太阳能模块污染

Meteorology Division of 白皮书太阳能模块污染 白皮书 | Charles Thurston, Marc Korevaar, Donald van Velsen 和 Clive Lee简介 风、雨和模块温度等环境因素均会影响光伏电厂的性 能，但在许多环境中，PV模块的污染对性能造成了很 大影响。沙土、粉尘和其他颗粒堆积物会遮盖PV模块 的玻璃表面并阻止电池接收太阳能辐射，每年因此类 污染而导致的能源产量损失常高达20。 风、雨和模块温度等环境因素均会影响光伏电厂的性能，但在许多环境中，PV模 块的污染对性能造成了很大影响。沙土、粉尘和其他颗粒堆积物会遮盖PV模块的 玻璃表面并阻止电池接收太阳能辐射，每年因此类污染而导致的能源产量损失常 高达20。 根据美国可再生能源国家实验室的分析所述，污染物是一个复杂的太阳能产业问 题，它会增加电厂监测和性能的不稳定性，并通过能源产量损失、OM成本增加 和更高的融资利率抬高LCOE。 因地理位置不同，污染严重的情况多发生在干旱和半干旱环境中，在经空气传播 的污染条件下以及在倾斜角度较小的模块上。在上述条件下，若未对模块进行定 期清洁，堆积的污染物将导致每月25的产量损失，如图1所示。长期的污染物累 积（尤其是胶结）可导致100的产量损失。 报告中将这一发电量损失称为污染率污损比（SR），即被污染的PV模块与同一 型号的干净模块测量所得的功率输出之比。 低至5的倾斜角就会造成粉尘堆积的增加。通常情况下，将由污染造成的能量损 失预估值假设为3-5，可这会导致不必要的过度设计。 1. www.researchgate.net/figure/voltage-current-characteristics-of-a-PV-module-for-soft-and-hard-shading_fig6_292275071 2. https//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/2015_pvmrw_105_weber.pdf https//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/2015_pvmrw_105_weber.pdf 3. International norm IEC 61724-1 Photovoltaic System Performance – Part 1 Monitoring 4. The current standard for soiling testing is IEC 60068 -2-68 太阳能模块污染 - 白皮书 2太阳能模块污染 - 白皮书 污染通常由粉尘造成，而造成能量产额减少的原因则 包括许多环境和自然因素；例如落在模块表面的沙 土、海岸附近的盐类沉积、鸟粪、花粉、雪或雾，以 及其他物质。 2014年，Zaki Ahmad等人对找到的15种粉尘变体类 型进行研究；包括红土、水泥、灰、钙、石灰岩、硅 土、碳酸钙、沙、粘土、土、泥、空气传播的粗粉尘 以及哈麦丹风或撒哈拉沙尘 .其中六种对PV模块的影 响最为明显；即灰、钙、石灰石、土、沙和硅土。 这些物质可以不同的组合和形态存在于空气中及模块 上；由此形成的遮光类型可被分为‘软’或‘硬’遮 光。 对总交付能量造成影响的PV模块表面上堆积的粉尘量 自然可按小时、日、月、季度和年度的时间单位进行 测量。2014年，Sanaz Ghazi在世界上的不同地区对 粉尘分布模式进行调查，并发现世界上粉尘堆积最严 重的区域位于非洲的中东部和北部地区。 烟雾颗粒可形成软遮光，如模块上的烟雾或轻尘会减 少照射到太阳能电池的总太阳辐照度。更为牢固的粉 尘或颗粒则形成硬遮光，以清晰且可界定的形状遮蔽 太阳光线。 以上两种遮光类型会产生不同的影响。软遮光影响 PV模块生成的电流，但电压保持不变。在硬遮光情况 下，模块的性能则取决于光线被遮蔽的电池数量及其 在模块中的位置，还会影响所产生的电流和电压。 什么是污染物 污染物是指覆盖在太阳能模块表面上的一层薄薄的粉尘，粉尘通常因具体位置 和周边环境导致，且颗粒直径小于25m 。地面上的粉尘以许多方式通过空 气传播；例如风、人和动物、车辆流动、农业和火山喷发等。随着时间的流 逝，特别是在潮湿或露水凝结条件下，粉尘会形成一个水泥般的不透明硬层， 且难以清除。 5. www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/thickness-dust-solar-cells-performance-solar-cell-deteriorate-atmospheric-dust-accumulates-q22797203 6. www.researchgate.net/publication/278177273_dust_effect_on_flat_surfaces_-_A_review_paper 7. Z.A. Darwish, H.A. Kazem, K. Sopian, M. Al-Goul, H. Alawadhi Effect of dust pollutant type on photovoltaic performance Renew Sustain Energy Rev, 41 2015, pp. 735-744. 8. www.researchgate.net/figure/Voltage-current-characteristics-of-a-PV-module-for-soft-and-hard-shading_fig6_292275071 3太阳能模块污染 - 白皮书 污染物类型和颜色对传输损失的影响 受来自太阳的直接辐射角度作用，由污染物造成 的能量损失也会随着一日的时间进程而变化。 当太阳位于天空较低处时，太阳光线以低角度 接触到受污染的PV模块，这会造成较大的光线 反射，从而导致较少的能量捕获。日落和日出时 的捕获损失最大，太阳正午时则最小。太阳正午 是指太阳位于天空最高处，且因时区和夏令时变 化，其所指的并非当地‘时钟’的正午。 Delft晴朗天气条件下因人为污染造成的SR（随 时间进程） 图3一日内的污染率变化 由于污染是由范围广泛的物质（如粉尘、沙和花 粉）导致且污染物的颜色也因地区有所差异，其 对传输损失的影响也有所不同。 图2黑色和白色粉尘分别导致最高和最低的污 染传输损失 由于污染物质的颜色因具体地区有所差异， 污染物监测设备须对本地的粉尘特征具有敏感 性。Kipp Zonen DustIQ的出厂校准为标准的 亚利桑那试验粉尘，可对其进行简单的现场再校 准使其适用于现场粉尘颜色。 4 图4来自世界各地的尘埃颜色样本以晴朗的天空为主的天气条件下，PV园区的最大发电量出现在太阳正午时 段。因此，虽然在日出和日落时损失较大，但仅占全天能量产量的一小部 分。 在指定地区，污染还会受到每日湿度和降水循环的影响。研究显示至少需 要20毫米的降雨量才能清洁PV模块表面，否则土沉积将留存。胶结颗粒通 常是无法清除的，这将导致模块电力输出的一个固定减少量，并可能对模 块玻璃造成永久性损害。污染的现场研究显示地理和当地的降雨决定了较 大的结果差异。 例如，加利福尼亚的一个2001年的研究发现在数日无降雨情况下平均每日 PV模块的效率减少为0.2。该研究发现，根据PV电厂的不同位置，由雨水 缺少造成的年污染损失范围为1.5 至6.2。 亚利桑那州立大学的研究员们在近期的一次研究中发现，亚利桑那道路粉 尘（ISO 12103-1，A2超细试验粉尘）对州内太阳能电池板的污染显示了年 损失在无雨时期高达15。 2018年Kipp Zonen在西班牙和摩洛哥的一次研究发现每日污染率达0.4 。研究员使用DustIQ监测系统可检测到小于 1 的小污染变化。如夜晚数 据显示了模块上的露水累积可持续至清晨。 在春末夏初时节的摩洛哥，每日大约有 0.3 至0.4 的污染量增加，从而 导致了92 的SR。在西班牙，试验场地的年污染物堆积将近为 2.5，即 97.5 的污染率。每年的大多数时间，自然降雨会清洁模块，但在少雨的 西班牙夏日，积累的损失则超过 20。 R. R. Cordero等人于2018年在智利阿塔卡马沙漠的研究发现，若整年无清 洁，高沉积率和较少降雨在沙漠北边的沿海区域可导致高达39的年能量 损失。与此相反，在海拔较高的场地以及沙漠的南部却测量到3或更少的 年能量损失。 减少上述损失的技术尚在开发中；防尘涂层、耐磨涂层和新的除尘技术已 相继出现，通过研究，我们注意到其中一些措施可能已经对污染率产生了 影响。研究员们宣称，目前暂无验证上述缓解措施有效性的标准方法。 太阳能模块污染 - 白皮书 图5全球范围粉尘强度变化 5Solar Module Soiling - Whitepaper 粉尘对不同太阳能技术的影响 考虑粉尘积累会造成较大的能量损失，可以理解PV电厂性能取决于三个主 要因素辐射、模块温度与污染物。对于透射表面（包括固定和跟踪PV模 块以及CPV系统）和反射表面（如集中火力发电系统的日光反射装置或镜 面），污染都是一个关键的性能问题。 在PV模块中，光线被遮蔽的电池所形成的区域会阻碍未污染电池生成的电 流。光线被遮蔽的电池温度将因此升高，成为热点并最终损坏模块和导致 故障。 由于风穿过电池板的不同以及前排模块的作用，电池板周边与中心部位的 污染有所不同。因此，若PV模块为单列连接，则污染物对单个PV模块造成的 软遮光影响通常与该列模块相同。然而在多列串连PV阵列的情况下，因一列 遮光造成的电流不平衡可通过通用变频器影响与之平行的其他列。 单列PV阵列表面的硬遮光粉尘能减少该列的电压，但通常情况下，变频器会 检测到这一变化并立即进行调整。然而，若在平行的不同列上有不平均的硬粉 尘，则会发生电压错配。这样的情况被称为部分遮光，此时连接至同一变频器 的不同平行列交付不同的电压。这让变频器很难将电压调整至可交付最大电力 的最佳电压点。 太阳能模块污染 - 白皮书 6玻璃和框架结构与世界上安装的大多数PV模块相 似。DustIQ还包括一个小PV电池，使用户能根据当地 粉尘特征进行单位校准。系统无需维修，可与相邻模块 一同清洁。 DustIQ的一个独有特征是无需任何外部辐射便可运行污 染测量，它无需依赖太阳位置和天空条件。DustIQ每分 钟提交一次SR，全日无休，从早到晚且无需进行任何太 阳位置校正。 阿布扎比酋长国的气候条件非常干燥且伴随沙尘暴，在 与之相似的环境中每日进行模块清洁可能具有一定的经 济意义。在半干旱条件下，可要求每周清洁一次；而在 大部分的美国市场中，每周或每月清洁两次便已足够。 清洁大型PV装置最常用的方法是将水运至现场进行人 工冲洗和干燥处理。但一个位于沙漠的100MW级别太 阳能电厂在其使用期限内需要的水量估计可超过5000 万加仑。在美国西南部，考虑到两次清洁之前的污染所 生成的清洁成本和生产损失，相关的长期成本可高达 7000万美元。 圣戈班公司的PV太阳能清洁方案01号是一个为商业和 公用事业级别太阳能农场设计的节水清洁系统，其特征 是专为清除玻璃表面上的粉尘、灰尘、碳和其他碎屑而 设计的高性能分散剂 。表面活性剂技术能在不损伤玻璃 的情况下，渗透并清除含油和有机残留物，如石油污染 物和鸟粪。 该公司宣称PV太阳能清洁方案01号可降低表面张力且 具有润滑能力，这能在使用海绵或给水清洁杆进行的接 触性擦洗中保护玻璃不受损害。其独特的化学剂可与所 有类型的水混合进行有效清洁，包括去离子水、软水、 井水或市政自来水。 测量与措施 对污染状况进行细节监测是为了确认最具成本效益的太阳能模块清洁时 间。OM可利用这一信息与股东们就最佳清洁时间安排以及在特定事件（从 微事件至沙尘暴）发生后触发措施的时间达成协议。 了解整个PV电厂的污染信息可明确给出模块清洁的具体时间和位置，而非采 用会造成不必要清洁成本的固定计划表。 Kipp Zonen DustIQ采用光学污染测量（OSM）技术来确定传输损失，在报 告中被称为污染率。其使用了两个传感器，其中一个蓝色脉冲LED和光电二极 管用于测量由DustIQ玻璃盖顶部散射回来的光线。 太阳能模块污染 - 白皮书 7太阳能模块污染 - 白皮书 另一个来自SunPower公司的机器人解决方案声称能以比人工方法快20倍的 速度清洁模块；且能对污染问题形成快速反应。将机器人安排在晚上工作 可最大程度减少对能源生产的影响以及运行所需的水量；对位于水资源有 限或水费昂贵地区的项目，这是一项不错的选择。 Ecoppia E4是一个无水的模块清洁机器人，每晚可清洁多达1200个模 块。E4使用强力且柔软的超细纤维和可控气流将模块上的粉尘颗粒向下清 除。E4沿着刚性构架移动，不会在模块表面上产生任何负重，且经证明对 模块和抗反射涂层是完全安全的。 专为MENA地区开发的Nomadd配有两个直驱电机，且没有暴露在外的齿 轮、滑轮、电缆或电力传输组件。该机器可通过自动改变角度‘漂浮’于 不对称的轨道之上，还能补偿模块安装固定和由此导致的起伏不平。整个 系统悬挂于底架之上，对模块不施予任何重量，其设计旨在配合规格为600 毫米的悬挂式模块使用。 8被粉尘和其他物质遮蔽的太阳能模块可对发电量造成非常重大的影响，根据现场 发现，损失率可高达30。虽然在经常降雨的地区，清洗频率无需像干燥环境下 一样密集，还是要对所有PV电厂进行污染损失的监测，而收集的数据也应被纳入 符合所有者和运营商目标的维护计划。 为达成最佳的PV电厂监测和维护计划，粉尘监测系统（如Kipp Zonen的 DustIQ）可提供关键性输入，用于优化产量损失和清洁成本之间的财务平衡和目 标性能比的保持。 结论 太阳能模块污染 - 白皮书 9Meteorology Division of Kipp Zonen B.V. Delftechpark 36 2628 XH Delft 31 15 2755 210 infokippzonen.com www.otthydromet.com/kippzonen/dustiq OTT HydroMet GmbH Ludwigstrae 16 87437 Kempten | Germany 49 831 5617-0 euinfootthydromet.com www.otthydromet.com 联系方式