積灰對光伏組件發(fā)電量影響及清灰周期規(guī)劃*

張文帥 ，王 帥 ，鄔 凱

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

我國西北地區(qū)具有豐富的太陽能資源，該地區(qū)太陽能輻射值高，全年晴天較多，為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有利條件[1]；但該地區(qū)荒漠化較為嚴重，也是我國沙塵暴高發(fā)區(qū)，該地區(qū)的氣候特點使光伏組件積灰嚴重，使到達光伏組件表面的太陽光減少，造成光伏組件接收到的太陽輻射能減少，進而影響光伏組件發(fā)電量[2]。同時，使得光伏企業(yè)運行成本增加。

近年來，針對積灰對光伏組件發(fā)電量的影響國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。Jiang等[3]運用仿真法以不同閉合材料研究其性能的影響，推出隨著積灰密度變化，其輸出減少率同時變化。Hegazy[4]通過對室外以軟件擬合推出積灰和透光率的關(guān)系。陳東兵等[5]進行立桿陰影室外實驗，推出表面積塵與光伏組件的變化關(guān)系。Hassan等[6]對未清掃的太陽能輸出板進行記錄，得到相應(yīng)時間效率變化關(guān)系。Darwish等[7]推出不同種類污染物及相關(guān)電能物理量的變化關(guān)系。李練兵等[8]運用軟件建立數(shù)學(xué)模型，擬合出積灰密度與功率成反比關(guān)系。Sulaiman等[9]、Qasem等[10]、Pravan等[11]以及Mohamed等[12]結(jié)合理實一體化實驗證明發(fā)電率與灰垢成反比關(guān)系。

沙塵呈非規(guī)律性遍布電池板表面，觀測時間不同[13]，溫度不同，觀測結(jié)果同樣受到很大影響。因此運用軟件以灰塵沉積量和太陽能透光率的擬合關(guān)系對實際應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件仿真模型，計算輸出功率與光伏組件變化關(guān)系結(jié)構(gòu)[14]，研究在兩者之間的關(guān)系證實積灰密度的增大，功率呈一定范圍降低，得到觀測時間內(nèi)的清灰周期。

1 光伏電池組件模型

光伏電池是指運用特殊材料遇光產(chǎn)生相應(yīng)效應(yīng)的器件，光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖1中，Iph為光生電流；Id為二極管結(jié)電流；Rsh為并聯(lián)電阻（阻值較大，數(shù)量級為103 Ω）；Rs為串聯(lián)電阻（阻值較小，小于1 Ω）。

圖1 光伏電池等效電路圖

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。根據(jù)光伏電池等效電路原理[15]和Shockloy的擴散理論可得光伏電池的I-V方程：

式中，I0為反向飽和電流（數(shù)量級為0.1 A）；q為電子電荷（1.6×10-19C）；n為二極管因子（取值范圍1～5）；k為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；T為絕對溫度。

實驗中采用英利（YingLi Solar）能源有限公司的型號為YL260P-29b的光伏電池組件，主要參數(shù)如表1所示。

表1 YL260P-29b型光伏電池組件的主要參數(shù)

2 積灰對光伏組件發(fā)電量影響仿真分析

根據(jù)Adel A Hegazy[4]得到的灰塵沉積和透光率降低的擬合公式：

式中，τ為積灰光伏組件的透光率；τclean為干凈光伏組件的透光率；erf(x)為高斯誤差函數(shù)。

根據(jù)公式（2）可知，隨著光伏組件表面積灰增加，光伏組件透光率降低，對光伏組件的發(fā)電量產(chǎn)生較大影響。仿真積灰密度從0逐步增加到5 g/m2，光伏組件輸出功率仿真分析如圖2所示。根據(jù)圖2可知，隨著光伏組件表面的積灰增加，光伏組件輸出最大功率點數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降，與理論一致，下降幅度分別為3.43%、7.45%、11.77%、16.56%、21.17%。

圖2 不同積灰密度下光伏組件P-V圖

3 實驗方案

首先，積灰密度需要在設(shè)備運轉(zhuǎn)正常的條件下測出總的積灰量；其次，光線遇到積灰組件其作用降低，因此準確的透光率對于結(jié)果有重要影響；最后，得出總發(fā)電量。因為不同環(huán)境條件下灰塵的分布情況不同，所以選擇的測量時間需要一定的普適性。

實驗時間選取冬季（2018年12月）、春季（2019年3月）、夏季（2019年6月）、秋季（2019年9月）4個季節(jié)進行。如圖3所示，實驗在甘肅省某分布式光伏電站進行，該電站裝機容量38 kW，光伏組件安裝傾角為37°，采用兩臺逆變器將系統(tǒng)分為兩個獨立的分系統(tǒng)，經(jīng)變壓器升壓后并入交流電網(wǎng)。

圖3 分布式光伏電站現(xiàn)場圖

如圖4所示，為了方便測量積灰密度，選用和光伏組件表面玻璃材質(zhì)相同的超白絨面鋼化玻璃，編號為1#、2#、3#，將其放置在光伏組件表面，收集自然狀態(tài)下積灰，每天測量2次（12點和16點）積灰量、光伏組件透光率并統(tǒng)計光伏電站當天發(fā)電量。積灰后光伏組件透光率ri的計算公式[14]為：

圖4 積灰量測量樣本布置圖

式中，Eai是光伏組件玻璃表面照度，Ebi是清潔光伏組件玻璃背面照度；Eci是積灰光伏組件玻璃背面照度。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 光伏組件積灰密度變化分析

實驗中積灰質(zhì)量由電子分析天平測量，積灰質(zhì)量與積灰面積之比即為積灰密度。積灰密度隨時間變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，冬季（2018年12月）第2、5、21、27天為降雪天氣，光伏組件表面積灰密度減??；春季（2019年3月）未出現(xiàn)雨雪天氣，光伏組件表面積灰密度呈線性增加；夏季（2019年6月）降雨天氣較多，其中第19—23天出現(xiàn)連續(xù)降雨天氣，光伏組件表面積灰密度很小，約為0.001 g/m2；秋季（2019年9月）第8、9、11、12、16、18天出現(xiàn)降雨，積灰密度呈現(xiàn)減小的趨勢，其中第8、9兩天為連續(xù)降雨，積灰密度約為0.072 g/m2。分析實驗結(jié)果可知，測試期間（自然積灰條件下），冬季積灰密度約為2.523 g/m2，平均每天增加0.081 g/m2；春季積灰密度約為5.309 g/m2，平均每天增加0.171 g/m2；夏季積灰密度約為0.264 g/m2，平均每天增加0.081 g/m2；秋季積灰密度約為1.886 g/m2，平均每天增加0.01 g/m2。

圖5 積灰密度隨時間變化曲線

4.2 光伏組件透光率變化分析

光伏組件透光率損失值變化曲線如圖6所示。測試期間，冬季（2018年12月）透光率平均每天下降1.17%；春季（2019年3月）透光率平均每天下降1.49%；夏季（2019年6月）透光率平均每天下降0.14%；秋季（2019年9月）透光率平均每天下降0.74%。透光率變化趨勢和積灰密度變化趨勢基本相同。

圖6 光伏組件透光率損失值變化曲線

4.3 光伏組件發(fā)電量與積灰密度變化分析

光伏組件發(fā)電量與積灰密度變化如圖7所示。由擬合曲線可以看出，在自然積灰條件下，由于降雨（雪）的影響只有少量點近似位于擬合曲線上，結(jié)合曲線變化規(guī)律和灰塵沉積理論，可將影響光伏組件輸出電流的因素歸結(jié)為積灰量和降水量。不同區(qū)域、不同季節(jié)，積灰量和降雨量存在較大差別，因此實驗條件下運用擬合結(jié)果可以預(yù)測發(fā)電量變化情況，制定清理計劃，提高經(jīng)濟效益。

圖7 光伏組件發(fā)電量與積灰密度變化曲線

自然積灰條件下發(fā)電量與積灰時間近似呈二次函數(shù)的關(guān)系，其中2018年12月擬合公式為： y=131.25661 + 59.2867 x-23.9082 4x2，決 定 系數(shù)R2為0.03203。2019年3月擬合公式為：y=201.82535 + 14.66966x - 4.1050 3x2，決 定 系數(shù)R2為0.06672。2019年6月擬合公式為：y=194.54356 + 31.32289x - 96.1081 3x2，決 定 系數(shù)R2為0.02506。2019年9月擬合公式為：y=155.0036 2 - 164.7437 3x + 69.9675 2x2，決定系數(shù)R2為0.2313。

4.4 光伏電站清灰效益分析

實驗所選用的光伏電站位于村道旁，故需定期對光伏組件表面進行清洗，以使經(jīng)濟效益最大化。光伏組件清洗采用最普遍的微水清潔方式，即通過高壓水槍將光伏組件表面的積灰沖走。清洗周期隨季節(jié)變化而不同，冬春季揚沙、浮塵天氣較多，為了提高發(fā)電量，則需要適當增加清洗頻率；夏秋季降雨天氣較多（相對來說），可適當延長清洗周期。清洗前后光伏電站發(fā)電量測試曲線如圖8所示。

由圖8可知，在整個3月份內(nèi)，觀測1#與2#采集器，2#在前半月比1#低。在16號對其進行計劃清理，2#超過1#的發(fā)電量。因此，由圖8可知，在未清理條件下，1#比2#高，清理后兩者結(jié)果相反，據(jù)此測算，清洗后光伏組件效率提高8.6%，平均每天可多發(fā)電7.98 kW·h。

圖8 某分布式光伏電站清洗前后發(fā)電量對比

結(jié)合仿真分析結(jié)果，在不考慮其他設(shè)備功率損失的情況下，當光伏組件積灰密度達到2 g/m2時，單體光伏組件的輸出功率損失就高達7.45%，而實測數(shù)據(jù)顯示在春季積灰15天的情況下，光伏電站發(fā)電量損失為8.6%，反推求得此時對應(yīng)的光伏組件積灰密度為2.22 g/m2。計算積灰密度與實測積灰密度近似相等，故可推定該地春季最佳清灰周期為15天。同理可得，當?shù)馗鱾€季節(jié)最佳清灰周期。

5 結(jié)論

本文以透光率和實驗電流為研究對象，觀測灰塵對發(fā)電量效率的影響。

1）在實驗條件及環(huán)境相同時，觀測時間越長，積灰密度越大。冬春季由于天氣干燥，降水量較少，光伏組件表面積灰較嚴重，其中，春季平均積灰密度可達5.309 g/m2，透光率線性減少。隨著自然環(huán)境變化如雨水沖刷，透光率會呈現(xiàn)波谷式變化。

2）制定清理計劃，有益于電站的使用壽命。計算可得清洗后光伏組件效率提高8.6%，平均每天可多發(fā)電7.98 kW·h。

3）根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合西北地區(qū)降雨情況，初步確定某地光伏電站春季清灰周期為15天，夏、秋季可適當延長為1月1次。