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大氣灰塵對太陽能光伏板的影響，探討光伏板清


太陽能是清潔、安全的可再生能源, 在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。根據(jù)IEA PVPS發(fā)布的2016年全球光伏市場報告， 截止2016年底，全球太陽能光伏裝機容量累計超過300GW。根據(jù)國家能源局公布數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，中國光伏發(fā)電累計裝機容量77.42GW，新增裝機容量34.54GW，新增和累計裝機容量均為全球第一。 預(yù)計到2030年光伏裝機容量將達1.4億kW, 年發(fā)電量可達1300億kWh。
大氣灰塵是影響太陽能光伏板發(fā)電效率的關(guān)鍵因素之一 , 美國“機遇”號空間探測器剛開始火星探測任務(wù)時,1.3m的太陽能電池板每天可以提供900Wh的電能, 然而到2010年6月, 隨著太陽能電池板沾上火星灰塵, 每天提供的電能降到了500~600 Wh。灰塵污染會大幅降低光伏電站發(fā)電量, 估計每年至少在5%以上, 如按照2020年全球裝機量預(yù)計將達到500GW左右計算, 每年因灰塵降低發(fā)電量而造成的經(jīng)濟損失將高達50億美元。隨著電站裝機量的不斷增長, 這一損失會愈發(fā)嚴(yán)重—2030年全球裝機總量約1400GW時, 灰塵造成的經(jīng)濟損失預(yù)計將高達130億美元。
研究從大氣灰塵的來源、種類及特性方面分析大氣灰塵對光伏發(fā)電的影響, 結(jié)合目前光伏組件表面清洗工程的技術(shù)手段, 進一步指出了目前研究及應(yīng)用中存在的不足和將來應(yīng)重點關(guān)注的研究方向。
1 灰塵來源及特性分析
灰塵是由懸浮在空氣中的微粒所組成的不均勻分散體系。是細(xì)干而成粉末的土或其他物質(zhì)的, 被化為微細(xì)部分的某物體細(xì)的粉末, 灰塵顆粒的直徑一般在百分之一毫米到幾百分之毫米之間, 小于10μm的懸浮粒子 (PM10),即被認(rèn)定有害于人體;小于2.5μm的細(xì)顆粒物 (PM2.5),更可穿透肺泡直達血液。大氣灰塵的來源和組成因所處的地理位置、氣候條件、季節(jié)和人類活動等不同而差異較大, 如沙漠地區(qū)的大氣灰塵主要來源于沙土、紅土和沙粒, 而城鎮(zhèn)環(huán)境中的大氣灰塵則含有大量的來自于建筑材料的石灰石、汽車尾氣排出的碳化物以及織物纖維, 人類活動對顆粒物的貢獻巨大, 空氣流動是顆粒物擴散和遷徙的動力, 也是光伏組件灰塵效應(yīng)發(fā)生的重要動力學(xué)因素。
1.1 灰塵的種類
灰塵按粒徑的大小大致可分為兩種:粉塵, 粉塵是由于物體粉碎而產(chǎn)生和分散到空氣中的一種灰塵;凝結(jié)固體和煙霧, 凝結(jié)固體煙霧是物質(zhì)在燃燒、升華、蒸發(fā)和凝聚等過程中形成的。其粒徑一般在0.1~1μm。
1.2 灰塵的特性
物理特性：包括粒徑、顏色、密度、吸水性、導(dǎo)熱性、分散度、粘附性等, 其中, 粒徑、導(dǎo)熱性、吸水性、粘附性、摩擦性等都是與光伏發(fā)電緊密聯(lián)系的物理性質(zhì)。灰塵是固體雜質(zhì), 形狀多不規(guī)則, 大多是有棱角并帶有灰、褐、黑等顏色, 且具有吸水性。以微米量級為主, 外形與理論上常采用的球形近似差異大。灰塵顆粒可能是沙粒、礦物顆粒、土壤顆粒、金屬微粒、無機鹽顆粒、水泥顆粒、植物纖維等, 也可能是動物毛發(fā)、鳥類糞便、其他動物排泄物等。其中人類活動引入的物種所占比例較高。
化學(xué)特性:灰塵的成分比較復(fù)雜, 就其化學(xué)成分而言, 大氣灰塵主要是氧化物, 如SiO2、Al2O3、Fe2O3 、Na2O、CaO、MgO、TiO2、K2O等, 其中SiO2、Al2O3, 含量最高, 分別為68%~76%和10%~15%。它有時會提供導(dǎo)致降解的酸根和金屬離子。有些灰塵本身就帶有酸性或堿性, 例如硫酸煙霧、光化學(xué)煙霧就具有酸性, 金屬氧化物等微粒具有堿性。另外灰塵中的飄塵由于粒徑小, 表面積大, 因此它們的吸附能力很強, 可以將空氣中的有害物質(zhì)吸附在它們表面, 而呈酸性或堿性。灰塵中往往含有黏土等物質(zhì), 會吸收空氣中水分, 使其發(fā)生水解反應(yīng), 分解出膠粘狀的氫氧化鋁。
生物特性:由于霉菌的孢子體積小, 重量, 隨著空氣到處飄移, 因而不可避免地附著在灰塵上, 所以灰塵是微生物的理想培養(yǎng)基、繁殖地和傳播者。微生物在生長過程會分泌出內(nèi)含有酶和有機酸的霉斑。
2 灰塵對光伏發(fā)電的影響
2.1 溫度影響
目前光伏電站較多使用硅基太陽電池組件, 該組件對溫度十分敏感, 隨灰塵在組件表面的積累, 增大了光伏組件的傳熱熱阻, 成為光伏組件上的隔熱層, 影響其散熱。研究表明太陽能電池溫度上升1℃, 輸出功率約下降0.5%。且電池組件在長久陽光照射下, 被遮蓋的部分升溫速度遠大于未被遮蓋部分, 致使溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑。正常照度情況下, 被遮蓋部分電池板會由發(fā)電單元變?yōu)楹碾妴卧? 被遮蔽的光伏電池會變成不發(fā)電的負(fù)載電阻, 消耗相連電池產(chǎn)生的電力, 即發(fā)熱, 這就是熱斑效應(yīng)。此過程會加劇電池板老化, 減少出力, 嚴(yán)重時會引起組件燒毀。
2.2 遮擋影響
灰塵附著在電池板表面, 會對光線產(chǎn)生遮擋, 吸收和反射等作用, 其中最主要是對光的遮擋作用。灰塵顆粒對光的反射吸收和遮擋作用, 影響光伏電池板對光的吸收, 從而影響光伏板發(fā)電效率研究指出灰塵沉積在電池板組件受光面, 首先會使電池板表面透光率下降;其次會使部分光線的入射角度發(fā)生改變, 造成光線在玻璃蓋板中不均勻傳播。有研究顯示在相同條件下, 清潔的電池板組件與積灰組件相比, 其輸出功率要高出至少5%, 且積灰量越高, 組件輸出性能下降越大。
2.3 腐蝕影響
光伏面板表面大多為玻璃材質(zhì), 玻璃的主要成分是二氧化硅和石灰石等, 當(dāng)濕潤的酸性或堿性灰塵附在玻璃蓋板表面時, 玻璃蓋板成分物質(zhì)都能與酸或堿反應(yīng)。隨著玻璃在酸性或堿性環(huán)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(xiàn)象, 導(dǎo)致光線在蓋板表面形成漫反射, 在玻璃中的傳播均勻性受到破壞, 光伏組件蓋板越粗糙, 折射光的能量越小, 實際到達光伏電池表面的能量減小, 導(dǎo)致光伏電池發(fā)電量減小。并且粗糙的、帶有粘合性殘留物的黏滯表面比更光滑的表面更容易積累灰塵。而且灰塵本身也會吸附灰塵, 一旦有了初始灰塵存在, 就會導(dǎo)致更多的灰塵累積, 加速了光伏電池發(fā)電量的衰減。
3 光伏板上的灰塵清潔理論分析
戶外放置的光伏組件玻璃表面會俘獲和積累灰塵顆粒, 形成阻擋光線入射電池片的灰塵覆蓋層。重力、范德瓦爾斯力、靜電場力均對灰塵積累產(chǎn)生貢獻。灰塵顆粒不僅與光伏玻璃表面有力的作用, 顆粒之間也存在互作用。對灰塵進行清潔就是將灰塵從電池板表面移除。移除電池板表面灰塵要克服灰塵與電池板間的粘附作用力。電池板上灰塵有一定厚度, 對其進行清潔時, 可對其施加平行負(fù)載、與電池板呈一定夾角 (或垂直) 的負(fù)載或?qū)覊m層施加旋轉(zhuǎn)力矩 (圖1) , 破壞灰塵與電池板間的粘附作用, 進而移除灰塵。


q—平行與電池板的負(fù)載;F—與電池板有一定夾角或垂直的負(fù)載;M—對灰塵層施加的旋轉(zhuǎn)力矩
圖1 對灰塵的不同破壞方式
對于灰塵顆粒移除要克服灰塵顆粒切向粘附力和法向粘附力, 法向粘附力即為灰塵顆粒與電池板間的粘附力, 切向粘附力相對很小一般可忽略。若從垂直方向移除灰塵則僅需要克服法向粘附力, 例如用水清潔, 將灰塵顆粒潤濕的過程, 主要克服法向粘附力。水清潔時主要使得分子間間距增大減小范德華引力和產(chǎn)生浮力作用, 克服灰塵顆粒粘附受力的范德華力和重力。水中加入表面活性劑使得效果更明顯, 而且還會產(chǎn)生較強的靜電力使得灰塵從電池板上移除。灰塵顆粒與電池板相對運動時還要克服切向粘附力。
4 現(xiàn)階段太陽能光伏板清洗的工程手段
灰塵效應(yīng)在光伏玻璃表面形成灰塵覆蓋層, 顯著降低了太陽能電池片受光量和光伏組件的電能輸出總量, 發(fā)電量降低幅度達5%~45%, 是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率的重要原因。由于灰塵顆粒與光伏玻璃表面互作用機理尚未完全清楚, 多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有配備專用的灰塵清理設(shè)施, 主要依賴于降雨、風(fēng)等自然作用對光伏面板的積灰進行清除。調(diào)查顯示, 按照通常設(shè)計標(biāo)準(zhǔn), 每10MW電站配套工業(yè)清洗系最少需要一次性投資幾百萬元。一個300MW的太陽能發(fā)電廠可能花費超500萬美元來進行清潔, 同時在能源生產(chǎn)方面, 因塵土覆蓋的損失至少達360萬美元。據(jù)業(yè)內(nèi)人事普遍經(jīng)驗認(rèn)為：光伏面板的清潔維護是提高電站運維績效水平、提升實際利用小時數(shù)量最直接有效且成本最低的方式。清潔后的光伏陣列日均發(fā)電量顯著提高5%以上。
目前很多光伏電站及相關(guān)電力公司都在探索研究經(jīng)濟、有效的組件清洗方案, 同時也出現(xiàn)了一些專業(yè)從事太陽能光伏板清洗的公司。但是, 不同地區(qū)降塵情況不同, 光伏電站水資源情況及場站地形地貌也有所差異, 因此組件清洗方式的選擇不能一概而論。
目前國內(nèi)外已有的分布式光伏板清洗方式按照其自動化水平大致可分為3類:人工清洗方式、半自動清洗方式和自動清洗方式。按照光伏板清洗時的用水量可分為有水清潔和無水清潔, 其中有水清潔可根據(jù)是否敷設(shè)水管分為有管道清潔和無管道清潔。
4.1 人工清洗
人工清洗是最原始的光伏板清洗方式, 完全依靠人力完成。這種清洗方式工作效率低、清洗周期長、人力成本高, 存在人身安全隱患、北方冬季無法工作的情況, 大型光伏電站很少采用人力擦洗的方式。
1) 人工干洗太陽能發(fā)電板。人工干洗是采用長柄絨拖布配合專用洗塵劑進行清洗, 費用約為12000~13000元/10MW。使用的油性靜電吸塵劑, 主要利用靜電吸附原理, 具有吸附灰塵和沙粒的作用, 能夠增強清洗工具吸塵去污能力, 有效地避免在清掃時的灰塵沙粒飛揚。由于完全依靠人力, 存在表面殘留物較多、組件由受力不均產(chǎn)生變形隱裂的問題。
壓縮空氣吹掃是通過專用裝置吹出壓縮空氣清除組件表面的灰塵, 用于水資源匱乏的地區(qū)。這種方式效率低, 且存在灰塵高速摩擦組件的問題, 目前很少有電站使用。
2) 人工水洗組件。人工水洗是以接在水車上 (或水管上) 的噴頭向光伏組件表面噴水沖刷, 從而達到清洗的目的, 壓力一般不超過0.4MPa, 這種清洗方式優(yōu)于人工干洗, 清洗效率高一些, 但用水量較大, 10MW光伏組件清洗一次約用30m水, 水洗用水成本價格約為0.2元/m, 與人工干洗價格接近, 一些地面光伏電站目前采用此種清洗方式。但水壓過大會造成光伏組件電池片的隱裂, 導(dǎo)致大面積短路會造成發(fā)電效率降低。另外, 水洗組件自然風(fēng)干后, 在組件表面會形成水漬, 形成微型陰影遮擋, 影響發(fā)電效率。冬季使用高壓水槍產(chǎn)生的冰層會嚴(yán)重弱化組件的光學(xué)效應(yīng), 處于北方的太陽能發(fā)電廠尤為顯著。
4.2 半自動清洗設(shè)備
目前, 該類設(shè)備以工程車輛為載體改裝為主 (圖2) , 設(shè)備功率大、效率比較高, 清洗工作對組件壓力一致性好, 不會對組件產(chǎn)生不均衡的壓力, 造成組件隱裂, 而且清洗可采取清掃和水洗兩種模式。該方式對水資源的依賴性較低, 但對光伏組件陣列的高度、寬度、陣列間路面狀況的要求較為苛刻, 無法滿足所有大型光伏電站的應(yīng)用需求。在國內(nèi)有很多企業(yè)生產(chǎn)銷售、租賃該類設(shè)備。


圖2 半自動清洗設(shè)備
4.3 自動清洗
自動清洗方式是將清洗裝置安裝在光伏組件陣列上, 通過程序控制電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)裝置對光伏組件的自動清洗。這種清洗方式成本高昂, 設(shè)計復(fù)雜, 多用于研發(fā)、測試, 很少正式用于大型光伏電站。國內(nèi)已有智能清掃機器人 (圖3) , 其方式是電站每排光伏組件安裝一臺清掃機器人, 自動定期清掃, 無人值守。地勢平坦的光伏電站可以采用, 每兆瓦安裝12臺智能清掃機器人。


圖3 自動清洗機器人
與傳統(tǒng)清潔方式相比, 智能清掃機器人清洗有如下六大優(yōu)勢:
1) 自供電, 并帶有儲能, 無需提供外部電源;
2) 智能控制、無人值守, 節(jié)省人工費用;
3) 無水清潔、節(jié)能環(huán)保, 節(jié)約用水;
4) 運行頻次自由設(shè)定, 根據(jù)場區(qū)環(huán)境定期清潔;
5) 機器人清掃用力均勻, 不會造成電池片隱裂;
6) 機器人可以夜間工作。
另外, 在冬季北方, 智能機器人還能除去組件上的積雪。安裝不平整的組件邊框有可能卡住機器人, 使其無法正常歸位, 應(yīng)用于規(guī)模巨大的光伏時, 電站運維人員在現(xiàn)場難以找到故障機器人的位置。
綜上, 灰塵的清除方法有很多種, 包括已介紹的機械式清除、水清除, 還有超聲清除、氣壓式清除、靜電清除、激光清除等等。水清除極易使光伏組件破損、腐蝕, 嚴(yán)重降低光伏組件使用壽命;而且, 大量的水清除容易使得光伏組件地基下陷, 電池板陣列產(chǎn)生扭矩, 進而導(dǎo)致電池板碎裂。機械式物理清除是一種行之有效的清除方法。其原理簡單, 僅需要某種機械裝置即可完成清除工作。給予合適的清除參數(shù), 即可達到既不破壞電池板又能高效清除電池板表面灰塵的目的。隨著其成本的降低, 將來可能會取代非自動清洗方式, 是未來光伏電站組件清洗的發(fā)展趨勢。
5 光伏電站組件清洗的思考
科學(xué)高效的清洗太陽能發(fā)電廠的電池板, 對于提高電廠出力、確保投資回收、減少設(shè)備運行安全隱患具有非常重要的意義。實驗數(shù)據(jù)表明, 制定合理的清潔、清洗方案, 最大可以提高電廠經(jīng)濟效益20%以上。要合理解決電池板蒙塵問題, 需要注意以下幾個方面的問題。
1) 合理用水、清洗劑。水或者清洗劑除塵效果好, 但對于大規(guī)模的光伏系統(tǒng)或者離散布局的光伏系統(tǒng)而言, 清潔用水和清洗劑并不是總可以方便地獲得。比如高速公路沿線的光伏路燈系統(tǒng)和兆瓦 (MWp) 級別的大規(guī)模系統(tǒng)。使用普通的自來水或井水清洗、清潔電池板, 由于水中含有許多雜質(zhì)會附著在電池組件的表面玻璃板上, 降低太陽能發(fā)電效率。有實驗表明使用自來水沖洗電池板, 比使用專用清洗液清洗會降低發(fā)電效率1.8%以上。此外, 水和清洗劑的使用也存在電氣安全隱患以及環(huán)境污染隱患, 特別是化學(xué)合成清洗劑的二次污染問題。
2) 提高灰塵監(jiān)測的能力。灰塵積累量不是隨時間勻速增加的, 季節(jié)特征或局部干擾因素會使得灰塵積累速度顯著變化。因此, 采用定期、定時除塵的工作模式無法自動適應(yīng)這種變化, 導(dǎo)致除塵效果差或者除塵作業(yè)電能浪費大, 經(jīng)濟性下降。電池板每月清潔的次數(shù)即為電池板的清潔周期, 是灰塵清潔的重要參數(shù)之一。提高灰塵監(jiān)測能力, 建立灰塵積累與發(fā)電量、清洗成本等多變量關(guān)系模型, 確定合理的清洗周期, 以實現(xiàn)最大收益。
3) 合理安排清洗作業(yè)時間及進度。合理的除塵作業(yè)應(yīng)選擇在傍晚或者凌晨、無降水的時間進行。白天光照強, 除塵作業(yè)會對光伏組件電能輸出產(chǎn)生很大的干擾, 甚至發(fā)生不可預(yù)期的后果。降水情況下, 除塵作業(yè)可能產(chǎn)生難以去除的大片污水水漬。
4) 合理選擇、使用清洗工具。光伏組件表面是高強度鋼化玻璃, 存在磨損的問題, 光伏組件的期望壽命20~25年, 整個運行過程中除塵作業(yè)的次數(shù)多, 一般每月都要清洗一到兩次。清洗方法和工具選擇不當(dāng), 易造成電池表面磨損, 影響發(fā)電能力和電池板產(chǎn)品壽命。綜合經(jīng)濟成本也隨之提高。
5) 研制特殊環(huán)境下清洗設(shè)備。該設(shè)備應(yīng)具備除雪、除露、除冰、無水清洗功能, 解決太陽能光伏電廠冬雪季節(jié)的清洗問題。
6 未來展望
灰塵效應(yīng)是多因素影響的過程, 光伏組件的表面灰塵覆蓋層顯著降低了光伏組件的發(fā)電量。灰塵來源復(fù)雜、自身成分多樣, 受環(huán)境條件影響較大, 灰塵積累是一個復(fù)雜現(xiàn)象, 需從以下幾方面深入研究:
1) 建立灰塵形成數(shù)學(xué)模型, 找出灰塵積量、積灰分布與風(fēng)速、風(fēng)向的具體關(guān)系。
2) 建立長效的遠程光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和灰塵積累狀況的監(jiān)測系統(tǒng), 通過數(shù)據(jù)監(jiān)測來確定灰塵清潔周期。
3) 參照灰塵顆粒模型, 將化學(xué)、物理甚至生物科學(xué)方法相結(jié)合, 從微觀角度繼續(xù)探究將灰塵從電池板上清潔有效方法。