水清潔對光伏組件輸出功率的影響

閆夢迪，錢亞楠，朱玉婷

(1. 華北電力大學(xué)(保定)動力工程系，保定 071003；2. 華北電力大學(xué)(保定)電力工程系，保定 071003)

0 引言

光伏發(fā)電作為一種新興能源技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。從光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模可以看出，近年來中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛：2010—2020年，中國的光伏組件產(chǎn)能從20 GW增至192.7 GW，年復(fù)合增長率達(dá)到25.4%[1]。但是目前光伏組件的清潔技術(shù)尚未成熟，難以同時滿足提高清潔效率和降低清潔成本的要求，因此需要制定合理的清潔方案，進(jìn)一步提高光伏組件的輸出功率。因此，研究清潔用水量及積水殘留對光伏組件造成的影響具有重要意義。

光伏組件表面清潔度對其輸出功率有重要影響，因此在環(huán)境較濕潤地區(qū)的清洗頻率一般為3～5個月清洗1次，在環(huán)境較干燥地區(qū)的清洗頻率一般為每月清洗1次。據(jù)此，光伏組件的清潔市場廣闊[2]，并且實現(xiàn)清潔裝置的低成本和高效率運行具有重要的經(jīng)濟(jì)價值。

檢索文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有的光伏組件清潔方法主要包括：1)自然除塵法。該方法是利用大自然的降雨、風(fēng)力對光伏組件進(jìn)行自然清潔，但僅適用于年降水量為800～1000 mm的中國南方地區(qū)，具有較強(qiáng)的地域局限性。2)人工清潔法。該方法是目前中國許多光伏電站主要采用的清理方式[2]，是通過人工使用水槍或滾刷、清潔布對光伏組件進(jìn)行清潔[3]，操作簡單，但人工清理勞動強(qiáng)度大，高壓水槍的沖擊力也可能對光伏組件造成損害。3)車載移動式清洗機(jī)。徐巧年等[4]認(rèn)為，采取車載移動式清洗機(jī)適合沙塵多且遠(yuǎn)離水源的自然環(huán)境，使用便捷且利于節(jié)約用水，具有較高的清潔效率。但是車載組件清潔車體積大、售價昂貴，只能局限于大型平原地面光伏電站應(yīng)用，不能普遍投入使用，而且機(jī)械類清潔裝置存在綜合功耗大、智能化程度不高等問題。4)無水除塵。汪繼偉等[5]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電簾除塵技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的光伏組件上已經(jīng)得到成功應(yīng)用。該技術(shù)實現(xiàn)了無水化清潔，清潔效率高，但是該技術(shù)的成本較高，僅適用于面積較小的光伏組件，對目前大型光伏電站并不適用。王哲等[6]利用伯努利“邊界層表面效應(yīng)”及吸塵器原理研究了一種光伏組件無水清潔自動裝置。姜振海等[7]對光伏組件無水除塵裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，利用有限元仿真法驗證上端限位系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度，對傳動軸進(jìn)行輕量化設(shè)計，同時進(jìn)行除塵試驗，并設(shè)計了除塵率最高時該裝置的工作參數(shù)。李楓[8]設(shè)計了一種干式除塵的光伏組件清潔機(jī)器人，依靠真空負(fù)壓作用，使其能在無水、無清潔劑條件下快速完成清潔工作，但無水清潔的除塵、除污效果，清潔效率，可靠性都有待研究進(jìn)一步改進(jìn)。

積水及清潔效果都會對光伏組件的輸出功率產(chǎn)生直接的影響，由于積灰的成分復(fù)雜，當(dāng)積灰沉積過程中碰到空氣中的水蒸氣或受降水影響，會在光伏組件表面產(chǎn)生酸堿反應(yīng)腐蝕光伏玻璃蓋板，使太陽光線發(fā)生漫反射現(xiàn)象；若降水后在光伏組件表面有水珠聚集，會造成光線發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，破壞玻璃蓋板中光線傳播的均勻性。這些影響都會減少光伏組件對太陽輻射的吸收，降低其輸出功率[9]。

用水除塵仍是目前清潔光伏組件的一種重要方法，但積水及清潔效果都會對光伏組件的輸出功率產(chǎn)生直接的影響。基于此，本文從節(jié)約用水和高效清潔的角度，考慮不同地區(qū)光伏組件上積灰類型的差別，設(shè)計了2種光伏組件初始附著物不同的水清潔實驗，通過觀察實驗現(xiàn)象及分析不同灑水量所得出的光伏組件輸出功率，確定水清潔光伏組件所需的合理用水量，并探究積水殘留對光伏組件的影響。

1 降塵對光伏組件輸出功率影響的實驗方案

1.1 撒沙實驗方案

1.1.1 實驗內(nèi)容

實驗場地為河南省許昌市襄城縣財政局樓頂。實驗選用1塊尺寸為332 mm×205 mm的光伏組件。實驗前將光伏組件表面擦拭干凈，選取陽光充足的正午12:00將光伏組件朝南放置，考慮全年綜合效率的光伏組件最佳安裝傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥龋垂夥M件以傾斜33.8°放置[10]。

根據(jù)光伏組件初始狀態(tài)不同進(jìn)行2組撒沙實驗。第1組撒沙實驗為在光伏組件表面干燥的條件下撒沙(選用過篩后的細(xì)沙)，即向擦拭干凈的光伏組件表面直接撒沙；為使沙塵分布盡量接近自然情況，實驗者站在距地面1 m的高處由上而下撒沙；撒沙完畢后使用萬用表(3-1/2位600 V DL8490)測量光伏組件的電流及電壓；然后用帶有刻度的噴壺(500 mL)向附有積沙的光伏組件噴水，模擬自然降水環(huán)境，每次噴水后及時測量和記錄光伏組件的電流及電壓；共進(jìn)行6次灑水實驗，每次50 mL。第2組實驗為在光伏組件表面濕潤的條件下撒沙，即在干凈的光伏組件表面噴灑一定量的水后進(jìn)行撒沙。后續(xù)撒沙和灑水方式與第1組實驗相同。

1.1.2 測試參數(shù)

光伏組件輸出功率P的計算式為：

式中：I0為撒沙后測得光伏組件的電流，A；U0為撒沙后測得光伏組件的電壓，V；P0為撒沙后測得光伏組件的輸出功率，W；In為第n次灑水后測得光伏組件的電流，A；Un為第n次灑水后測得光伏組件的電壓，V；Pn為第n次灑水后測得光伏組件的輸出功率，W。

通過噴壺上的刻度控制每次灑水量為50 mL，總灑水量為各個階段灑水量之和。

1.2 積灰實驗方案

1.2.1 實驗內(nèi)容

實驗場地為華北電力大學(xué)6號教學(xué)樓的樓層平臺處。實驗選用2塊與撒沙實驗規(guī)格相同的光伏組件，采取對照實驗。其中，1號光伏組件為實驗組件，用來進(jìn)行撒灰灑水等實驗操作；2號光伏組件為對比組件，確保其表面干凈無積灰，從而達(dá)到對比分析的目的。實驗前將2塊光伏組件表面擦拭干凈，選取陽光充足的正午12:00將光伏組件朝南放置，考慮全年綜合效率的光伏組件最佳安裝傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥龋垂夥M件以傾斜38.8°放置[10]。

積灰實驗選取的灰塵為自然降塵形成的小顆粒積灰，灰塵成分與光伏組件自然積灰成分相似。用電子天平稱量灰塵0.655 g，實驗人員戴手套用手指將灰塵在1號光伏組件表面涂抹均勻，模擬在自然沉降下光伏組件的灰塵分布；然后用噴壺向1號光伏組件噴水10 mL，噴水后在水分未蒸發(fā)時測量1號和2號光伏組件的電流和電壓，并記錄數(shù)據(jù)；待1號光伏組件上水分蒸發(fā)后再次測量1號和2號光伏組件的電流和電壓，并記錄數(shù)據(jù)。實驗過程中共進(jìn)行5次灑水實驗，每次灑水量為10 mL。

1.2.2 測試參數(shù)

光伏組件的相對輸出功率的計算式為：

通過噴壺上的刻度控制每次灑水量為10 mL，總灑水量為各個階段灑水量之和。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 撒沙對光伏組件輸出功率的影響

由于實驗進(jìn)行時間較短，因此恒定實驗期間的太陽輻照度，用光伏組件功率定量觀測光伏組件的輸出功率。2組撒沙實驗中光伏組件輸出功率隨灑水次數(shù)變化的曲線圖如圖1所示。

圖1 光伏組件輸出功率隨灑水次數(shù)變化的曲線圖Fig. 1 Curve of variation of PV modules output power with sprinkling times

從圖1可以看出：灑水前光伏組件輸出功率有較大幅度提升，灑水后光伏組件輸出功率變化幅度較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，并沒有隨灑水次數(shù)的增加而持續(xù)增加，反而隨著灑水次數(shù)的增加有一定程度的下降。但是，在第1組撒沙實驗中，光伏組件輸出功率在首次灑水有較大幅度增長(圖1a中0～1階段)；第2組撒沙實驗為前2次灑水有較大幅度增長(圖1b中0～2階段)。這是因為在灑水初期，光伏組件上的積沙被沖洗掉，光伏組件表面遮擋物減少，光伏組件單位面積上接收到的太陽光增多，因此光伏組件輸出功率出現(xiàn)了較大幅度的增長。然而，隨著灑水次數(shù)的增加，當(dāng)光伏組件表面積沙被沖洗干凈，或少量積沙已經(jīng)不能對光伏組件的輸出功率產(chǎn)生明顯影響時，光伏組件輸出功率便不再隨著灑水次數(shù)的增多而增加。因此，可將光伏組件輸出功率有大幅度增長階段對應(yīng)的灑水量視為該光伏組件達(dá)到清潔目的所需的清潔用水量。

第1次灑水后光伏組件上積沙基本清理干凈，但隨著灑水的進(jìn)行，水珠密集分布在光伏組件上，可推測水珠對光的反射和折射是導(dǎo)致后階段光伏組件輸出功率有所下降的主要原因。第1組撒沙實驗中不同實驗階段光伏組件的表面狀況如圖2所示。

圖2 第1組撒沙實驗中不同實驗階段光伏組件的表面狀況Fig. 2 Surface conditions of PV modules at different experimental stages in the first group of sanding experiment

第2組撒沙實驗時，光伏組件表面的積沙量遠(yuǎn)多于第1組撒沙實驗的積沙量，可知積沙量的增多導(dǎo)致了清潔用水量的增大。2組撒沙實驗中光伏組件表面積沙狀態(tài)如圖3所示。

圖3 2組撒沙實驗中光伏組件表面積沙狀態(tài)Fig. 3 Sand deposition state of PV modules surface in two groups of sanding experiments

綜上所述，第1組撒沙實驗所需清潔用水量為50 mL，第2組撒沙實驗所需清潔用水量為100 mL，即第2組撒沙實驗所需清潔用水量多于第1組撒沙實驗。

2組撒沙實驗積沙量產(chǎn)生差異的原因在于光伏組件表面物理性質(zhì)對積灰沉積量的影響較大[11]。干燥的光伏組件表面較為光滑，對灰塵阻滯作用小，再加上光伏組件采用一定傾角放置，故體積較大的沙粒在自身重力的作用下沿光伏組件表面滾落，只有體積微小的沙粒能夠在光伏組件表面聚集，導(dǎo)致第1組撒沙實驗的積沙量較少。相對于干燥的光伏組件，第2組撒沙實驗時濕潤的光伏組件表面殘留有小水珠，水珠使沙粒吸附性增強(qiáng)、受阻增大，導(dǎo)致在相同的撒沙情況下第2組撒沙實驗的積沙量遠(yuǎn)多于第1組撒沙實驗的。由此可知，相對于表面干燥的光伏組件，表面濕潤的光伏組件更容易沉積沙粒等遮擋物。未擦除的積水會吸附沙粒等不易在干燥光伏組件表面沉積的附著物，導(dǎo)致光伏組件表面遮擋物增加，使光伏組件輸出功率降低。同時，表面附著物的增加會增大光伏組件的清洗難度，提高清潔成本，造成水資源的浪費。

2.2 積灰對光伏組件輸出功率的影響

沙粒在干燥情況下會沿光伏組件表面滾落。相對于沙粒，灰塵憑借自身顆粒體積小、質(zhì)量輕、吸附性強(qiáng)的特點，即使在外力的作用下也不會輕易沿光伏組件表面滾落，而是沿力的作用軌跡呈現(xiàn)出不均勻的分布。光伏組件積灰狀態(tài)如圖4所示。

圖4 光伏組件積灰狀態(tài)Fig. 4 Dust accumulation state of PV module

積灰實驗中，光伏組件的相對輸出功率隨灑水次數(shù)的變化曲線如圖5所示。

圖5 光伏組件相對輸出功率隨灑水次數(shù)的變化曲線Fig. 5 Curves of relative photoelectric conversion efficiency PV module with sprinkling times

從圖5可以看出：除第3次撒水可能因為操作失誤造成的偏差之外，在其余灑水情況下，光伏組件水分未蒸發(fā)的相對輸出功率均低于水分蒸發(fā)后的相對輸出功率。5次灑水過程中，表面干燥的光伏組件平均相對輸出功率為0.93，表面附有水珠的光伏組件平均相對輸出功率為0.84，與表面干燥光伏組件相比，相對輸出功率損失9.74%。由此可知，光伏組件表面的水珠會造成光伏組件輸出功率的降低。

經(jīng)過對灑水過程的觀察可以發(fā)現(xiàn)：水清潔光伏組件的原理在于將灰塵融入水滴中，在水滴自身重力的作用下，包含著灰塵的水珠沿著光伏組件表面向下滾落，以灰塵隨水珠脫離光伏組件表面為目的，從而達(dá)到除塵的效果。若光伏組件表面水珠中還存有灰塵，則待水分蒸發(fā)后便會形成粘結(jié)積灰，進(jìn)一步增加清洗難度。光伏組件表面水分蒸發(fā)前、后對比如圖6所示。

從圖6可以看出：積灰吸附性較強(qiáng)，少量用水難以使積灰從光伏組件表面脫落，大量用水又會造成水資源的浪費，同時殘留在光伏組件上的積水會進(jìn)一步降低光伏組件的輸出功率，因此，水清潔后進(jìn)行光伏組件表面殘余積水的擦除具有重要意義。

圖6 光伏組件表面水分蒸發(fā)前后對比圖Fig. 6 Comparison before and after evaporation of water on the surface of PV modules

3 結(jié)論

本文通過設(shè)計2種光伏組件初始附著物不同的水清潔實驗，對光伏組件水清潔相關(guān)問題進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

1)相對于表面干燥的光伏組件，表面濕潤的光伏組件由于沙粒吸附性增強(qiáng)且受阻增大的原因，更容易沉積沙粒等遮擋物。實驗結(jié)果表明：在相同的撒沙情況下，第2組撒沙實驗中濕潤光伏組件上的積灰量多于干燥光伏組件上的積灰量。

2)雨水對光伏組件有遮擋效應(yīng)并且會加快光伏組件上灰塵的積累，進(jìn)而影響光伏組件的輸出功率。在積灰實驗的5次灑水過程中，與表面干燥的光伏組件相比，表面附有水珠的光伏組件平均相對輸出功率損失9.74%。因此，光伏組件表面的水珠在一定程度上會影響光伏組件的輸出功率。

3)清潔光伏組件應(yīng)控制水量，光伏組件輸出功率大幅增長階段對應(yīng)的水量即為該光伏組件達(dá)到清潔目的所需的合理用水量，用水過多不僅浪費水資源，而且光伏組件殘余水滴所造成的能量損失會使光伏組件的輸出功率不升反降。撒沙實驗后半階段光伏組件輸出功率隨著灑水次數(shù)的增加有一定程度的下降。由于過量的水珠會對光伏組件輸出功率產(chǎn)生負(fù)面影響，因此控制清潔水量十分關(guān)鍵。

本研究得出的結(jié)論對光伏組件水清洗具有一定的參考價值，有助于在節(jié)約水資源的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高光伏組件的輸出功率。