積灰而導(dǎo)致2.02%的損失，23°和33°傾角情況下分別損失1.05%和0.96%。

Qasem等［15］從光伏面板積灰的均一性角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:30°傾角的面板非一致性為4.4%，而90°傾角的面板僅為0.2%。

2.2 風(fēng)的影響

上述的研究中幾乎沒有涉及風(fēng)速對(duì)于光伏面板積塵的影響，事實(shí)上，即便是很小的風(fēng)速也會(huì)對(duì)水平平面上的積灰沉積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響［16］。Goossens等在Negev沙漠的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，往往在最高風(fēng)速的時(shí)候才會(huì)形成最大程度的灰塵沉積；另外，風(fēng)洞內(nèi)光伏面板性能試驗(yàn)結(jié)果表明:因風(fēng)速對(duì)灰塵沉積結(jié)構(gòu)的特殊影響，高風(fēng)速時(shí)形成的積灰會(huì)具有較高的光線透過率［17］。當(dāng)然，較大的風(fēng)速也會(huì)對(duì)面板表面的非粘結(jié)性積灰具有一定的清除作用［18-19］。

Goossens［20］還研究了不同時(shí)段、不同風(fēng)向?qū)τ诜e灰過程的影響，指出:吹向面板的風(fēng)會(huì)提高積灰效果，而吹向面板背面的風(fēng)基本不會(huì)影響積灰過程。

2.3 灰塵性質(zhì)的影響

光伏面板積灰效應(yīng)具有顯著的區(qū)域敏感性，即不同區(qū)域的氣候條件、環(huán)境因素等決定了其灰塵具有不同的性質(zhì)和特點(diǎn)。

Neil等在研究沙漠地區(qū)的層級(jí)積沙對(duì)太陽輻射的遮擋作用時(shí)，采用顆粒直徑為（170±20）mm的SiO2沙粒在傾斜玻璃面板上進(jìn)行堆積和承沙實(shí)驗(yàn)。Kaldellis等［21］認(rèn)為灰塵中常見的顆粒來源于紅土、石灰石和灰燼。Sulaiman等［22］則使用干土和滑石粉模擬大氣灰塵進(jìn)行光伏面板積塵實(shí)驗(yàn)。Haeberlin和Graf等［23］做了有關(guān)混合輕工業(yè)區(qū)、林區(qū)和農(nóng)場(chǎng)的光伏面板特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示由于生物質(zhì)（鳥糞、花粉等）的沉積作用使得光伏系統(tǒng)的能量輸出減少了8%～10%。

Hegazy等［24］對(duì)暴露在埃及的某強(qiáng)污染農(nóng)業(yè)區(qū)的傾角為0°、30°、90°的清潔玻璃平板進(jìn)行試驗(yàn)，30天后的太陽輻射透過率分別損失了27%、17%和3%。但未進(jìn)行該地區(qū)灰塵的成分分析研究。

Goossens等［25］的實(shí)驗(yàn)所使用的灰塵包含95%的粉塵（直徑2 μm～63 μm）和5%的粘土（直徑＜2 μm），平均直徑30 μm，其大小非常接近大氣灰塵顆粒。Hai Jiang等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)采用的模擬大氣灰塵直徑范圍為1 μm～100 μm，其中直徑20 μm的灰塵比重為74%，灰塵密度為2.65 g/cm3。

2.4 環(huán)境濕度的影響

濕度是固體顆粒粘附的必要前提條件［26］，是影響光伏面板（尤其是設(shè)置在城鎮(zhèn)等人類活動(dòng)頻繁區(qū)域的面板）積灰的一種重要因素。在大氣和灰塵組成的低濃度氣固兩相流中，灰塵顆粒分布比較均勻，集中程度較低。在這樣的條件下，較高體積分?jǐn)?shù)的水分（即較大的環(huán)境濕度）有助于局部粘附的形成；并且，灰塵經(jīng)水分的浸潤(rùn)將增大表面張力，更易于粘結(jié)沉積［27］。Hai Jiang等進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)使用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行控制，使?jié)穸缺３衷赗H=60%。

一般而言，環(huán)境濕度因氣候、天氣等因素而變化，不具有均一性和可控性，故而多數(shù)文獻(xiàn)并未提及進(jìn)行光伏面板積灰相關(guān)研究時(shí)的環(huán)境濕度因素及其詳細(xì)數(shù)據(jù)。

3 積灰機(jī)理及模型

Kaldellis等根據(jù)紅土、石灰石和灰燼的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)形成了一個(gè)理論模型，可根據(jù)面板所在地區(qū)的空氣污染情況估算積灰對(duì)光伏發(fā)電性能的影響，但是依然沒有涉及積灰過程本身的機(jī)理研究。

居發(fā)禮［28］系統(tǒng)性地研究了光伏積灰理論:從積灰對(duì)光伏發(fā)電影響的角度將積灰按物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和積灰的附著形態(tài)進(jìn)行了分類，提出了光伏面板表面積灰基準(zhǔn)“三情景”模型，即無沖刷模型、非充分沖刷模型和充分沖刷模型，形成了光伏面板表面積灰量的統(tǒng)一表達(dá)式。同時(shí)，提出了評(píng)價(jià)積灰對(duì)光伏發(fā)電性能的影響因子—光伏積灰系數(shù)，指出其主要影響因素為:氣象條件、灰塵性質(zhì)、光伏面板安裝傾角、積灰狀態(tài)。

馬?。?9］對(duì)平板型太陽能集熱器表面的積灰進(jìn)行了理論研究。主要對(duì)積灰的屬性、來源及形成過程進(jìn)行分析，建立了降塵量與被沖刷灰塵量模型，從光學(xué)、熱學(xué)及化學(xué)3個(gè)角度研究了積塵對(duì)集熱器性能的影響機(jī)理，并提出了評(píng)價(jià)積塵對(duì)集熱器光學(xué)與熱學(xué)性能影響的參數(shù)—積塵遮擋系數(shù)與積塵效率下降度。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，積塵對(duì)平板型太陽能集熱器的遮擋效應(yīng)顯著。

4 積灰清理技術(shù)

目前建成的多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有配備專用的灰塵清理設(shè)施，主要依賴于降雨、風(fēng)等自然作用對(duì)光伏面板的積灰進(jìn)行清除。一些小型的光伏電站，尤其是戶用屋頂系統(tǒng)，則根據(jù)使用者的習(xí)慣隨機(jī)進(jìn)行人工噴水除塵或掃塵，隨意性較大，效果一般。

在月球表面懸浮著厚厚的一層由于長(zhǎng)期環(huán)境作用而形成的直徑為40 μm～130 μm的微小粒子，這些懸浮的微塵具有較低的導(dǎo)電率特性和較高的比表面積。在光電效應(yīng)和太陽風(fēng)的作用下很容易帶上靜電，并在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持著帶電狀態(tài)。帶靜電的微塵具有很強(qiáng)的粘附性。在火星上，風(fēng)暴席卷著微小的塵埃布滿了整個(gè)火星表面，細(xì)小的微塵被吹浮到數(shù)千米的高空，并懸浮數(shù)月之久。這些微塵積聚在光伏面板表面上將降低其轉(zhuǎn)換效率，影響航天設(shè)備的正常供電和工作。據(jù)火星探路者測(cè)試，積聚和粘附微塵使光伏面板的轉(zhuǎn)換效率每個(gè)火星日下降約0.28%。據(jù)此估算，2年后光伏面板的電性能下降將大于22%［30-31］。故而在航天領(lǐng)域必須考慮光伏面板表面的積灰清除問題，一般采用較為成熟的電簾除塵技術(shù)。

1967年NASA為了解決Apollo計(jì)劃中的太陽能電池板除塵問題，提出了電簾除塵概念［32］。Masuda等［33］在大氣環(huán)境中證明了利用電磁行波能夠搬運(yùn)宏觀帶電微塵:利用連接交流電源的平行電極產(chǎn)生行波的方法成功地進(jìn)行非接觸式的微塵搬運(yùn)，微塵根據(jù)所帶電荷的極性順著或逆著電場(chǎng)的方向移動(dòng)，最終被移除。目前，電簾除塵技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于探月工程、火星計(jì)劃等航天領(lǐng)域的太陽能光伏系統(tǒng)［34］。

此外也有機(jī)械除塵技術(shù)，如文獻(xiàn)［35］所描述的由電機(jī)驅(qū)動(dòng)刷子結(jié)合噴水沖洗的光伏面板自動(dòng)除塵裝置等。

5 光伏面板積灰研究的思考

5.1 實(shí)驗(yàn)完整性及可比性問題

雖然不同研究者對(duì)光伏面板的積灰問題，尤其是積灰影響因素、積灰對(duì)面板的出力降低作用等進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和分析，但是多數(shù)實(shí)驗(yàn)過程存在完整性問題，例如:少有實(shí)驗(yàn)的時(shí)間歷程超過1年，文獻(xiàn)記錄實(shí)驗(yàn)過程多在同一個(gè)地區(qū)或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)進(jìn)行，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過程所有影響參數(shù)（面板參數(shù)、雨雪、霜露、溫度、濕度、光照、風(fēng)向風(fēng)速、灰塵成分及組成、積灰類型、積灰厚度和形貌特征等）的記錄或綜合分析，以至于實(shí)驗(yàn)過程不具有可重復(fù)性，無法應(yīng)用于其他光伏系統(tǒng)。

由于不同實(shí)驗(yàn)所處的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)差異較大，造成文獻(xiàn)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果相差較大，彼此之間缺乏可比性，也難以評(píng)價(jià)其優(yōu)劣。

5.2 灰塵特性研究有待深入

雖然有部分文獻(xiàn)提到灰塵的組成，但是極少有從灰塵自身的化學(xué)成分、物理特性、電學(xué)特性、幾何形貌等角度進(jìn)行深入的分析討論，對(duì)灰塵的特性缺乏深層次的全面了解和掌握。目前的研究尚不能從微觀層面揭示灰塵影響面板出力的作用機(jī)制。

5.3 加強(qiáng)對(duì)積灰沉積機(jī)理的研究

光伏面板積灰按其附著/固著形式可以分為干松積灰和粘結(jié)積灰。干松積灰形成于自然降塵的物理過程，灰塵顆粒松散，在風(fēng)的作用下容易清除。粘結(jié)積灰則是由雨露、油煙等因素的作用使得灰塵顆粒吸附于面板表面，并進(jìn)一步吸附空氣中的顆粒，形成堅(jiān)硬或粘性的結(jié)晶外殼。隨著時(shí)間的推移，粘結(jié)積灰的厚度、粘性或硬度將越來越大，需要外力強(qiáng)制清除。

對(duì)于光伏面板而言，粘結(jié)積灰對(duì)輸出功率的影響更大并且更久遠(yuǎn)。為了洞悉粘結(jié)積灰形成機(jī)制、對(duì)光伏面板出力影響的作用機(jī)制以及清除方法，需要對(duì)粘結(jié)積灰的形成過程和特性進(jìn)行深入的探索，即進(jìn)行積灰的沉積機(jī)理研究。

5.4 面板除塵清潔技術(shù)有待創(chuàng)新

雖然電簾除塵技術(shù)較為成熟并已應(yīng)用于航空航天等小面積光伏面板的除塵，但是若應(yīng)用于地面光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)遇到諸如增加面板成本、提高光伏面板溫度而降低轉(zhuǎn)換效率、微塵搬移造成的二次揚(yáng)塵和積灰等問題，目前尚無電簾除塵在地面大面積光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)資料。而機(jī)械式的面板清潔技術(shù)存在增加系統(tǒng)成本、機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大而不適用于大面積光伏陣列安裝等問題。所以面板的清潔技術(shù)在原理、方法和新技術(shù)等方面都有待突破。

光伏面板的除塵清潔技術(shù)研究需要充分掌握并結(jié)合光伏系統(tǒng)自身的特性，如光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、面板陣列拓?fù)洹⒌赜颦h(huán)境特征、氣候/天氣條件、灰塵性質(zhì)和積灰特性、新技術(shù)新工藝等。

6 結(jié)束語

光伏發(fā)電是極具前景的新能源技術(shù)之一，隨著全球光伏系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，面板積灰對(duì)光伏發(fā)電輸出功率、面板壽命、系統(tǒng)投資回報(bào)率等的影響也逐漸引起重視。本研究綜述分析了國(guó)內(nèi)外在光伏面板積灰相關(guān)的研究成果，并進(jìn)一步指出了目前研究中存在的不足和將來應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。

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