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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, 在長期的能源戰略中具有重要地位。根據IEA PVPS發布的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。根據國家能源局公布數據顯示，截至2016年底，中國光伏發電累計裝機容量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。 預計到2030年光伏裝機容量將達1.4億kW, 年發電量可達1300億kWh。
大氣灰塵是影響太陽能光伏板發電效率的關鍵因素之一 , 美國“機遇”號空間探測器剛開始火星探測任務時,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電量, 估計每年至少在5%以上, 如按照2020年全球裝機量預計將達到500GW左右計算, 每年因灰塵降低發電量而造成的經濟損失將高達50億美元。隨著電站裝機量的不斷增長, 這一損失會愈發嚴重—2030年全球裝機總量約1400GW時, 灰塵造成的經濟損失預計將高達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電的影響, 結合目前光伏組件表面清洗工程的技術手段, 進一步指出了目前研究及應用中存在的不足和將來應重點關注的研究方向。
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。是細干而成粉末的土或其他物質的, 被化為微細部分的某物體細的粉末, 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),即被認定有害于人體;小于2.5μm的細顆粒物 (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、季節和人類活動等不同而差異較大, 如沙漠地區的大氣灰塵主要來源于沙土、紅土和沙粒, 而城鎮環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發生的重要動力學因素。
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生和分散到空氣中的一種灰塵;凝結固體和煙霧, 凝結固體煙霧是物質在燃燒、升華、蒸發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、導熱性、分散度、粘附性等, 其中, 粒徑、導熱性、吸水性、粘附性、摩擦性等都是與光伏發電緊密聯系的物理性質。灰塵是固體雜質, 形狀多不規則, 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、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。
化學特性:灰塵的成分比較復雜, 就其化學成分而言, 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, 會吸收空氣中水分, 使其發生水解反應, 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基、繁殖地和傳播者。微生物在生長過程會分泌出內含有酶和有機酸的霉斑。
2 灰塵對光伏發電的影響
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, 致使溫度過高出現燒壞的暗斑。正常照度情況下, 被遮蓋部分電池板會由發電單元變為耗電單元, 被遮蔽的光伏電池會變成不發電的負載電阻, 消耗相連電池產生的電力, 即發熱, 這就是熱斑效應。此過程會加劇電池板老化, 減少出力, 嚴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, 玻璃的主要成分是二氧化硅和石灰石等, 當濕潤的酸性或堿性灰塵附在玻璃蓋板表面時, 玻璃蓋板成分物質都能與酸或堿反應。隨著玻璃在酸性或堿性環境里的時間增長, 玻璃表面就會慢慢被侵蝕, 從而在表面形成坑坑洼洼的現象, 導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, 導致光伏電池發電量減小。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, 就會導致更多的灰塵累積, 加速了光伏電池發電量的衰減。
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, 可對其施加平行負載、與電池板呈一定夾角 (或垂直) 的負載或對灰塵層施加旋轉力矩 (圖1) , 破壞灰塵與電池板間的粘附作用, 進而移除灰塵。


q—平行與電池板的負載;F—與電池板有一定夾角或垂直的負載;M—對灰塵層施加的旋轉力矩
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 現階段太陽能光伏板清洗的工程手段
灰塵效應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, 發電量降低幅度達5%~45%, 是影響光伏發電系統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, 多數光伏發電系統沒有配備專用的灰塵清理設施, 主要依賴于降雨、風等自然作用對光伏面板的積灰進行清除。調查顯示, 按照通常設計標準, 每10MW電站配套工業清洗系最少需要一次性投資幾百萬元。一個300MW的太陽能發電廠可能花費超500萬美元來進行清潔, 同時在能源生產方面, 因塵土覆蓋的損失至少達360萬美元。據業內人事普遍經驗認為：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電量顯著提高5%以上。
目前很多光伏電站及相關電力公司都在探索研究經濟、有效的組件清洗方案, 同時也出現了一些專業從事太陽能光伏板清洗的公司。但是, 不同地區降塵情況不同, 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是否敷設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。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, 導致大面積短路會造成發電效率降低。另外, 水洗組件自然風干后, 在組件表面會形成水漬, 形成微型陰影遮擋, 影響發電效率。冬季使用高壓水槍產生的冰層會嚴重弱化組件的光學效應, 處于北方的太陽能發電廠尤為顯著。
4.2 半自動清洗設備
目前, 該類設備以工程車輛為載體改裝為主 (圖2) , 設備功率大、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用需求。在國內有很多企業生產銷售、租賃該類設備。


圖2 半自動清洗設備
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動實現裝置對光伏組件的自動清洗。這種清洗方式成本高昂, 設計復雜, 多用于研發、測試, 很少正式用于大型光伏電站。國內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
與傳統清潔方式相比, 智能清掃機器人清洗有如下六大優勢:
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, 節省人工費用;
3) 無水清潔、節能環保, 節約用水;
4) 運行頻次自由設定, 根據場區環境定期清潔;
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, 應用于規模巨大的光伏時, 電站運維人員在現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, 電池板陣列產生扭矩, 進而導致電池板碎裂。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, 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展趨勢。
5 光伏電站組件清洗的思考
科學高效的清洗太陽能發電廠的電池板, 對于提高電廠出力、確保投資回收、減少設備運行安全隱患具有非常重要的意義。實驗數據表明, 制定合理的清潔、清洗方案, 最大可以提高電廠經濟效益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, 但對于大規模的光伏系統或者離散布局的光伏系統而言, 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和兆瓦 (MWp) 級別的大規模系統。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會附著在電池組件的表面玻璃板上, 降低太陽能發電效率。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境污染隱患, 特別是化學合成清洗劑的二次污染問題。
2) 提高灰塵監測的能力。灰塵積累量不是隨時間勻速增加的, 季節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這種變化, 導致除塵效果差或者除塵作業電能浪費大, 經濟性下降。電池板每月清潔的次數即為電池板的清潔周期, 是灰塵清潔的重要參數之一。提高灰塵監測能力, 建立灰塵積累與發電量、清洗成本等多變量關系模型, 確定合理的清洗周期, 以實現最大收益。
3) 合理安排清洗作業時間及進度。合理的除塵作業應選擇在傍晚或者凌晨、無降水的時間進行。白天光照強, 除塵作業會對光伏組件電能輸出產生很大的干擾, 甚至發生不可預期的后果。降水情況下, 除塵作業可能產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的次數多, 一般每月都要清洗一到兩次。清洗方法和工具選擇不當, 易造成電池表面磨損, 影響發電能力和電池板產品壽命。綜合經濟成本也隨之提高。
5) 研制特殊環境下清洗設備。該設備應具備除雪、除露、除冰、無水清洗功能, 解決太陽能光伏電廠冬雪季節的清洗問題。
6 未來展望
灰塵效應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電量。灰塵來源復雜、自身成分多樣, 受環境條件影響較大, 灰塵積累是一個復雜現象, 需從以下幾方面深入研究:
1) 建立灰塵形成數學模型, 找出灰塵積量、積灰分布與風速、風向的具體關系。
2) 建立長效的遠程光伏發電數據和灰塵積累狀況的監測系統, 通過數據監測來確定灰塵清潔周期。
3) 參照灰塵顆粒模型, 將化學、物理甚至生物科學方法相結合, 從微觀角度繼續探究將灰塵從電池板上清潔有效方法。