基于沙塵惡劣環境下光伏電站電量提升的研究

王登杰，顏魯薪

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

0 引 言

光伏發電作為非常重要的可再生能源利用形式，已經受到世界各個國家的高度關注。根據國家能源局日前所公布的2021年光伏發電運行數據，截至2021年，我國光伏發電新增并網容量已達5 488萬 kW，其中集中式光伏電站2 560.07萬 kW，分布式光伏2 927.9萬 kW，與2020年相比較仍然處于上漲態勢。當前我國所建成的大型地面光伏電站大多數都被建設在氣候環境相對較差且地理位置比較偏遠的地區，其日常運行中的運維工作難度較高，尤其是在沙塵惡劣天氣中，光伏組件表面的積塵會大幅度影響光伏電站的整體發電量。因此，在沙塵惡劣天氣中，如何清理光伏組件上的積塵，已經成為保障光伏電站發電量的重要途徑。

1 電站基本情況

本電站位于沙漠地帶，地勢空曠，周圍環境多變，受風向、沉積在組件上的沙塵量、地濕等因素的影響。待測實驗電站裝置選為額定功率為1.5 kW多晶硅光伏組件，12 V/25 Ah太陽能膠體電池，3 kW光伏逆變器。

2 沙塵惡劣天氣對光伏電站發電量的影響

光伏電站在運行過程中，光伏組件通過吸收太陽光，將光能轉化為電能，而影響電站整體發電量的誘因主要有光伏組件的裝機容量、峰值小時數以及系統的運行效率等。當光伏電站選址施工，竣工投入運行后，前兩個影響因素已經基本確定，要想提升光伏電站的整體發電量，相關技術人員需從提升系統運行效率的方面入手[1]。

通常來說，影響光伏組件系統效率的主要因素有以下幾個方面。

（1）自然環境因素。光伏電站所處地理位置的氣候環境、太陽輻射強度等自然條件都會對光伏電站產生決定性影響。

（2）設備因素。如光伏組件的自身性能、相關構件的運行效率、直交流線線損情況等。但設備原因受產品自身型號與參數的限制，可優化空間相對較小[2]。技術人員需結合光伏電站所處環境的氣候特點，做好對光伏組件的運維工作，進而提升光伏電站的發電量。

本文所述案例地處沙漠地區，經常會面臨周期較長的惡劣沙塵天氣。隨著運行時間的推移，沙塵天氣中彌漫的細小顆粒物會累積在光伏組件的表面，久而久之在其表面形成積塵。通過對該光伏電站的氣象環境以及發電量進行分析，發現光伏組件表面的積塵量會對組件整體發電量產生直接影響[3]。表1為該光伏電站階段性氣象情況。

表1 光伏電站階段性氣象數據

本文所述案例中的光伏組件為晶體硅光伏組件，通過以上數據分析，最終得單位面積內的光伏組件輸出功率與積塵量的關系如圖1所示。

圖1 單位面積內的光伏組件的輸出功率與積塵量之間的關系

通過上述數據可知，光伏組件在運行過程中，其自身的輸出功率會隨著其表面積塵量的不斷提升而逐漸下降[4]。當光伏組件的積塵量達到100 g/m2時，光伏組件的輸出功率僅為24 kW，因此，在惡劣沙塵環境中，要想有效提升光伏電站的發電量，做好光伏組件表面清理工作具有非常重要的現實意義。圖2為表面干凈的光伏組件與表面布滿沙塵的光伏組件在同一時期內的輸出功率情況[5]。通過數據可知，布滿積塵的組件在運行中，其輸出功率與表面潔凈的組件相比下降了24.05%。

圖2 有無積塵的光伏組件時刻輸出功率曲線圖

以本文所述案例為例，該光伏電站安裝的光伏組件容量為50 MW，該光伏電站的月發電量計算公式為

式中：W為光伏電站的月發電量；Q為該地區日均太陽輻射總量；n為自然月中的自然天數；A為光伏電站中所有光伏組件的表面積之和，本文案例中光伏組件的表面積為250.3 km2；μ為光電轉換率，結合上述案例所在地理區域以及相關實驗數據，該數值取13%[6]。分別將積塵量為100 g/m2、30 g/m2時的光伏組件運行各項數據代入到以上公式，最終得到的數據如表2所示。由上述數據可知，在惡劣沙塵天氣中，做好對光伏組件表面積塵的清理，能夠有效提升整個光伏電站的發電量。

表2 提升光伏組件表面清潔度后光伏電站發電量變化（單位：萬 kW·h）

3 沙塵惡劣環境中提升光伏電站發電量的有效策略

我國大部分光伏電站都被建設在具有豐厚太陽能資源的沙漠地帶，因此要想保障光伏電站的整體發電量，應對其開展定期除塵工作[7]。在此過程中技術人員可運用以下幾個方式開展該項工作。

3.1 加裝清潔裝置進行除塵

以往光伏組件除塵需運用人工手持式除塵設備，需要工作人員手持除塵設備至光伏組件表面對其進行清理。但該種清理方式需要消耗大量的人力成本，且清潔效率相對較低，危險系數較高，因此現階段很少運用該種清潔方式。運用加裝清潔裝置對該設備進行除塵是當前應用相對廣泛的清理方式，圖3為該種清潔方式的現場施工畫面。在實際施工中，技術人員需將清潔裝置安裝在運輸車或者其他機械設備中，通過對光伏組件進行水洗或者干掃，進行除塵，效果明顯[8]。該種清潔方式的優勢明顯，相關采購部門只需要采購相應的機械設備，即可實現對設備的循環使用，有效降低在除塵工作中的整體投資費用。但在采購中，相關技術人員應重點關注機械的動力，保障工程機械與清理設備之間的動力相匹配。且在實際除塵中，應由專業駕駛人員進行駕駛操作，避免由于操作不當造成光伏組件被破壞的現象[9]。

圖3 加裝機械設備現場作業畫面

3.2 運用清潔機器人進行除塵

清潔機器人是現階段光伏組件除塵工作中所應用的全新的除塵設備。根據工作方式的不同，可將該設備劃分為飛行類、爬行類、軌道類以及自動行走類。其中，飛行類機器人其主要工作原理是在無人機技術的基礎上，在該設備尾部安裝一個體積較小的清潔裝置，在實際工作中可清理一些大型清潔設備無法覆蓋的死角位置，對于一些面積較小的光伏組件具有較高適用性。爬行類對比工作原理與智能化掃地機器人極為相似，相關技術人員需在實際應用前制定好該機器人的運動軌跡，在其運行中可按照既定軌跡進行除塵[10]。但該設備在實際應用中，其作業范圍具有較高局限性，在對不同的光伏方陣進行除塵時，需要人為干預，因此對于一些面積較大的光伏電站，所需成本相對較高。軌道類設備其主要作業原理為，在光伏組件上下兩側安裝軌道，并將太陽能驅動清潔裝置安裝在軌道上完整除塵工作。該類設備在實際應用中，在室外條件較好的情況可順利完成除塵工作，但遇到惡劣天氣極易發生故障，而且僅可在連續的光伏組件上完成除塵。而自動行走型機器人能夠按照相關技術人員既定的作業路線完成相應的除塵工作，且能夠在惡劣天氣中完成除塵工作，其實際運行過程中即使遇到相對比較復雜的地理環境，也能夠完成清理工作，對于面積較大的光伏電站，具有比較理想的應用效果。另一方面，自動行走型清潔機器設備中還可安裝相應的監控系統，在其除塵過程中可實現對光伏組件實際運行狀態進行檢查，最大限度保障光伏組件的順利運行。

4 結 論

綜上所述，在光伏電站實際運行中，在惡劣沙塵天氣條件下組件表面的積塵是影響光伏電站發電量的重要因素之一。本文主要以我國某一光伏電站為例，重點分析并計算積塵對光伏電站發電量的影響情況，探討了清除光伏組件積塵的有效策略。