灰塵對光伏發(fā)電的影響及組件清洗研究

左杰川

摘要：光伏發(fā)電是當今最常見的一種新能源方式，為社會的發(fā)展帶來了極大的便利，但是灰塵會對光伏電池板能源轉化帶來極大的影響。本文從影響光伏發(fā)電的灰塵種類出發(fā)，依次介紹灰塵影響發(fā)電的原理、灰塵的清理方式等，以供相關研究人員參考。

關鍵詞：灰塵;光伏發(fā)電;組件清洗

能源問題是關乎世界發(fā)展的關鍵問題，傳統(tǒng)的發(fā)電方式主要以火力發(fā)電為主，但會帶來相應的污染以及能源的浪費，而水利以及風力發(fā)電也存在其局限性，需要滿足一定的地理條件才能保證生產(chǎn)生活中用電的需要，而太陽能作為一種高效清潔的再生能源，在全球各地都能夠得到充分利用。具最新數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年6月18日，全國太陽能發(fā)電裝機容量2.6億千瓦，同比增長24.7%;全國主要發(fā)電企業(yè)電源工程中太陽能發(fā)電117億元，同比增長8.9%，因此太陽能發(fā)電在我國能源行業(yè)占據(jù)的地位與日俱增。灰塵是影響太陽能發(fā)電效率的關鍵因素之一，其不僅阻礙了光伏板對于太陽能的吸收，嚴重的情況還會損壞太陽能發(fā)電設施。如果按照全球裝機量為500GW來估計，灰塵對發(fā)電站的影響在5%以上，那么每年因為灰塵影響光伏發(fā)電系統(tǒng)造成的損失將會高達50億美元，且隨電站裝機量的增長其損失愈發(fā)嚴重，而定期對光伏發(fā)電組件展開清洗是有效減少灰塵影響的必要措施。

1.灰塵的來源以及特性

1.1灰塵的來源

灰塵是在空氣中不均勻分散的微小顆粒，主要是由土沫、工業(yè)粉塵、燃燒煙塵、蟲卵等粉末狀物質(zhì)構成，對人體健康有較大危害。通常情況下，當灰塵小于10μm時即可對人體健康造成影響;當灰塵小于2.5μm（PM2.5）便可穿過人體的肺泡直達血液，對人體組織器官造成損傷。根據(jù)來源可以將灰塵分為自然灰塵以及人為灰塵，自然灰塵是因為泥土、巖石等經(jīng)過自然長期的風化腐蝕形成了微小的顆粒，然后經(jīng)由自然界的大氣運動被傳送到全球各個區(qū)域;人為灰塵是由人類的日常生產(chǎn)活動產(chǎn)生的微小顆粒，比如建筑行業(yè)的水泥、石灰石等粉塵，交通運輸汽車尾氣排放造成的粉塵，工業(yè)生產(chǎn)廢氣排放造成的粉塵等。

1.2粉塵的性質(zhì)

粉塵的性質(zhì)主要分為物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，均會對太陽能電池板產(chǎn)生影響。其物理性質(zhì)包括導熱性、吸水性以及摩擦性等。導熱性是指灰塵對于太陽能熱量的傳導能力，根據(jù)灰塵屬性不同可以將其分為強導熱灰塵以及弱導熱灰塵;吸水性指的是灰塵對于空氣中水分的吸收能力，吸水性差的灰塵較容易被清除，吸水性好的灰塵吸附能力強較難被清除;摩擦性指的是灰塵的外形影響灰塵運動過程的摩擦力，進而影響其清除效果。灰塵的化學性質(zhì)主要體現(xiàn)在其酸堿性上，由于灰塵具有吸附作用，能將空氣中的物質(zhì)吸附到自身，從而體現(xiàn)出酸堿性，其酸堿性不同，對于光伏板的腐蝕效果也不同，因此對于不同灰塵的清潔方式也不同。

2.灰塵對于光伏發(fā)電的影響原理

2.1遮擋效應

遮擋效應是指灰塵覆蓋在光伏電池板上阻擋了其對太陽能的吸收和轉化，主要受灰塵粒徑的影響。首先，粒徑越大，對于光照的阻礙越強，太陽能輻射到光伏板上的基礎能源也就越少;其次，灰塵不僅對光照有一個阻擋作用，而且在灰塵顆粒的縫隙間，由于灰塵的反射以及散射作用，再一次將入射的光源分散，從而影響了光電效應的轉換。據(jù)相關研究顯示，清潔的太陽能板要比積灰太陽能板的輸出功率高出15%，且積灰量越高，對于輸出功率的影響效果越強。

2.2溫度效應

灰塵對于太陽能電池板的影響還體現(xiàn)在其對熱平衡的影響上。對于清潔的太陽能電池板而言，其整個受光面是均勻的，因此能達到平衡。如果在太陽能電池板表面積存灰塵、樹葉甚至鳥糞等，在遮擋處太陽能板的散熱就會受到阻礙其熱平衡被破壞，久而久之，遮擋處的溫度要高于未遮擋處，部分零件由于溫度過高出現(xiàn)被燒壞的暗斑—熱斑。這不僅會使太陽能電池焊點融化、封裝材料老化、影響電池的使用壽命，嚴重的情況還會帶來安全隱患。

2.3腐蝕效應

太陽能電池板外表面通常為硅基材料，在焊接處大多數(shù)為金屬材料，較易受到酸堿性物質(zhì)的腐蝕。當灰塵沉積到太陽能電池面板上，由于會吸附空氣中的其它雜質(zhì)而呈現(xiàn)酸堿性，對太陽能電池表面造成損傷，影響太陽能電池的使用壽命。此外太陽能電池表面被腐蝕后，會出現(xiàn)坑坑洼洼的現(xiàn)象，讓灰塵更容易堆積，如此造成惡性循環(huán)，進一步影響光電之間的轉化。當外界光照入射到太陽能面板的凹凸不平處，會發(fā)生漫反射現(xiàn)象，導致光在介質(zhì)中傳導的均勻性被破壞。太陽能面板越粗糙，光折射的能量也就越小，最后轉化生成的電能也就越小，導致太陽能電池發(fā)電量減小。

3.太陽能電池上灰塵的清潔原理

灰塵能夠在太陽能電池板上積存主要是由于重力、摩擦力、范德華力的存在，不僅在灰塵與太陽能電池板上存在相互作用力，灰塵與灰塵之間也存在相互作用力，因此在清除灰塵時，要盡量選擇作用力最小的方向進行。我們可以將太陽能板上灰塵受到的力合成分解獲得法向粘附力和切向粘附力，切向粘附力較小一般可以忽略。當用水流對太陽能電池清潔時，由于灰塵受到浮力作用可以抵消其重力以及范德華力，因此較容易與太陽能電池板分離，此時要盡量避免讓灰塵與太陽能電池板發(fā)生切向運動增大其摩擦力。如果想要加快清潔速度還可以向水中加入表面活性劑，使其產(chǎn)生強的靜電引力的作用讓灰塵與太陽能電池板分離。

4.太陽能電池板清潔的具體措施

4.1人工清洗

人工清洗是最原始的清潔措施，但是人工操作周期長、效率低、消費的人力物力資源多，因此不適合大型光伏發(fā)電廠，具體的人工清洗方式可以分為人工干洗以及人工水洗。

人工干洗是指操作人員使用長柄拖布配合專用的清洗劑進行灰塵處理的一種方式。由于清洗劑中含有表面活性劑，可以增大拖布與灰塵之間的靜電引力，可以有效的吸附灰塵，避免清潔時塵土飛揚的現(xiàn)象。但是操作人員在進行清潔時可以會因為用力不當造成太陽能電池表面損壞。

人工水洗是指操作人員用水管或者在水車上用噴頭將水流噴向太陽能電池表面清潔灰塵，相比于人工干洗其效率有所提高，但會浪費大量的水資源;此外在水流噴射時會在太陽能電池表面施加一個應力，造成其內(nèi)部出現(xiàn)隱裂的現(xiàn)象，如果忽略可能會造成其局部區(qū)域短路，影響光電轉化;使用水進行清潔時，如果處理不當會在太陽能面板上出現(xiàn)水漬，影響光線射入，如果在冬季進行清潔時也可能出現(xiàn)結冰，同樣會影響光線射入，因此不建議使用。

4.2半自動清洗

半自動清洗主要有專門的工程車輛負責操作，相比于人工清洗對于水的依賴作用小且作用力均勻，不會導致太陽能電池出現(xiàn)隱裂的現(xiàn)象;但是半自動清洗對于光伏組件的高度、寬度以及陣列間距都有嚴格的要求，因此使用受到一定限制。

4.3全自動清洗

全自動清洗是將清洗組件安裝到光伏組件的陣列上，通過程序控制完成對太陽能電池的清洗。我國已經(jīng)出現(xiàn)智能清掃機器人，可以完成較高難度下的太陽能電池清潔工作，它具有智能、自動、無水、均勻等優(yōu)點，但是有造價較貴、發(fā)生故障時不宜處理的缺點。

5.小結

隨著科技的發(fā)展，超聲清理、氣壓清理、靜電清理和激光清理等新的除塵方式也被應用于光伏發(fā)電廠中。因此電站管理人員要選擇適合自己電站的清潔方式，最大限度的提升電站的經(jīng)濟效益。

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