灰塵對光伏電站發電性能的影響

林志鴻，曾 飛，王 哲，胡振球，梁健鋒

（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東 佛山 528300）

光伏發電占我國總發電量的比例在逐步上升，在我國的發電結構中占有越來越重要的地位。但長時間在戶外運行的光伏發電系統的性能難免會受到周圍環境的影響，特別是積灰對光伏組件光電轉換效率的影響。同種型號的組件在相同的輻照條件下，積灰組件的輸出功率遠低于無積灰的組件。此外，因為灰塵吸收太陽輻射可使組件表面升溫，一些含有腐蝕性成分的灰塵在高溫下加速與玻璃的化學反應，從而降低其光電轉換效率[1]。因此，灰塵是影響光伏電站發電性能的關鍵因素之一。

1 灰塵的來源

灰塵的來源主要有兩個方面：（1）自然來源，如土壤、砂石風化以及火山爆發、山林火災等；（2）人為來源，如人類的生活和生產活動產生的，如生活活動污染源、工業生產污染源及交通運輸污染源等[2]。

分布式光伏電站大部分安裝在工業廠房屋頂，該類光伏電站的灰塵主要來源為工業廢氣，成分有加工粉塵、酸堿顆粒和油性廢氣等，大部分為污染性強、較難清洗的灰塵。

集中式光伏電站主要安裝在山地、水面及平原等地方，該類光伏電站的灰塵主要來源為揚塵、沙石風化、秸稈焚燒和垃圾焚燒等，大部分屬于易清洗灰塵。

2 灰塵對光伏電站發電的影響

2.1 灰塵分類

從對光伏組件污染性大小方面考慮，灰塵分為普通灰塵、酸堿性灰塵以及油污性灰塵。

普通灰塵為覆蓋在光伏組件表面上，用清水能輕易沖洗的無機或有機灰塵。主要成分為土壤揚塵、沙石風化、谷物塵以及毛發粉塵等細小顆粒。

酸堿性灰塵則是與水汽結合后能與光伏組件表面玻璃蓋板發生化學反應的灰塵。如：煤廠、氮肥廠生產過程產生的灰塵。

油污性灰塵則是工廠生產的油煙、油霧、瀝青煙、焦爐煙以及柴油機尾氣中的顆粒物等，該類灰塵吸附在光伏組件表面，用清水難以清洗干凈，需要用特定的清潔劑清洗。

2.2 普通灰塵對光伏電站發電的影響

普通灰塵在風力系統的作用下，飄到光伏組件表面，隨著時間的推移，越積越多，從而影響光的入射，導致光伏組件發電效率降低，發電量受損，如圖1所示。有研究表明自然天氣條件下光伏組件在積灰初期發電量受灰塵的影響較大[3]，當灰塵累積到一定程度時，光伏組件發電量受積灰的影響越來越小。

圖1 灰塵遮擋的組件

此外，積灰還會阻擋光伏組件的熱量向外傳遞，從而導致輸出功率下降。有研究表明太陽電池溫度每上升1℃，輸出功率約下降0.5%[4]。當積灰到一定程度時，被灰塵遮擋的部分由發電單元變為耗電單元，升溫速度遠大于未被灰塵遮擋的部分，致使溫度過高出現熱斑現象，降低發電功率。光伏組件熱斑現象如圖2所示。

圖2 灰塵造成的組件熱斑

2.3 酸堿性灰塵對光伏電站發電的影響

酸堿性灰塵除了含有普通灰塵所具有的特性外，還能與光伏組件面板的玻璃成分發生酸性或堿性化學反應。隨著玻璃在酸性或堿性環境里的時間增長，玻璃表面就會慢慢被侵蝕，從而在表面形成坑坑洼洼的現象，如圖3所示，影響光線入射，導致實際到達光伏電池表面的能量減少，降低光伏電池發電量。這個影響效果是不可逆的，故在該環境下運行的光伏發電站發電量會出現不可逆的發電效率損失。

圖3 酸堿性灰塵造成的玻璃腐蝕

2.4 油污性灰塵對光伏電站發電的影響

油污性灰塵除了含有普通灰塵所具有的特性外，還能在光伏組件表面玻璃蓋板上形成油膜，如圖4所示，從而使得組件表面更易吸附灰塵，致使組件溫度更高，發電功率下降更快。

圖4 油污性灰塵造成的遮擋

在清洗油污性灰塵時，單單使用清水是無法沖洗干凈的，還需要另外配合特定的清潔劑來清洗。故在雨天過后，受油污性灰塵污染的光伏電站發電量提升效果遠低于受普通灰塵污染的光伏電站。若長期在油污污染的環境下運行，光伏電站的發電效率同樣會出現不可逆的損失。

由于灰塵對電站發電存在溫度、遮擋和腐蝕等影響因素，為了控制灰塵對光伏電站發電性能的影響，在灰塵遮擋損失超過相關標準[5]的要求時，建議對光伏電站進行一次清洗工作。

3 灰塵對光伏發電影響案例

本文對廣東省廣州市某個分布式屋面光伏電站進行研究，測試清洗前后的組件發電功率及系統能效比（PR），評估灰塵對光伏電站發電性能的影響。該電站建設在汽車工業園，為混凝土屋頂，容量為6 279.24 kWp，南北面安裝傾角分別為朝南5°和朝北5°，2020年9月份建成后至測試時約半年時間，一直未清洗，于2021年4月11日測試清洗前PR值，4月12日從現場隨機抽取5塊組件進行最大功率測試，7月5日由運維人員對電站組件進行整體清洗，7月7日測試清洗后PR值，7月8日對相同的5塊組件進行最大功率測試。

3.1 清洗前光伏電站的發電情況

電站清洗前組件表面有明顯積灰，集中在邊緣一側，如圖5所示。

圖5 電站清洗前組件外觀照片

電站清洗前測試電站PR值，抽檢5塊組件進行最大功率測試，計算平均污漬損失率，結果見表1。

表1 電站清洗前組件測試數據

由數據可得，在光伏電站長期未清洗的情況下，積灰對光伏組件的發電功率影響較大，功率損失比率平均值高達15.27%。

在半年未清洗的條件下，對該光伏電站的整體發電效率進行一個晴朗日的測試，結果見表2。

表2 電站清洗前PR值

為排除溫度的影響，對實測的PR值進行溫度修正，修正到STC條件下，見表3。

表3 電站清洗前PRSTC值

由結果可得，該光伏電站在清洗前的整體發電效率為72.62%，進行溫度修正后的發電效率為76.93%。

3.2 清洗后光伏電站的發電情況

電站清洗后組件表面積灰基本清洗干凈，如圖6所示。

圖6 電站清洗后組件外觀照片

清洗后對表1中的5塊組件重新進行功率測試，結果見表4。

表4 電站清洗后組件測試數據

在進行大規模的組件清洗之后，仍然存在輕微的灰塵遮擋功率損失，平均值為0.81%。此時對該光伏電站的整體發電效率進行一個晴朗日的測試，結果見表5。

表5 電站清洗后PR值

為排除溫度的影響，對實測的PR值進行溫度修正，修正到STC條件下，見表6。

由結果可得，該光伏電站在清洗后的整體發電效率為81.52%，進行溫度修正后的發電效率為87.07%。

綜上所述，該光伏電站在長期未清洗的情況下，組件標準條件下的功率值平均損失達15.27%，對應的發電效率PR值為72.62%，溫度修正后的PRSTC值為76.93%；清洗后積灰基本清洗干凈，污漬損失率大大降低，平均損失為0.81%，PR值提高到81.52%，增幅達8.90%；考慮到清洗前后測試日期的季節差異帶來的組件結溫影響，修正到PRSTC后增幅為10.14%，可見灰塵遮擋對光伏電站發電性能影響非常大。假設第二次PR值測試時電站仍未清洗，則發電量減少8.90%，減少發電量3 402 kW·h。

4 結束語

本文對一個約半年未清洗的汽車工業園混凝土分布式光伏電站進行分析，得出長期積灰對電站光伏組件的發電性能存在很大影響。由于積灰從溫度、遮擋和腐蝕等方面影響光伏組件的發電，嚴重時會出現熱斑，大大增加電站安全風險，建議根據光伏電站組件的積灰情況進行評估，在達到某一值時，應對所有組件進行清洗，減少積灰對電站發電的影響，消除潛在的安全隱患。