光伏电站组件清洗各种方案

光伏电站太阳能组件各种清洗方案的讨论光伏电站无论是余光互补，风光互补，农光互补，或者是屋顶电站，无论是电站建在哪里，都存在组件积灰的情况，那就存在组件清洗的问题。对于建成投运光伏电站，电站的运维是其高效安全运行，经济运行的基础。为了保证光伏电站的系统效率，提高电站发电量，应该针对电站的环境和气候条件因地制定合理的运维方案，对于光伏电站都有重要意义。图 1 辐照度均匀性对光伏组件 I-V 的影响一、灰尘的来源和种类：1.1 灰尘的来源：灰尘是细干而成粉末的土或其它物质的，被化为微细部分的某物体。细的粉末，灰尘颗粒的直径一般在百分之一毫米到几百分之毫米之间，是人的肉眼看不见的。人的肉眼能看见的是灰尘中的庞然大物。灰尘来自于工厂的排放，建筑工地的扬尘，大风卷起的尘土等。1.2 积灰可以分为很多类，从灰尘对光伏发电工程影响的角度，从灰尘的物理性质、化学性质和积灰形态对积灰进行了分类。1.2.1 按物理性质分类灰尘的物理性质有很多，如颜色、粒径、密度、导电性、导热性等。这些物理性质与光伏工程紧密联系的有灰尘粒径和导热系数。不同的灰尘粒径存在着不同，常用粒径分布某一粒子群中，不同粒径所占比例，亦称粒子的分散度。灰尘粒径的不同对光伏板的遮挡也不同，因此从遮挡效应来看，可以按灰尘的粒径大小来区分灰尘，则可以分为粗灰尘和细灰尘。不同性质灰尘的导热系数也不尽相同，导热系数的不同对光伏板的热平衡产生影响，从而使得有积灰光伏板的温度与清洁光伏板温度存在着差异，进而影响发电效率，因此可以从灰尘的导热系数方面来分，将灰尘分为强导热灰尘和弱导热灰尘。1.2.2 按化学性质分类灰尘的成分比较复杂，有些灰尘化学性质比较不活泼，如黑炭颗粒、碳酸钙和氢氧化铝粉尘等，有些灰尘本身带有酸性，例如硫酸烟雾、光化学烟雾，有些灰尘本身带有碱性，如金属氧化物颗粒、石灰石粉尘、水泥粉尘和许多路尘等，Darley 试验发现，水泥粉尘溶液的 PH 为 12.0，并含有多种金属和 HSO4-离子，石灰石粉尘中也含有多种无机元素，路尘中含有高浓度的金属盐分，许多未铺砌的道路产生碱性灰尘[ i]。由于灰尘中的飘尘颗粒多，粒径小，表面积非常大，因此它们的吸附能力很强，可以将空气中的有害物质吸附在它们表面，而呈酸性或碱性。灰尘中往往含有粘土等物质，会吸收空气中或材料中的水分，使其发生水解反应，分解出胶粘状的氢氧化铝，带有碱性。而灰尘酸碱性的不同对光伏板的腐蚀作用是不同的，腐蚀作用越强，光伏板表面盖板损害越严重，对发电效率也存在影响，因此从化学性质上可以将积灰分为：酸性积灰、中性积灰和碱性积灰。1.2.3 按积灰的附着形态分类从灰尘的物理特性来看，灰尘是固体杂质，形状多不规则，大多是有棱角并带有灰、褐、黑等颜色，且具有吸水性。当光伏板表面有大量灰尘，且附近空气相对湿度达到一定程度时，水汽即形成水滴，所以灰尘易被水湿润，也易吸附水分。因此当积灰时，积灰易吸附水分，就极有可能在水分达到一定程度时沿光伏板坡面向下搬运灰尘的情况，这样即使得产生积灰的形态不同。光伏板表面灰尘的附着状态对于灰尘吹除的难以程度，对光线的遮挡程度都不同，因此可以按积灰附着形态，将灰尘分为干松积灰和粘结积灰。干松积灰：飞灰的颗粒大部分都很细小，很容易附着到光伏板表面上，形成干松积灰。干松灰的积聚过程完全是一个物理过程，灰层中无粘性成分，灰粒之间呈现松散状态，易于吹除。粘结积灰：灰尘颗粒累积在光伏板表面，由于降雨、露水等原因，灰尘颗粒潮湿后，吸附性非常强，这些颗粒就会吸收空气中的物质并粘附在光伏板表面上，从而形成具有较强粘性的积灰，干后再形成一个坚硬的结晶状外壳，粘贴于光伏板表面。根据擦除程度的难易可以将粘结积灰分为强粘结积灰和弱粘结积灰。图 2 积灰形态图（左：干松积灰；右：粘结积灰）Fig. 2 Fouling morphology diagram (left: dry pine fouling; right: bond fouling)二、积灰对光伏发电的影响机理研究2.1 光伏板积灰的遮挡效应灰尘降落到光伏板表面，不仅遮挡了光线对光伏电池的照射，使得光伏电池实际接受太阳光的有效面积减少，而且还使得部分入射光线在玻璃盖板中的传播均匀性发生了改变。灰尘颗粒光线玻璃盖板光伏电池EE 1E 1 1E 1 2E△ E 1△ E 2图 3 光线传播示意图（遮挡状况）Fig. 3 Schematic diagram of light transmission (block condition)光伏板一般有五层，从上到下以此为：玻璃盖板、上层 EVA、光伏电池、下层 EVA、背板 TPT 层。玻璃盖板一般为钢化玻璃，其作用为保护发电主体（如电池片），透光率较高，一般在 91%以上；EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明的，其材质的优劣直接影响到组件的寿命。根据光线传播原理，一定波长的入射光照射到玻璃盖板上时，光线在玻璃表面发生折射和反射现象。折射后的光线在玻璃内部传播，并从另一表面透过，照射到光伏电池表面产生光电效应。当此玻璃盖板表面有灰尘颗粒时，光线传播路径较没有灰尘时有所不同。如图 所示，当光伏板表面有灰尘时，光强为 E 的光线照射到灰尘表面时被灰尘吸收和散射，前者是光能△E1 被灰尘吸收后变为热能，后者能量为△E2 的光线则是被灰尘向四周散射，被散射的光线可能有部分照射到玻璃盖板上，图中所示 E1 光线是被灰尘散射到玻璃盖板上的光线，从而在玻璃盖板上又形成了一次折射和反射的光线传播过程。综上所述，在如 图 所示情景中，由于积灰的遮挡作用，实际达到光伏玻璃盖板表面的光强为 E1，进入玻璃盖板的能量较无积灰时要少（E -E1 ）即（ △E1+△E2-E1），从而使得光电效应较清洁状态下弱，因此积灰状况下的发电量要比清洁状态少。由上面的光线传播的理论分析可以得出，由于灰尘的存在，使得玻璃盖板的透射性减弱，从而到达光伏电池表面上的光强减弱，光电效应减弱，光伏发电量减少。2.2 光伏板积灰的温度效应灰尘降落到光伏板表面，一方面产生了遮挡，使得光伏板表面玻璃的透射率减小，减小了投射到光伏电池表面的太阳辐射量，另一方面降落到光伏板上的灰尘导致光伏板的传热形式发生了变化。现有光伏板热平衡是建立在清洁光伏板情况下的热平衡模型，实际上在光伏板投入运行后，光伏板表面会积有灰尘或者树叶等物质，这些物质的存在使得光伏发电的热平衡发生了改变，因此当光伏板表面有灰尘时，太阳电池组件在长久阳光照射下，部分组件受到遮挡无法工作，使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过高出现烧坏的暗斑，如 图 所示。热斑可能导致整个电池组件损坏，造成损失[ii]。图 4 太阳电池出现热斑损坏的实验照片Fig4 Solar hot spot damage occurs Experimental photo2.3 光伏板积灰的腐蚀效应灰尘具有酸性或者碱性，而玻璃的成分主要为二氧化硅和石灰石等，当湿润的灰尘附在玻璃盖板表面，玻璃盖板成分物质都能够与酸或碱反应。随着玻璃在酸性或碱性环境下的时间增长，玻璃表面就会慢慢被侵蚀，从而在玻璃盖板表面形成坑坑洼洼，导致光线在玻璃盖板表面形成漫反射，在玻璃盖板中的传播均匀性受到破坏。光伏电池玻璃盖板光线EE 1E 2E 2 1E 2 2EE 1 E 2 图 5 光线传播示意图（侵蚀状况）Fig. 5 Schematic diagram of light transmission (erosion)如图所示，由于灰尘对玻璃盖板的腐蚀作用，玻璃盖板表面呈现许多的凹面，造成原有的光滑玻璃盖板变成了非光滑盖板，增大了玻璃盖板表面的漫反射。由 图 可以分析，光照到凹面时，光的传播路径较平整表面有明显不同，光线在凹面内产生数次的反射、折射过程。如光强为 E 的光线入射到凹面内，一部分 E1 折射，一部分 E2 在凹面内反射至凹面内，再经过折射、反射，一部分 E21 折射，一部分 E22 反射，综合起来，光强为 E 的光线，实际折射到玻璃盖板的能量为（E1+E21）。而对于平整情况下的玻璃盖板，当光强为 E 的光线入射到表面时，有 E1’的光线能够达到光伏电池表面。在光的反射和折射中，能量是守恒的，能量的分布情况满足：𝐼𝑖=𝐼𝑑+𝐼𝑠+𝐼𝑡+𝐼𝑣其中： 为入射光强，由直接光源或间接光源引起； 为漫反射𝐼𝑖 𝐼𝑑光强，由表面不光滑引起； 为镜面反射光强，由表面光滑引起；𝐼𝑠为透射光强，由物体的透明性引起的； 为被物体所吸收的光，由𝐼𝑡 𝐼𝑣能量损耗引起。当玻璃盖板受腐蚀较弱时，可以把玻璃盖板看成是为一反射率很低的光滑表面。对于此理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律，而对于一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由反射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的。镜面反射光强可表示为：𝐼𝑠=𝐼𝑖·𝐾𝑠·𝑐𝑜𝑠𝑛(𝛼),𝛼∈ (0,𝜋/2)其中 Ks 是与物体有关的镜面反射系数，α 为视线方向 V 与反射方向 R 的夹角，n 为反射指数，反映了物体表面的光滑程度，一般为 1~2000，数目越大物体表面越光滑。由上面镜面反射光强公式可知，玻璃盖板表面越粗糙，n 越大，此时反射光强 增大，再由光的能量守恒方程可知，折射光的能量𝐼𝑠减少，实际到达光伏电池表面能量越小。随着腐蚀程度的加深，光伏板玻璃盖板表面越来越粗糙不平，这时候可以看成为一理想漫反射表面。当光源来自一个方向时，漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空间分布是均匀的。记入射光强为 ，物体表面𝐼𝑖上点 P 的法向为 N ，从点 P 指向光源的向量为 L，两者间的夹角为 θ，由 Lambert 余弦定律，则漫反射光强为：NLθP光源玻璃盖板图 6 漫反射入射光示意图Fig.6 Schematic diagram of diffuse incident light𝐼𝑑=𝐼𝑖·𝐾𝑑·𝑐𝑜𝑠⁡(𝜃),𝜃∈ (0,𝜋/2)其中， 是与物体有关的漫反射系数, 。𝐾𝑑 0<𝐾𝑑<1由上面漫反射光强公式可知，光伏板玻璃盖板表面越粗糙，漫反射系数 越大，漫反射光强越大，再由光的能量守恒方程可知，折𝐾𝑑射光的能量减少，实际到达光伏电池表面能量越小。由上面的分析可得，从玻璃盖板整体来看，由于酸性或碱性灰尘对玻璃盖板的腐蚀，造成玻璃盖板表面粗糙度增加，反射光强增大，折射光的能量减少，使得入射到光伏电池的光照强度减弱，光电效应减弱，发电量减少。在光伏电站的运营阶段，制定经济合理的的运维方案，保证电站安全可靠性，提高电站的发电量。首先应对电站设备的运行状态进行实时监控，进行日常的巡检，消除安全隐患，保证关键设备的正常高效运行;其次还应对光伏电站的发电数据进行统计分析，针对环境和气候条件，找到影响发电量的主要因素，制定合理的方案，减少损耗。对于太阳辐照资源和环境温度，没有办法进行改善提高，只能做好记录，用以对光伏电站的系统效率的分析验证。对于中国西北地区的光伏电站，灰尘遮蔽是影响发电量的重要因素，西北地区干旱缺水，风沙很大，组件受到灰尘遮蔽的情况严重，如图 7 所示。图 7 光伏电站组件受灰尘遮蔽情况图 8 清洗方案这种清洗方案，使用于组件前后间距较大，地势比较平坦，地质较好的场所。缺点，是随着车辆的非直线运动，组件收到的压力大小不均，灰尘基本上是干插，对组件玻璃的寿命有影响。图 9 清洗方案图 9 的清洗方案为水冲洗，清洗的比较干净彻底。适用于组件数量较少的电站，不适宜于大型的光伏电站。图 10 清洗方案图 10 的清洗方案同样为水洗，清洗比较干净，但存在效率低的问题，不适用大型光伏电站。图 11 清洗方案图 11 的清洗方案同样为干洗，存在效率低的问题，组件玻璃存在磨损的问题，效率低下。图 12 清洗方案图 12 的清洗方案为机车载水，人工清洗，需要场地开阔平坦，还需要多人配合，效率也不高。图 13 清洗方案图 13 的清洗方案为自动化清洁，存在投资大，插布更换困难的问题，维护费用也高。此外，还有对于取水比较困难的地方，用压缩空气吹扫的方法。压缩空气吹扫，存在灰尘高速摩擦玻璃组件的问题；机器人清洗方案，也在最近研发成功。