荒漠中光伏發電量受光伏組件積塵的影響和自動清潔經濟效益研究

王莉　董鋆剛

摘 要：為明晰積塵對光伏組件的影響，探索荒漠這種特殊環境對光伏組件的影響，尋求提升經濟效益的方法。文章運用文獻研究和案例研究的方法，分析了積塵對光伏組件的遮擋影響、熱斑效應和腐蝕影響，研究了荒漠中積塵的狀況，對清潔后的光伏組件的經濟效益進行研究。得出自動清潔裝置相比于人工清潔對提升發電站經濟效益具有顯著作用。

關鍵詞：光伏組件；發電量；積塵；經濟效益；荒漠

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0169-02

對于光伏組件而言，灰塵會對其產生遮擋、腐蝕以熱斑效應等一系列負面效應，進而影響光伏組件的輸出功率。而荒漠作為一個風沙大、自然環境惡劣、塵土較多、遮擋物少的地區，附著在光伏組件上的積塵要明顯多于其他地區，對光伏發電量的影響也大于其他地區。及時對組件表面進行清理，防止組件被遮擋、預防熱斑效應，將大大提高光伏系統的性能，增加投資收益。

1 積塵對光伏組件發電量的影響

1.1 積塵對光伏組件的遮擋效應

荒漠中的灰塵較大，在光伏組件上的積塵也較多。沉積在組件上的灰塵會遮擋光伏組件的玻璃蓋板，造成蓋板的透射性減弱，從而減弱到達太陽電池面上的光強。光強減弱將減弱光電效應，直接減少光伏的發電量。同時，積塵遮擋對光伏組件的輸出功率具有直接性影響。

光伏組件玻璃蓋板的作用是保護發電主體，其透光率大于91%。由光線傳播原理可知，當入射光線照射到玻璃蓋板時，光線會發生折射現象和反射現象。當光伏組件表面有積塵時，其光電效應原理如圖1所示。

光線（光強為E）照射到灰塵表面時，灰塵將光線吸收和散射。部分被散射的光線會照射到玻璃蓋板上（圖中E1所示光線），到達光伏玻璃蓋板的實際光強僅為E1，相較于無積塵時減少（E-E1）。綜上所述，當光伏組件表面有積塵時，其發電量將少于清潔狀態下。

1.2 積塵對光伏組件的溫度效應

一般而言，光伏組件的熱平衡維持是在光伏組件清潔的情況下運行的。而在荒漠中，光伏組件不可避免的有積塵覆蓋，覆蓋的積塵改變了光伏組件的熱平衡狀態。積塵的存在使部分光伏組件因遮擋無法正常工作，其溫度快速升高，而未被遮擋的光伏組件其溫度遠低于被遮擋的部分。這樣就使得被積塵遮擋的光伏組件因溫度過高而被燒壞，暗斑就此出現，進而導致整個光伏組件破壞，無法工作。

綜上所述，積塵會使光伏組件產生熱斑效應，破壞光伏組件系統，致使其發電量減小，甚至完全破壞無法發電。

1.3 積塵對光伏組件的腐蝕效應

玻璃蓋板鋼化玻璃的主要成分是石灰石和二氧化硅等。荒漠中的大量積塵是呈酸性或堿性，會與石灰石和二氧化硅發生化學反應。附著在玻璃蓋板上的積塵，加之空氣中濕潤的水份，就會與玻璃蓋板中的成分發生酸堿反映，腐蝕玻璃蓋板。

玻璃蓋板與積塵發生酸堿反應后，玻璃蓋板表面就會變得粗糙，粗糙的表面其對光線的反射作用增大，而折射作用減弱。這樣入射到太陽電池上的光線就會減少，進而減弱光電效應，最終使光伏組件的發電量減少。雖然積塵的腐蝕不是瞬時發生的，且其影響不大，但是玻璃蓋板的腐蝕卻是難以修復的。玻璃蓋板一旦被腐蝕，將永久無法恢復，因此，必須加強對光伏組件的日常維護和養護才能降低腐蝕危害。

2 荒漠特殊環境對光伏組件的影響分析

2.1 晝夜溫差大的影響分析

荒漠生物稀疏、人類及其他生物活動少，其主要組成成分——沙石的比熱比水的比熱低得多。因此，在同樣的日照下，荒漠接受光照的強度比較大，吸收熱量的速度比較迅速；而在夜晚，熱量釋放的速度也比較快，溫度迅速下降。較大的晝夜溫差，會導致水蒸氣的凝結及蒸發，這樣在光伏組件上就會產生水滴，容易使光伏組件與積塵發生化學反應。而日間較高的溫度也易導致光伏組件熱斑效應的發生。

2.2 風沙大的影響分析

荒漠由于植被稀疏、砂石顆粒較多，因此風沙較大。一旦起風，沒有阻擋的風會卷著沙塵一瀉千里。因此，在荒漠中光伏組件表面的積塵要明顯多于其他地區。漫天的沙塵會沉積在光伏組件表面，致使光伏組件光線透射率降低，甚至產生化學反應及熱斑效應，降低光伏組件的發電量。

3 清潔對提升光伏發電量的效益影響

認識到積塵對光伏組件發電量的影響之后，越來越多的學者開始關注清潔對提升光伏發電量效益的影響。根據美國航空航天局研究顯示：積塵的覆蓋率達4.05 g/m2就能減少40%的太陽能轉換，尤其在環境條件較差的地區（如荒漠）影響更大。

國內兩家研究機構對清潔對光伏組件發電量的影響進行了研究，其研究數據表明：年累計發電量、年累計節約費用、CO2減排量都可提高25%，SO2減排量、煙塵減排量可提高25.7%，標準煤節約量提高25.1%。根據安徽蚌埠2 MW電站的測試，發電站經過20 d的灰塵累積其發電量下降24%。而深圳光伏建筑一體化項目研究表明，相對于15 d未清潔的組件，清潔后的組件發電效率提高平均25%。雖然光伏組件清潔對提高效益具有作用，但是人工清難度大，成本高，對提升光伏發電量的效益影響甚微。

4 自動清潔提升發電量的效益分析

光伏組件自動清潔裝置指根據光伏發電原理，采用自動控制系統與傳動系統相結合，來對光伏組件進行自動清潔，提升光伏組件發電效率的機電產品，可以提升10%～30%的發電率。

但是，不同的地區降塵量和灰塵排布也有所不同，而且不同地區的空氣濕潤程度不同。植被覆蓋率較高的地區，降塵量就少；空氣濕潤的地區，光伏組件發生酸堿反應的概率就高。而針對本文所研究的荒漠環境，由于其風沙大、植被少，降塵量和灰塵排布都比較大，因為沉積的灰塵也比較多，自動清潔裝置對提升經濟效益的作用也會更為顯著。

根據目前科學技術的發展水平，對自動清潔裝置的設計有很多種方式，主要分為以下兩種：單軸跟蹤系統和雙軸跟蹤系統。

調查研究表明，單軸跟蹤系統可以提升約10%的發電量，雙軸跟蹤系統可以提升約15%～20%的發電量。從投入產出比來看，清潔對于提升經濟效益效果顯著。下面以寧夏嘉澤項目20 MW光伏電站作為研究案例進行分析。

該項目共有87 600塊光伏組件，共需791套清潔裝置，每套裝置的材料成本和安裝成本合計為7 775元。安裝自動清潔裝置后，發電量將提升10%/a，發電量3 000萬 kWh/a，效益增收300萬元/年（電價1元/kWh），人工節省費84萬/a，投資回收期1.6 a，見表1。

綜上所示，自動清潔裝置可以大大降低人工成本，尤其是在荒漠地區這種降塵量較大的地區，更需采用自動清潔裝置對光伏組件進行清潔。

這將大大降低荒漠地區發電站的成本，提高光伏電阻的發電量，提升經濟效益。

5 結 語

①本文分析了積塵對光伏組件發電量的影響，發現了積塵會遮擋玻璃蓋板，影響光電效應，降低發電量；積塵會導致光伏組件發生熱斑效應，破壞光伏組件；積塵會與玻璃蓋板發生酸堿反應，且難以修復。

②本文分析了荒漠這種特殊環境對光伏組件的影響，得出荒漠由于晝夜溫差大、風沙大，其對光伏組件產生的積塵多，發生化學反應的機會大，對光伏組件發電量的影響更為顯著。

③本文分析了清潔對提升光伏組件發電效益的作用，得出清潔可以提高光伏組件的經濟效益，但人工清潔成本高。

④本文分析了自動清潔對提升光伏組件經濟效益的作用，發現自動清潔可以較好的提升經濟效益，是值得提倡的做法。

參考文獻：

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