積灰陰影遮擋對光伏發電系統的影響

張佳平

國家電網上海市北供電公司

0 背景

地球上的太陽能資源比較豐厚，而且資源的分布也是比較廣泛的，對太陽能資源進行大規模的開發利用前景也是相當的可觀。目前，主要以火電方式進行的發電，不僅其利用率比較低，而且會產生大氣污染。近年來，公眾對于環境保護的意識也在不斷加強，急需尋求可代替煤炭的可再生能源進行發電，而光伏發電的無污染以及取之不盡、用之不竭的優點，已經得到了全球人類的普遍關注。太陽能發電技術進步飛快，產業規模持續壯大，在世界已實現較大規模的應用。數據顯示，截至2018年底，全球光伏累計總裝機容量達480 GW。預計2030年全球光伏累計裝機容量有望達到1 721 GW。光伏發電將在未來成為主要的發電方式之一。

在全球一體化經濟市場的帶動下，太陽能在中國也得到了相關科學領域的重視，其衍生的光伏產業同時得以迅猛發展。從發展走勢上來看，光伏發電很快就會成為技術過硬、經濟合理、具備持續發展條件的可再生能源，對我國實現能源轉型，控制傳統能源消耗總量起到了至關重要的作用。

1 積灰陰影對光伏電池系統的影響

本文在討論課題之前，先簡單闡述一下光伏電池的發電原理。我們常說的光伏電池板，也就是可以把太陽光變成電能的一種設備，它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。這種轉化在物理學上又可以稱為光伏效應，簡稱光伏。

太陽能電池是一種可進行光電轉換的元件，它最基本的構造：P型半導體與N型半導體（如圖1所示）；組成半導體的成分是“硅”，硅材料本來是不能夠導電的，然而若在半導體材料中加進去各種不同的雜質，這樣一來就能夠形成P型與N型半導體，再接著利用P型半導體的一個空穴（此時的P型半導體相當于帶了一個單位的正電荷），而相對應的是N型半導體相當于帶了一個自由電子，二者從而形成電位差來產生電流；在光照射下，光能量能夠將硅原子中的電子激發出來，從而形成電子與空穴的對流，匯聚在兩端。半導體p-n結在光照條件下，會形成新的空穴-電子對，在p-n結電場作用下，與外界連接之后就會形成回路，即有電流產生，上述就是太陽能電池發電的基本原理[1]。

圖1 太陽能電池基本構造

1.1 積灰的來源與形成

光伏組件由于安裝時間較長，在組件的表面就會形成灰塵，灰塵的主要成分就是懸浮在空氣中的微粒，直徑一般較小。積灰微粒的主要來源如燃燒煙塵、汽車尾氣、工廠排氣等，還有另外一種重要來源之一就是生物物質，如鳥糞、花粉、抱子等（見圖2）。

灰塵的來源、形成時間、大小、密度、導電性和導熱性等均不相同。在這些性質中，導熱系數和灰塵粒徑與光伏工程有緊密的聯系。

不同性質的灰塵會有不同的導熱系數，導熱系數的不同會對光伏組件板產生的熱平衡也不相同，從而使得有不同積灰及較清潔的光伏組件溫度存在明顯差異，由于組件表面溫度的不同，對組件發電效率有著不同程度的影響。

灰塵是形狀多種多樣不規則的固體雜質，具有極強吸水性。當在光伏電池板表面形成大量積灰時，如果電池板附近的相對空氣濕度已經達到足以將水汽形成水滴的程度時，積灰容易吸收空氣中的水滴，積灰在吸收到一定的水分達到飽和時，再沿電池板的坡面向下滑動，滑動所經過的路徑就能產生不同的積灰形態。

太陽能電池板表面的灰塵中的顆粒多，表面積非常大，且具有較強的吸水性，容易將空氣中的有害物質等雜質物質吸附在顆粒表面，使得其顯現出酸性或堿性。較強的吸水性會與灰塵顆粒中的黏土發生水解反應，分解出膠黏狀的AI(OH)3，帶有堿性。灰塵的這些性質使得電池板的表面反應出酸性或者堿性，酸堿性對光伏板的腐蝕作用是不同的，腐蝕作用越強，電池板的受損越嚴重，對發電效率越不利。根據灰塵顆粒的特性表現出來的化學性質不同，可以將灰塵分為酸性、中性和堿性積灰。

根據電池板表面灰塵的附著狀態以及去除灰塵的難易程度，可以將灰塵分為干松積灰和黏結積灰。

干松積灰。灰塵附著在電池板上容易被去除，灰塵的顆粒都很細小，形成干松積灰。干松灰的積聚過程可以用物理現象來解釋，干松灰塵中無黏性成分，灰粒與灰粒之間呈松散狀態，易于吹除。

黏結積灰。當空氣水汽及相對濕度較高時，灰塵顆粒極易吸收水分，且吸附性非常強，這些顆粒就會由于吸收了水分及空氣中的顆粒物黏附在電池板的表面上，會形成較強黏性的積灰，在太陽光的作用下，等灰塵吸收的水分蒸發后，灰塵就會再形成一個堅硬的結晶狀外殼，吸附在光伏板表面（見圖3）。

1.2 積灰對透光率的影響

當電池板的表面形成積灰時，積灰的存在不僅遮擋了光伏電池對太陽輻射的吸收，相當于積灰間接減少了太陽輻照強度，降低了電池板的發電量，而且太陽入射光線照在電池板表面的積灰上，由于積灰顆粒的形狀的不規則，使得太陽光線在電池板上的傳播發生了不同程度的散射和反射。

圖3 干松積灰（上） 黏結積灰（下）

圖4 灰塵遮擋示意圖

電池板的組成一般包括：位于電池板最上層的為玻璃蓋板，玻璃蓋板一般是用鋼化玻璃制作而成，鋼化玻璃起到保護電池主體的作用，而且透光率高；上層和下層的EVA聚合物，EVA聚合物用來連接最外層的鋼化玻璃和電池片；電池片位于電池板的中間部分，不容易受損；電池板的最下層為背板TPT層。

根據物理上太陽光線的傳播原理，在波長一定的入射光線下，太陽光線照射到電池板時，首先到達最上層的玻璃蓋板，此時光線會在玻璃面上發生折射和反射。折射后的太陽光線會照射到電池板的電池片上，產生光電效應使得電池片中的電子發生運動，反射的光線會再反射到大氣中。如果在電池板的玻璃蓋板上存在灰塵顆粒時，太陽光線的傳播路徑就會與之前的傳播有所不同。如圖4所示，假設太陽光強為E的光線照射電池板表面時，灰塵的存在就會吸收和散射一部分的光線，圖中的△E1表示光線被灰塵吸收后由光能變為熱能的部分，后者△E2表示灰塵將光線散射掉的部分能量，圖4中的E1光線是太陽光線經過灰塵的散射作用再照射到上層玻璃蓋板上的光線，E1在玻璃蓋板上又會形成折射和反射的傳播過程。綜上所述，電池板表面的積灰遮擋，會使得進入玻璃蓋板的能量較無積灰時要少(E-E1)即(△E1+△E2-E1)。

根據圖4中光線傳播的理論分析，在電池板表面存在灰塵時，會減少太陽光線照射到電池板玻璃蓋板的能量，從而間接降低太陽輻照強度，使得光電轉換效率降低，發電量減少。

1.3 積灰對光伏組件的腐蝕

灰塵顆粒由于吸收空氣中的水汽、雜質物質以及有毒物質所表現出來的不同化學性質，會呈現不同的酸堿性，酸堿性的不同在光伏電池板的表面經過時間的積累就會腐蝕最上層的玻璃蓋板。這是因為玻璃蓋板的鋼化玻璃是由Si02和石灰石等主要成分構成，在酸性或者堿性的環境下，Si02和石灰石會與其發生化學反應形成腐蝕，會在玻璃表面形成許多凹面。當太陽光入射到電池板的表面，細小凹面的存在形成漫反射，增加了光線的反射能量，影響太陽光線在光伏組件中傳播的均勻性，減少了到達電池板中電池片的太陽光能量。由上述分析可見，積灰對光伏組件產生的腐蝕，也會導致光伏系統發電效率的降低，發電量的減少（見圖5）。

圖5 光線傳播示意圖(腐蝕狀況)

1.4 熱斑效應

當電池板表面形成積灰時，會對太陽光線的入射形式發生改變，影響光伏電池板的發電效率。光伏組件在長期使用中，也有可能會由于電站建設所處地理位置等因素的影響，在組件的局部表面會落上鳥糞等遮擋物，遮擋物的存在使得光伏組件表面形成了陰影。局部陰影的存在，會影響太陽能電池板上接受到太陽輻照的強度，在局部陰影遮擋下的電池板表面，所吸收的太陽輻照強度就會較弱。由光伏伏打效應可知，較低的輻照度會使其電池輸出的電壓和電流較低，由于光伏陣列是由眾多電池串聯構成的，被遮擋的電池產生較低的電流與未被遮擋的其它串聯電池所產生的電流不等，由基爾霍夫電流定律可知，此時被遮擋的電池就會變成負載，由于成為負載吸收能量就會使得遮擋電池的溫度很高，當溫度達到一個極限值時，會燒壞電池在表面形成暗斑，這種現象叫作“熱斑效應”。實際使用光伏組件中，如果熱斑效應所產生的溫度比電池的極限溫度要高，會融化組件上的焊點，破壞柵線，使得整個光伏方陣徹底報廢。

陰影遮擋的存在會影響甚至燒壞電池，影響光伏發電效率。為了避免由于熱斑效應而破壞太陽能電池，可以在多個電池組件的正負極間并聯一個旁路二極管（見圖6）。

2 積灰對光伏發電輸出特性的影響及實驗

2.1 積灰對光伏電池組件的影響

本文通過對大樓光伏電池系統觀察發現，屋頂光伏板表面有不同程度的堆積灰塵，這些灰塵可能不同程度地影響著光伏發電效率，因此原本將實驗鎖定大樓的光伏系統，但由于去年整體受疫情等種種原因的影響未能如愿。但本文還是獲得了來源于我國武漢地區某并網光伏電站的光伏發電量資料，其中光伏陣列傾角為40°，朝向南偏東9°。該觀測站位于武漢市東西湖慈惠農場（見圖7）。

利用MATLAB應用軟件，以太陽能電池的工程實用模型為基礎，結合光伏陣列中光伏電池的串并聯理論知識，建立了傳統局部陰影條件下光伏陣列的數學模型（見圖8、9）。

圖6 并聯了旁路二極管的光伏電池模型

圖7 大樓屋頂光伏電池板

圖8 MATLAB光伏電池陣列模型

圖9 陰影遮擋下的兩個串聯光伏電池

圖10 P-V特性曲線中很明顯存在兩個峰值。在傳統的P-V特性曲線中電池僅存在一個最大輸出功率點。主要是由于通過改變組件中電池的輻照強度來模擬實際中電池表面的積灰和陰影遮擋的效應，使得光伏陣列中的電流出現不平衡，從而導致了上述光伏陣列中的P-V曲線和I-V曲線呈現多峰和階梯形狀，在仿真模型中并未考慮二極管的損耗以及組件串聯失配等其它影響因素。

綜上所述，積灰陰影的存在影響光伏陣列的最大輸出功率，積灰以及局部陰影存在的面積越大，電池輸出功率的損失就會越大[2]。

2.2 積灰對光伏電池系統的影響

使用MATLAB應用軟件，通過改變輻射強度模擬在積灰陰影條件下的電池，進行分析研究。在已完成的電池模型的基礎上，搭建包含實現MPPT的Boost電路模型（見圖11）。

圖10 光伏陣列P-V特性曲線（左）光伏陣列I-V輸出特性曲線（右）

圖11 MATLAB搭建MPPT系統仿真

2.2.1 用于MPPT的BOOST電路原理

將光伏陣列的輸出側等效為一個含有內阻的電源，Boost后級輸出側等效為一個可變負載阻抗，通過不斷調整后級輸出側的負載，使得可變負載的值與電源的內阻相等時，此時光伏陣列的輸出功率最大。

如果能通過控制方法實現負載阻抗的實時調節，保證負載阻抗一直與光伏陣列的輸出阻抗相等，那么就相當于實現了對負載阻抗的實時調節，從而實現光伏陣列輸出最大功率的跟蹤控制。可以通過控制實現Boost電路占空比D的變化，等價于改變Boost后級輸出側的負載阻抗，從而使輸出功率達到最大（見圖12）。

圖12 BOOST等效電路

如圖13中所示，假設電路中的電感L、二極管VD、開關S和電容C均為理想器件，電路的功率從輸入到輸出的過程沒有損耗。

圖13 BOOST電路

當功率開關S導通時，光伏電池組對電感L進行充電，二極管VD關斷，此時L中的電流上升，L兩端的電壓等于光伏電池組的輸出電壓。

當功率開關S關斷后，電感L開始放電，同時給電容C充電，此時輸出側電阻消耗電能，電感兩端電壓與輸入電源的電壓疊加，使輸出端產生高于輸入端的電壓。

Boost電路輸入輸出的電壓關系為：

在上圖Boost電路中，由于Boost變換器的輸出側為蓄電池組，開關管S斷開時，電路輸出電壓Vo的值將被箝位于蓄電池組兩端的電壓。

由于輸入端電壓Vin最高為光伏電池的開路電壓Voc，而Voc＜Vo，存在一個占空比D的下限值Dmin，只有滿足在D＞Dmin的條件下，光伏電池的輸出能量才能對蓄電池組的充電電流產生影響。

該值可按下列方法求出，設輸入端電壓為光伏電池的開路電壓Voc，則由式(1)可得：

由上式可得：

當使用某種方法將BOOST電路的輸出電壓Vo保持不變的情況下，通過改變占空比D由公式（1）可知，此時電池組件的輸出電壓也會改變。由此可得：

因此，Boost電路的輸入端電壓Vin可在0～Voc之間變化。只要光伏電池的開路電壓在一定的范圍之內，都是可以通過改變Boost變換器的D，實現光伏電池最大輸出功率點對應的Vin值[3]。

建立簡單的光伏發電系統模型（見圖14）。

圖14 光伏電池最大功率跟蹤控制方法

2.2.2 MPPT基本原理

目前，MPPT算法一般是通過采樣光伏陣列實時電壓、電流值，計算得到此時的功率，然后與前一時刻的功率相比較，舍小存大，不斷調節工作點電壓(或電流)，這樣逐漸向最大功率點靠攏。控制框圖如圖15所示。

圖15 MPPT控制框圖

最大功率點跟蹤控制算法實際上是一個自動尋優的過程，光伏電池的P-V輸出特性曲線如圖16所示。

圖16 光伏電池P-V曲線

由圖16可知，當光伏陣列輸出的電壓在最大功率點電壓Um左邊時，通過MPPT的控制作用，使光伏電池工作電壓逐漸升高（此時減小D），向最大功率點電壓處靠攏。而當在Um右邊時，通過MPPT的控制作用，使光伏電池的工作電壓逐漸下降，直到無限接近最大功率點電壓。

為了保證供給負載的電能質量和轉化效率，使光伏陣列在光照強度和溫度發生變化的時候能實時跟蹤這種變化，及時反饋，經過算法的計算迅速找到新的狀態下的最大功率點。

2.2.3 增量電導法

它是通過控制算法改變光伏陣列的輸出電壓，找到在一定的輻照度和溫度的條件下，光伏組件的最大輸出功率點處所對應的電壓值，實現光伏板式中能夠輸出最大功率(MPP)。上述流程圖中，通過判斷電壓和功率的比值是否達到最大功率點，如果沒有，給電壓一個該變量不斷地進行調節，直至找到最大輸出功率點的電壓值。雖然理論上分析是可行的，但是此方法中需要靈敏度較高的電壓電流傳感器，且給定電壓值的該變量也是不容易確定的，如果該變量太大，則在達到最大功率點處光伏板的輸出電壓會有一個較大的波動；若該變量太小，則電路需要很長時間才能達到穩定狀態（見圖17）。

圖17 增量電導法的MPPT控制算法流程圖

2.2.4 仿真實驗

通過理論分析，建立MATLAB仿真電路模型，光伏電池模型選用2．2小節所建立模型。建立基于MPPT控制的Boost電路，MPPT的控制算法選用傳統的增量電導法來實現，首先將電池板的輸入空氣溫度設定在25℃，在輻射量設定在1 000 W/m2的情況下，此時光伏發電仿真系統在MPPT控制下功率的輸出特性如圖18所示。

在輻照度和溫度都確定的情況下，應用MPPT控制，可以實現電池輸出功率的最大控制，經過大約0．2 s的時間，電路保持穩定狀態。

圖18 通過MPPT控制下光伏電池系統的P-T輸出特性曲線

文中通過改變電池板表面的輻照強度來模擬光伏電池板表面的積灰和陰影遮擋。此時將輻照度設定在1 s時由1 000 W/m2降低到600 W/m2來模擬積灰陰影，在MPPT控制下，得出光伏電池系統仿真的輸出特性。

圖19 模擬積灰情況下電池輸出的功率變化曲線

分析圖19，不難發現，在輻射量下降時，光伏電池系統的輸出發電量也明顯下降，也就意味著，積灰陰影對光伏電池發電系統是有實際影響的，即表面積灰越多，相同外界條件下，光伏電池發電系統的輸出特性越差，輸出效率越低。

2.2.5 實驗數據

光伏組件材料為多晶硅，型號MSK PGC170，研究的陣列峰值功率為5．1 kW，光伏組件的面積有38．01 m2，逆變器型號為SMC 6000，逆變器歐洲效率為95．1%。光伏電站所采集的數據為17塊不同傾角下光伏陣列的發電量數據，17個光伏陣列的不同傾角分別為水平、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、東墻、西墻。采集的數據樣本日期為2019年的9月27日-28日，12月23日-24日的發電量。其中9月27日傍晚和12月23日傍晚對17塊陣列電池的表面進行了清掃（見表1）。

根據表1中清洗前后的發電量數據，作圖如20所示，從兩個圖中可以明顯地比較出，在光伏板清洗過后其發電量會有一個明顯的增加，但是光伏板的傾角不同，其輸出發電量的增加情況也不盡相同，且發電量增加的程度也會與月份有一定的相關性。隨著電池板傾角的增加，發電量也在增加，在9月份和12月份時，傾角達到80o時，發電量增長率最大，分別為112．819%和37．2 592%。對比9月份和12月份增長的發電量可見，9月份電池板經過清洗之后發電量增長率明顯大于12月份的增長率，這也主要是因為在12月份冬季太陽輻照強度較弱，電池板原本的發電量較少（見表2）。

表1 清洗前后不同傾角電池板發電量數據

表2 不同月份不同傾角下發電量增長率

圖20 清洗前后的發電量對比

2.2.6 積灰清理

根據仿真模型的搭建和實驗數據的分析比較，積灰陰影遮擋實際上會對光伏發電系統產生較大影響，降低了發電量，其影響不能忽視。為了減少積灰以及陰影遮擋對光伏發電系統產生的影響，依據相關專家學者目前關于積灰清掃的研究進展，以及對于文中理論分析和總結，提出以下建議。

1）可以根據肉眼可見的光伏組件表面實際的積灰情況，定期地對光伏組件進行人工清潔。

2）設計制造各種自清潔光伏組件技術，以減少積灰對光伏組件發電性能的影響，提高組件實際運行過程中的發電效率，比如設計能根據不同的天氣類型自動地對組件表面進行清潔，提高發電效率。

3）通過光伏電站不同傾角下的電池板發電量及積灰情況，選取最佳傾角，使得光伏組件的積灰量最少。

4）在設計光伏陣列的前后距離時，保證后排光伏陣列的下沿不會被前排的陣列所遮擋，產生陰影遮擋，影響后排陣列的發電效率。

雖然目前設計的積灰清掃器件及其它相關技術研究較多，但應用最多的還是以人工清潔為主，因此找到一種實用的、經濟的、對光伏組件表面自然積灰自清潔效果好的技術仍有待研究。

3 展望

毫無疑問，相比傳統化石燃料發電技術，光伏發電技術擁有著巨大的先天優勢以及美好的發展前景。

本文通過分析，了解到氣象環境因子以及積灰陰影遮擋對于太陽能光伏發電量有著極其重要的影響。適宜的氣象環境和清潔的光伏電池組件不僅能夠明顯提高光伏發電效率，甚至在光伏發電不斷市場化的今天，決定著一座光伏電站的生存興亡。

同時，我們也要看到，光伏發電目前仍然不能夠取代傳統化石燃料發電成為主要的發電形式。發電量小，輸出不穩定，成本高這些因素都極大地制約著光伏電站的投產運行。此外，除了氣象環境因子、積灰陰影，其他客觀因素也同樣會對太陽能光伏發電產生影響，光伏組件的特性和質量、逆變器整機效率和最大功率峰值跟蹤光伏等均影響光伏出力，人們正在努力進行相關領域的研究[4]。