光伏組件下沿泥帶對發(fā)電量的影響分析及解決方案

蔣領(lǐng)

摘 要：對于建設(shè)在工商業(yè)屋頂?shù)姆植际焦夥娬径裕捎谄渚o鄰用電側(cè)，降低了附加的輸配電成本，且廠房業(yè)主用電可享受折扣；再加上國家政策的大力支持，近幾年，此類光伏電站在中國中東部地區(qū)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展。但在后期運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)，建設(shè)于工商業(yè)屋頂?shù)姆植际焦夥娬臼芪蓓斊露燃笆┕l件的限制，光伏組件安裝傾角一般為2°～6°，導(dǎo)致光伏組件除了表面易積灰外，其下沿邊框處也堆積了一層厚泥帶，極易影響光伏電站發(fā)電量。因此，亟需一種成本低、效能高、維護(hù)率低的解決方案。以建于西安市某工商業(yè)彩鋼瓦屋頂?shù)?.6 MW分布式光伏電站為實(shí)驗(yàn)場地，分別采用短期和長期兩種測試方式，重點(diǎn)研究泥帶對光伏組件發(fā)電量的影響，提出了利用導(dǎo)水排塵器清除積水和泥帶的解決方式，并對其效果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示：1）在保持光伏電站原有清洗狀況不變的前提下，通過兩年的長期測試發(fā)現(xiàn)，1#、2#和3#廠房屋頂安裝有導(dǎo)水排塵器的各光伏支路的累計(jì)發(fā)電量平均值比未安裝導(dǎo)水排塵器的光伏支路的累計(jì)發(fā)電量分別提升了5.17%、13.13%和0.58%；2） 光伏組件的安裝傾角越小，泥帶對其發(fā)電量的影響越嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：工商業(yè)屋頂；分布式光伏電站；泥帶；光伏組件；發(fā)電量；導(dǎo)水排塵器

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

光伏組件表面積聚的灰塵會降低光伏電站的發(fā)電量[1-7]，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)，光伏電站發(fā)電量的降低幅度更為明顯[8-9]。針對灰塵對光伏電站發(fā)電量的影響及其相關(guān)清潔方法的研究已有多年[10-13]。然而，以往的研究主要集中在均勻分布的灰塵對采用大安裝傾角光伏組件的光伏電站發(fā)電量的影響，而針對非均勻分布的灰塵對光伏電站發(fā)電量影響的研究則很少，尤其是采用小安裝傾角光伏組件的情況下。

近幾年，中國中東部地區(qū)建于工商業(yè)屋頂?shù)姆植际焦夥娬镜玫搅孙w速發(fā)展。此類光伏電站中光伏組件幾乎是平鋪在工商業(yè)廠房的彩鋼瓦屋頂上，安裝傾角較小，一般為2°～6°，在光伏電站的實(shí)際運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)，光伏組件除了表面易積灰外，其下沿邊框處也堆積了一層厚泥帶。此種泥帶的形成原因主要是：光伏組件鋁合金邊框一般比框內(nèi)發(fā)電的玻璃區(qū)高1.0～1.5 mm，導(dǎo)致采用小安裝傾角的光伏組件表面的積水不能及時(shí)排出而在下沿形成積水區(qū)，積水蒸發(fā)后，積水中含有的灰塵便形成了一條泥帶。這不僅降低了光伏組件的發(fā)電量，還對泥帶區(qū)的太陽電池造成局部遮擋，從而導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)熱斑和彩虹紋，降低了光伏組件的使用壽命。

本文以建于西安市某工商業(yè)彩鋼瓦屋頂?shù)?.6 MW分布式光伏電站為實(shí)驗(yàn)場地，分別采用短期和長期兩種測試方式，重點(diǎn)研究泥帶對光伏組件發(fā)電量的影響，并提出利用導(dǎo)水排塵器清除積水和泥帶的解決方式，然后對其效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及測試方式

本分布式光伏電站中光伏組件的安裝傾角為2°～6°，2019年3月初經(jīng)歷一次小雨之后，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，光伏組件下沿處的泥帶較厚，如圖1所示，其會對光伏組件的發(fā)電量產(chǎn)生影響。

發(fā)電量是衡量1條光伏支路發(fā)電效率的重要指標(biāo)，同時(shí)也是光伏電站業(yè)主最關(guān)心的數(shù)據(jù)。針對泥帶對光伏組件發(fā)電量的影響，下文分別進(jìn)行短期及長期測試，以便得到相關(guān)數(shù)據(jù)，用于判斷影響程度。

1）短期測試。選取1#廠房編號為12HL09的匯流箱，從中挑選出潔凈程度一樣、發(fā)電量相近的4條光伏支路，編號分別為01#、04#、05#、08#，每條光伏支路均為由20塊光伏組件串聯(lián)形成的光伏組串。2019年3月7日，實(shí)驗(yàn)人員使用拖把于12：30對04#光伏支路的泥帶進(jìn)行清除，并于13：00完成清除工作，但非泥帶區(qū)未做清洗；另外3條光伏支路的光伏組件未做任何清洗，均保留泥帶，將04#光伏支路作為對照組，以此來判斷泥帶對光伏組件發(fā)電量的影響。

2）長期測試。為觀測泥帶對光伏電站發(fā)電量的長期影響和驗(yàn)證導(dǎo)水排塵器的長期有效性，在保持光伏電站全年清洗狀況不變的前提下，選取1#廠房（光伏組件的安裝傾角為3°、南北朝向）編號為12HL09、2#廠房（光伏組件的安裝傾角為3°、東西朝向）編號為41HL05、3#廠房（光伏組件的安裝傾角為6°、東西朝向）編號為21HL01的3臺匯流箱，從每個(gè)匯流箱中挑選數(shù)條累計(jì)發(fā)電量相近的光伏支路。從每個(gè)匯流箱已選出的光伏支路中選取1條光伏支路作為對照組，不安裝導(dǎo)水排塵器；其余光伏支路均安裝導(dǎo)水排塵器，作為實(shí)驗(yàn)組。測試時(shí)間為2021年2月23日—2023年1月18日，測試期間每隔一段時(shí)間讀取1次選出的每條光伏支路的電表讀數(shù)，然后利用每條光伏支路測試結(jié)束日的電表讀數(shù)減去其測試起始日的電表讀數(shù)，得到該期間每條光伏支路的累計(jì)發(fā)電量。

實(shí)驗(yàn)采用的導(dǎo)水排塵器由筆者參與研發(fā)，經(jīng)過2年不懈努力才試制成功。其基本原理為：借鑒煤油燈燈芯將低處的煤油吸到高處而燃燒的原理，利用高分子親水性材料的親水性來實(shí)現(xiàn)清除光伏組件下沿邊框處積水及泥帶的目標(biāo)。首先將導(dǎo)水排塵器安裝在光伏組件下沿邊框處，通過高分子材料的親水性基團(tuán)給水一個(gè)吸力，再結(jié)合水自身的表面張力，二者一起將下沿邊框處的水和灰塵積聚混合為懸濁液，然后利用導(dǎo)水排塵器的L形結(jié)構(gòu)引導(dǎo)懸濁液翻越邊框排出，進(jìn)而從源頭上解決了光伏組件下沿邊框處的積水及泥帶問題。本導(dǎo)水排塵器的實(shí)物圖及其親水基團(tuán)作用示意圖如圖2所示。

1.2? 導(dǎo)水排塵器最佳安裝位置

光伏組件鋪設(shè)過程中，由于屋面情況及人為施工因素會導(dǎo)致某些光伏組件不能完全平行于屋面，且大部分光伏組件左右方向上略有高度差，致使每塊光伏組件底部泥帶聚集區(qū)域各不相同。

通過實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)，泥帶形狀主要分為4種：長方形、橫置梯形、大三角形（泥帶覆蓋面積超過下邊框的1/2）和小三角形（泥帶覆蓋面積未超過下邊框的1/2）。根據(jù)不同泥帶形狀，基于水在重力作用下從高處流向低處的原理，為迅速排掉光伏組件下沿由水和灰塵混合形成的懸濁液，導(dǎo)水排塵器安裝位置及數(shù)量分為以下幾種情況：1）泥帶為長方形時(shí)，該泥帶形狀是因?yàn)楣夥M件下沿左右方向上的高度差幾乎為零，需安裝兩個(gè)導(dǎo)水排塵器，分別安裝在光伏組件下邊框的兩個(gè)1/4點(diǎn)位置，如圖3a所示（圖中紅色三角形指示的點(diǎn)即為導(dǎo)水排塵器最佳安裝位置，下同），每個(gè)導(dǎo)水排塵器負(fù)責(zé)排除光伏組件下沿1/2部分的懸濁液；2）泥帶為橫置梯形或大三角形時(shí)，該泥帶形狀是因?yàn)楣夥M件下沿左右方向上的高度差略大于零，需安裝兩個(gè)導(dǎo)水排塵器，分別安裝在光伏組件下邊框的正中心位置和泥帶最寬處的邊框邊角處，分別如圖3b和圖3c所示；3）泥帶為小三角形時(shí)，該泥帶形狀是因?yàn)楣夥M件下沿左右方向上的高度差較大，需安裝1個(gè)導(dǎo)水排塵器，安裝在泥帶最寬處的邊框邊角處，如圖3d所示。

2? 泥帶對光伏組件發(fā)電量影響的短期及長期測試

2.1? 短期測試

在04#光伏支路的泥帶完成人工清洗前（即13：00前），01#、04#、05#、08#光伏支路的工作電流值相差不大；清洗后，01#、05#、08#光伏支路的工作電流值仍然相差不大，而04#光伏支路的工作電流值卻在清洗后的短時(shí)間內(nèi)直線提升，提升了2倍多，具體如圖4所示。

2019年3月7—14日期間4條光伏支路的累計(jì)發(fā)電量如表1所示。

著高于其他3條光伏支路的累計(jì)發(fā)電量，且其累計(jì)發(fā)電量相對于其他3條光伏支路的均值提升了約134%。這主要是因?yàn)橄卵啬鄮г斐晒夥M件局部遮擋，進(jìn)而使光伏組件的工作電流減小，由于整條光伏支路是由光伏組件串聯(lián)而成，根據(jù)串聯(lián)等流的原理，整條光伏支路的工作電流等于受泥帶影響最嚴(yán)重的光伏組件的工作電流，導(dǎo)致整條光伏支路的發(fā)電量受到嚴(yán)重影響。但在實(shí)際光伏電站運(yùn)維過程中，光伏組件會定期進(jìn)行清洗，所以測試期光伏支路的累計(jì)發(fā)電量不會僅 50 kWh 左右，124 kWh才應(yīng)該是發(fā)電量的正常值。由于人工清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高，因此探尋一種新型的光伏組件清洗方式尤為必要。

2.2? 長期測試及導(dǎo)水排塵器有效性驗(yàn)證

2021年2月23日—2023年1月18日期間，分別記錄1#廠房屋頂編號為12HL09匯流箱的4條光伏支路（分別為01#、03#、04#、05#光伏支路，其中，04#光伏支路未安裝導(dǎo)水排塵器，其下沿一直存在泥帶）、2#廠房屋頂編號為41HL05匯流箱的4條光伏支路（分別為02#、03#、06#、11#光伏支路，其中，03#光伏支路未安裝導(dǎo)水排塵器，其下沿一直存在泥帶）、3#廠房屋頂編號為21HL01匯流箱的4條光伏支路（分別為03#、04#、07#、09#光伏支路，其中，04#光伏支路未安裝導(dǎo)水排塵器，其下沿一直存在泥帶）各自的電表讀數(shù)，最后統(tǒng)計(jì)得到測試期間各光伏支路的累計(jì)發(fā)電量，具體如表2所示。

從表2可以發(fā)現(xiàn)：測試期間，1#、2#和3#廠房屋頂安裝有導(dǎo)水排塵器的各光伏支路累計(jì)發(fā)電量的平均值比未安裝導(dǎo)水排塵器的光伏支路的累計(jì)發(fā)電量分別提升了5.17%、13.13%和0.58%，驗(yàn)證了導(dǎo)水排塵器的有效性。但3#廠房屋頂安裝導(dǎo)水排塵器的光伏支路的發(fā)電量提升幅度相對較小，這主要是因?yàn)樵搹S房屋頂?shù)墓夥M件安裝傾角相對較大（約為6°），而1#和2#廠房屋頂光伏組件的安裝傾角約為3°，安裝傾角越大，泥帶的寬度越窄，相同降雨強(qiáng)度下，雨水在光伏組件表面形成的徑流沖刷泥帶的力度就越大，泥帶對發(fā)電量的影響就越小，因此，導(dǎo)水排塵器對發(fā)電量的提升也就越有限。

雖然1#和2#廠房屋頂光伏組件的安裝傾角約為3°，但這兩個(gè)廠房屋頂?shù)墓夥吩诎惭b導(dǎo)水排塵器后的發(fā)電量提升幅度差值卻非常大，約為8%。現(xiàn)場觀察后，發(fā)現(xiàn)這主要是因?yàn)?#廠房屋頂光伏組件的泥帶集中在邊角處，整個(gè)下沿未被全部覆蓋，而2#廠房屋頂光伏組件的整個(gè)下沿均被泥帶覆蓋。

3? 結(jié)論

為分析光伏組件下沿堆積的泥帶對光伏組件發(fā)電量的影響程度，本文以建于西安市某工商業(yè)彩鋼瓦屋頂?shù)?.6 MW分布式光伏電站為實(shí)驗(yàn)場地，分別采用短期和長期兩種測試方式，重點(diǎn)研究了泥帶對光伏組件發(fā)電量的影響；提出了利用導(dǎo)水排塵器清除積水和泥帶的解決方式，并對其效果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示：

1）在保持光伏電站原有清洗狀況不變的前提下，通過兩年的長期測試發(fā)現(xiàn)：1#、2#和3#廠房的屋頂安裝有導(dǎo)水排塵器的各光伏支路的累計(jì)發(fā)電量平均值比未安裝導(dǎo)水排塵器的光伏支路的累計(jì)發(fā)電量分別提升了5.17%、13.13%和0.58%。

2）光伏組件的安裝傾角越小，泥帶對其發(fā)電量的影響越嚴(yán)重。

在該光伏電站后續(xù)的實(shí)際運(yùn)維中也發(fā)現(xiàn)，每次下完一場小到中雨，泥帶形成后，光伏電站的發(fā)電效率呈階梯式下降，因此需定期組織人員對光伏組件進(jìn)行清洗；然而不管是水洗還是干拖都存在經(jīng)濟(jì)成本較高、作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較高等弊端。因此，本文提出的安裝導(dǎo)水排塵器的方式，既能降本增效，又能減少清洗作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，且其目前已在全國多地的工商業(yè)分布式光伏電站投入使用，獲得了廣泛認(rèn)可。

由于導(dǎo)水排塵器只能解決光伏組件下沿泥帶問題，不能解決非泥帶區(qū)的灰塵對光伏組件發(fā)電量的不利影響，尤其是降雨稀少的月份，雨水較少，不能將上部非泥帶區(qū)的灰塵帶到下部泥帶區(qū)，也就不能通過導(dǎo)水排塵器將其排走，所以，在降雨稀少的月份，還需采取人工清洗與導(dǎo)水排塵器相結(jié)合的措施來解決。導(dǎo)水排塵器可以彌補(bǔ)人工清洗由自身?xiàng)l件限制帶來的弊端及清洗后的收益問題，同時(shí)可減少清洗次數(shù)、降低清洗時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)；人工清洗又可以彌補(bǔ)導(dǎo)水排塵器長期使用后堵塞及長期不降雨而無法發(fā)揮作用的問題。

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