光伏組件自動清洗系統的應用研究
2023-12-06 10:01:21侯治國，張光奎，莫鵬輝，李凈明，何進國
太陽能 2023年11期
侯治國，張光奎，莫鵬輝，李凈明，何進國
摘 要：針對積灰影響光伏組件發電量且現有光伏組件清洗方式不能滿足大規模光伏電站清洗需求的情況，設計了1套光伏組件自動清洗系統。該自動清洗系統由水源、水泵、噴淋系統和可編程邏輯控制器（PLC）控制柜等組成，其可同時對3個光伏陣列進行清洗，實現光伏組件的自動清洗；然后以某8.2 MW光伏電站為例，研究了清洗前后光伏組件的I-V特性、表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉化效率的變化情況；最后分析了積灰對光伏電站經濟性的影響。研究結果顯示：1）相較于清洗前，清洗后光伏組件的I-V特性、表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉化效率均得到明顯改善；2）當光伏組件表面處于稠密積灰狀態時，經濟損失基本平穩，日經濟損失最高約可達4268元。由此可以說明，利用光伏組件自動清洗系統對光伏組件進行定期清洗尤為重要。
關鍵詞：光伏電站；光伏組件；自動清洗系統；積灰；輸出功率；發電量
中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A
0? 引言
太陽能作為一種清潔、無污染的可再生能源，近年來，在各國政策的推動下，其利用形式得到大力發展。光伏發電作為一種重要的太陽能利用方式，已經形成一定的產業規模[1]。光伏玻璃性能、太陽電池光電轉換效率、光伏組件輸出功率、光伏組件衰減率等均會對光伏組件發電量產生影響，除此之外，光伏組件表面積灰也是影響其發電量的重要因素[2]。光伏組件表面積灰對入射的太陽光具有反射和吸收作用，會降低太陽輻射的透過率，減少光伏組件吸收的太陽輻射能量，使光伏組件輸出功率下降；同時，光伏組件表面的溫度升高和腐蝕也與積灰有直接關系，這會導致光伏組件的使用壽命受到影響。綜上可知，光伏組件表面積灰的存在會給光伏電站帶來巨大的經濟損失[3-4]。
針對積灰對光伏組件發電方面的影響，實測顯示：玻璃表面積累的灰塵將會導致太陽輻射量損失達到5%～30%[5]，從而降低光伏組件接收的太陽輻射量，減少光伏發電量。官燕玲等[6]針對灰塵覆蓋對光伏組件性能的影響進行了研究，研究結果顯示：由于嚴重的霧霾天氣，8天的自然積灰就會使光伏組件上層玻璃的相對透光率減小約20%。Said等[7]指出，灰塵的累積會直接影響光伏組件的發電性能，減少光伏組件表面的積灰量是提高其發電效率的重要手段。
綜上所述可知，光伏組件表面的積灰在降低光伏組件發電效率方面有顯著影響，光伏組件發電效率會隨其表面積灰量的增加而遞減，所以定期對光伏電站中的光伏組件進行清洗勢在必行。但隨著光伏電站規模不斷擴大，現有光伏組件清洗方式已不能滿足大規模光伏電站的清洗需求?；诖?，本文以位于廣東省河源市東源縣老圍村的某8.2 MW光伏電站為例，提出1套光伏組件自動清洗系統，對該自動清洗系統的構成進行介紹，并對應用此自動清洗系統后光伏組件的性能進行對比。
1? 光伏組件自動清洗系統的設計
1.1? 光伏組件自動清洗系統的構成
為應對現有光伏組件清洗方式不能滿足大規模光伏電站清洗需求的問題，利用本光伏組件自動清洗系統同時對光伏電站的3個光伏陣列（編號分別為1#～3#）進行清洗。本光伏組件自動清洗系統清洗過程中利用水泵加壓，清洗用的水通過噴淋管道送至旋轉式噴淋頭，然后噴射到空中，以水滴的方式灑落到光伏組件上，實現對3個光伏陣列的光伏組件表面清洗。本光伏組件清洗系統由水源、水泵（包括潛水泵、噴淋水泵）、噴淋系統（包括管道、噴淋頭及閥門）、可編程邏輯控制器（PLC）控制柜等組成，其原理示意圖如圖1所示。
1.2? 取水方式
為保證本光伏組件自動清洗系統的供水量充足，共采用兩種取水方式：一種是從深水井取水，安裝1臺潛水泵，由該潛水泵向儲水箱中供水，儲水箱的容量按照滿足最大清洗區域的噴淋用水量進行設置；另一種是從河道中取水，在河道內安裝1臺潛水泵，當井水量不能滿足清洗區域的噴淋用水量時，從河道中抽取河水作為清洗區域的噴淋用水。這兩種方式相結合，即可保證光伏組件清洗區的用水量。
1.3? 管道的布置
管道采用樹枝狀管網布置形式，干管、支管均埋地敷設。根據光伏組件布置的長度、噴淋頭的噴淋半徑及其覆蓋的有效面積，確定支管長度及支管數量，在干管、支管連接處設電磁閥，干管敷設于不影響種植的地面田埂兩邊。噴淋頭接到支管末端，且支管末端必須垂直于地面，支管通過扎帶與輔助斜撐固定，以保證噴淋頭在360°噴水時的穩定性。管道和噴淋頭的安裝位置示意圖如圖2所示。
1.4? 噴淋方案
本光伏組件自動清洗系統采用的噴淋方案是通過合理布置噴淋頭，以最小數量的噴淋頭來保證每個光伏陣列的光伏組件都得到清洗；同時，使噴淋頭的重疊區域最小，以減少水耗及降低清洗時間。噴淋頭可360°旋轉，工作壓力控制在0.15～0.35 MPa之間，流量約為1.5 m3/h，噴淋半徑為12 m，并按4個圓相交重疊面積最小的方式進行組合布置。噴淋頭的組合布置方式示意圖如圖3所示。
根據所劃分的光伏組件清洗區域的大小、噴淋頭的噴淋半徑及其組合布置方式，可確定每根支管上的噴淋頭數量為5～7個。其中，1#光伏陣列的支管數量為12根，2#光伏陣列的支管數量為18根，3#光伏陣列的支管數量為35根。光伏組件自動清洗系統擬于每天00：00～05：00自動啟動。根據PLC程控設置，每個光伏陣列的清洗時間最長不超5 h，3個光伏陣列同步進行作業，可以在每天的00：00～05：00完成光伏組件自動清洗工作。
1.5? 噴淋水泵選型
通過對光伏組件自動清洗系統進行計算，1#光伏陣列和2#光伏陣列的噴淋水泵設計流量均取10 m3/h，3#光伏陣列的噴淋水泵設計流量取20 m3/h。
根據現場實際情況，各個光伏陣列最不利的供水距離（即管道長度）分別為490、310、376 m，可據此計算得出3個區域的管道水頭損失，具體如表1所示。
噴淋系統的設計揚程H可表示為：
H=hf+hj+hmin+hp+hd? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）
式中：hf為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m；hmin為噴頭入口壓力，m，本文取20；hp為水泵入口的水頭損失，m，本文取0.5；hd為噴頭與水源水位差深，m，本文取3。
經計算，1#光伏陣列噴淋水泵的設計揚程為70.195 m，選用型號為100QJ10-80的水泵；2#光伏陣列噴淋水泵的設計揚程為53.050 m，選用型號為100QJ10-60的水泵；3#光伏陣列噴淋水泵的設計揚程為41.820 m，選用型號為200QJ20-54的水泵；井內潛水泵的設計揚程為21 m，選用型號為200QJ20-40的潛水泵。
1.6? PLC控制柜
3個光伏陣列中每個區域設置1臺噴淋水泵、1臺PLC控制柜，各支管入口處各設1套電磁閥。PLC控制柜包含主開關、水泵接觸器、PLC控制主板、分組時控開關、壓力傳感顯示裝置等，現場定時自動輪巡開關電磁閥進行噴淋清洗，電磁閥故障時自動切換至下一組，并發出告警。
PLC控制柜信號通過無線網絡上傳至后臺，實現光伏組件自動清洗系統的監測及遠程控制。PLC控制柜的實物圖如圖4所示。
2? 本自動清洗系統對光伏組件性能的影響分析
光伏組件表面積灰是不可避免的，而積灰會直接影響光伏組件性能，對光伏電站造成經濟損失。為對比采用本自動清洗系統后對光伏組件性能的影響，以本光伏電站為例，在積灰密度一定的條件下，分別對光伏組件清洗前后的I-V特性、光伏組件表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉化效率的變化情況進行研究。
2.1? 光伏組件清洗對其I-V特性的影響
光伏組件能夠產生伏特效應主要是由其內部的半導體材料決定的，當太陽光照射到半導體材料上會產生電動勢能，合理的電路回路就能產生電流。當負載電阻RL為零時，加載到負載電阻的電壓也是零，此時光伏組件就會處于短路狀態，產生的電流為短路電流Isc。當負載電阻趨于無窮大時，負載電路處于開路狀態，流過負載的電流為零，光電流被正向結電流抵消，光伏組件兩端電壓為開路電壓[8]。光伏組件等效電路圖如圖5所示。圖中：Rs為串聯電阻；Rsh為并聯電阻；I為光伏組件輸出電流；IL為光生電流；Iph為理想電流；ID為暗飽和電流。
對光伏組件清洗前后的I-V特性進行測試，測試結果如圖6所示。
由圖6可知：光伏組件清洗后的I-V特性曲線優于清洗前的I-V特性曲線。這主要是因為清洗后光伏組件接收的太陽輻射增加，更利于光伏組件的光電效應。
2.2? 光伏組件清洗對其表面溫度的影響
潔凈的光伏組件表面主要以鏡面反射為主，
而積灰的光伏組件表面以漫反射為主，相當于在積灰的光伏組件表面增加了一層熱阻，光能投射到光伏組件后，光伏組件表面溫度會升高，而積灰會阻礙熱量向周圍耗散。根據現場的實際情況，得出了光伏組件清洗前后其表面的溫度變化曲線，具體如圖7所示。
由圖7可知：在10：00～18：00之間，環境溫度約為30 ℃，相較于清洗前的光伏組件的表面溫度，清洗后的光伏組件表面溫度更接近環境溫度。這是因為清洗后光伏組件的表面反射接近鏡面反射，此時的光伏組件表面熱阻比清洗前的光伏組件表面熱阻小得多，其表面熱量能夠很好的向四周耗散。這也驗證了清洗有利于光伏組件的光電效應。
2.3? 光伏組件清洗對其短路電流的影響
將太陽輻照度控制在200～850 W/m2范圍內，在積灰密度為6.68 mg/cm2的情況下，得到不同太陽輻照度下清洗前后光伏組件的短路電流比值，具體如圖8所示。
由圖8可知：光伏組件清洗前的短路電流與清洗后的短路電流的比值控制在1.00～1.11之內，清洗前后光伏組件短路電流比值的最大值與最小值之間僅相差0.11，平均值約為1.05，這說明清洗前光伏組件的短路電流比清洗后光伏組件的短路電流大。這進一步證明了清洗后的光伏組件更利于產生光電效應。
2.4? 光伏組件清洗對其開路電壓的影響
與短路電流試驗條件相同，將太陽輻照度控制在200～850 W/m2范圍內，積灰密度為6.68 mg/cm2，測試不同太陽輻照度下清洗前后光伏組件的開路電壓比值，具體如圖9所示。
由圖9可知：清洗前后光伏組件的開路電壓比值隨太陽輻照度的增強而減小，且變化幅度較為均勻；清洗前后光伏組件開路電壓比值的平均值約為0.625，由此可知，相對于清洗后的光伏組件，清洗前光伏組件約有1/3的開路電壓損耗。
2.5? 光伏組件清洗對其輸出功率的影響
將光伏組件的表面積灰填充系數Pa設定為0.3，太陽輻照度控制在200～850 W/m2范圍內，積灰密度為6.68 mg/cm2。測試不同太陽輻照度下清洗前后光伏組件的輸出功率比值，具體如圖10所示。
由圖10可知：清洗前后光伏組件輸出功率比值的平均值約為0.645，即由于光伏組件表面的積灰導致其有將近35.5%的輸出功率損耗，這說明光伏組件表面的積灰對其輸出功率影響很大。
2.6? 光伏組件清洗前后對其光能轉化效率的影響
光伏組件表面積灰的積聚過程為：潔凈→稀疏灰塵粒子聚集→稠密灰塵粒子聚集。測試過程中根據光伏組件表面積灰填充系數將積灰表述為不同的狀態，其中：將Pa=0劃分為“無積灰狀態”；0
由圖11可知：光能轉化效率隨著灰塵粒子尺度參數的增大而減小，即光伏組件表面積灰密度直接影響其光能轉化效率。因此，光伏組件的清洗對光伏電站中光伏組件的光能轉化效率和輸出功率存在較大影響。
3? 光伏組件清洗對光伏電站經濟性的影響
以本光伏電站為例，根據中國部分省市光伏電站最佳安裝傾角及發電量速查表可知，廣東省河源市光伏電站的年有效利用小時數為1055.36 h，因此本光伏電站的年發電量為8653952 kWh，平均日發電量為23709 kWh。根據本電站光伏組件的出廠性能可知，其光電轉換效率平均值為22.5%。根據不同灰塵粒子尺度參數下的光能轉化效率損失計算得到相應的光伏組件光電轉換效率損失?η，其為光伏組件清洗后的光電轉換效率平均值與不同灰塵粒子尺度參數下得到的光伏組件光電轉換效率平均值的差值，計算式為：
Δη=22.5%–? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）
不同灰塵粒子尺度參數下得到的光伏組件光電轉換效率平均值如圖12所示。
由于是以同一個光伏電站為例分析因積灰造成的發電量損失，因此不考慮光伏組件面積、裝機容量大小等影響因素，僅以灰塵造成的光伏組件光電轉換效率降低作為發電量損失的影響因素進行分析。
結合式（2）和圖12可知：本光伏電站的日發電量損失為23709?η。
按照本光伏電站含補貼的上網電價為0.8元/kWh計算，可得出本光伏電站不同灰塵粒子尺度參數下的日經濟損失，如圖13所示。
由圖13可知：光伏組件表面處于稀疏積灰狀態時，光伏電站經濟損失隨著光伏組件表面積灰填充系數的增大而增大；當光伏組件表面處于稠密積灰狀態時，光伏電站的經濟損失基本平穩，日經濟損失最高可達4268元。因此，根據光伏組件表面的清潔度可以有效預測光伏電站的經濟損失，可以利用光伏組件自動清洗系統進行光伏組件清洗，以提高光伏電站的經濟性。
4? 結論
針對積灰影響光伏組件發電量且現有光伏組件清洗方式不能滿足大規模光伏電站清洗需求的情況，本文設計了1套光伏組件自動清洗系統，對該自動清洗系統的構成進行了分析；然后以某8.2 MW光伏電站為例，研究了清洗前后光伏組件的I-V特性、表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉化效率的變化情況；最后分析了積灰對光伏電站經濟性的影響。研究結果顯示：
1）光伏組件清洗后的I-V特性曲線優于清洗前的I-V特性曲線；
2）相較于光伏組件清洗前的表面溫度，清洗后其表面溫度更接近環境溫度；
3）清洗前、后光伏組件短路電流比值的平均值約為1.05，這說明清洗前光伏組件的短路電流比清洗后的短路電流大；
4）清洗前后光伏組件開路電壓比值的平均值約為0.625，由此可知，相對于清洗后的光伏組件，清洗前光伏組件約有1/3的開路電壓損耗；
5）清洗前后光伏組件輸出功率比值的平均值約為0.645，即由于光伏組件表面的積灰導致其有將近35.5%的輸出功率損耗，說明光伏組件表面的積灰對其輸出功率影響很大；
6）光能轉化效率隨著灰塵粒子尺度參數的增大而減??；
7）當光伏組件表面處于稠密積灰狀態時，光伏電站的經濟損失基本平穩，日經濟損失最高可達4268元。
本光伏組件自動清洗系統的結構簡單，能夠精準控制每個光伏陣列的清洗時間，且靈活性強、適用范圍廣，具有良好的推廣價值。
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Research on application of automatic cleaning system for PV modules
Hou Zhiguo，Zhang Guangkui，Mo Penghui，Li Jingming，He Jinguo
（Dongyuan County Laowei Photoelectric Technology Co.，Ltd.，Heyuan 517000，China）
Abstract：In response to the impact of dust accumulation on the power generation capacity of PV modules and the inability of existing PV module cleaning methods to meet the cleaning needs of large-scale PV power stations，this paper designs an automatic cleaning system for PV modules. The automatic cleaning system consists of a water source，water pump，spraying system，and programmable logic controller （PLC） control cabinet. It can simultaneously clean three PV array，achieving automatic cleaning of PV modules. Then，taking an 8.2 MW PV power station as an example，the I-V characteristics，surface temperature，short-circuit current，open-circuit voltage，output power，and solar energy conversion efficiency of PV modules before and after cleaning are studied. Finally，the impact of dust accumulation on the economy of PV power stations is analyzed. The research results show that：1） Compared with before cleaning，the I-V characteristics，surface temperature，short circuit current，open-circuit voltage，output power，and solar energy conversion efficiency of the cleaned PV modules have been significantly improved；2） When the surface of PV modules is in a dense dust accumulation state，the economic loss is basically stable，with daily economic loss of up to 4268 yuan. This indicates that it is particularly important to regularly clean PV modules using an automatic cleaning system for PV modules.
Keywords：PV power stations；PV modules；automatic cleaning system；dust accumulation；output power；power generation capacity
