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1、大型光伏电站受灰尘积垢影响的研究,重庆太初新能源有限公司 2013年06月15日,大型光伏电站受灰尘积垢 影响的研究,一、课题研究背景 二、灰尘影响光伏发电的原理 三、国内外清洁装备与措施 四、光伏电站清洁实证研究 五、清洁维护的效益分析 六、清洁维护与电站建设相关的思考,一、课题研究背景,1.1 光伏产业背景 1.2 国内光伏电站主要分布 1.3 北部地区的沙尘气候 1.4 灰尘影响现状 1.5 小结,1.1 光伏产业背景,光伏发电“十二五”规划1 ：到2015年国内光伏装机容量将达到35GWp。,20002012年国内光伏装机总量及增长幅度2（单位：MWp）,1.2 国内光伏电站主要分布,
2、2012年国内光伏电站主要地区分布2,3,1.3 北部地区的沙尘气候,北方的春秋季节，沙尘天气对光伏电站影响较大； 如果不及时清洁会对之后的发电造成持续的负面影响； 灰尘受降水或水汽的影响将会在板面形成严重的积垢。,1.4 灰尘影响现状,灰尘影响严重：国内大型地面光伏电站建设区域的自然环境恶劣、清洁维护方式落后，光伏系统实际输出功率受到灰尘、积垢的影响较严重，西北主要光伏建设地区尤其突出。,1.5 小 结,各国的研究差异较大，国内缺乏重视：国内已经建成的光伏电站受积尘、降雨等气候因素影响方面的研究目前较少，尤其缺乏运行营维护方面的研究； 国内外对于光伏系统的研究主要集中在设计阶段：如建设地点的
3、电网、太阳能资源、组件的朝向、倾角、遮蔽、温度，主要电气设备的工作模式、转换效率等，以优化系统设计而实现最大发电量并降低生产成本； 灰尘、积垢对光伏系统发电量的影响已经成了不争的事实：正确认识灰尘对光伏系统的影响，在光伏电站设计、建设过程中就应对除尘、除垢的运维工作给予充分考虑； 清洁是有效提高发电量的的重要手段：正在进行的材料研究还没有找到可以显著提高光电转换效率的方法，并生产出可投入商业使用的光伏组件；运营维护过程中采取合理的清洁方案，对光伏组件阵列进行有效的清洁，是提高光伏电站发电量与降低生产成本的重要手段。,大型光伏电站受灰尘积垢 影响的研究,一、课题研究背景 二、灰尘影响光伏发电的原
4、理 三、国内外清洁装备与措施 四、光伏电站清洁实证研究 五、清洁维护的效益分析 六、清洁维护与电站建设相关的思考,二、灰尘影响光伏发电的原理4,2.1 灰尘的来源 2.2 灰尘影响光伏发电的原理 2.3 阵列表面灰尘的主要形态 2.4 雨水冲刷阵列表面的消尘过程 2.5 影响灰尘积累的因素 2.6 国内外之前的研究结论,2.1 灰尘的来源,灰尘的自然来源主要是土壤、岩石、动植物细屑，它们经过风化等自然作用后分裂成细小的微粒； 人类的生产过程会产生大量灰尘，如工业加工、燃烧、建筑施工、交通运输等等； 通常灰尘的形状是不规则的，一般情况下粒状灰尘直径或灰尘垂直投影响面积的等效直径小于500 微米。
5、,显微镜下的灰尘,2.2 灰尘影响光伏发电的原理,A. 遮挡状况下光线传播示意图,C.灰尘覆盖下的组件红外影像,灰尘通过遮蔽到达光伏组件的光线，从而影响组件阵列的发电量； 灰尘通过与光伏组件的导热性差异，影响光伏组件表面散热，从而影响光伏组件阵列的光电转换效率； 具有酸碱特性的灰尘沉积到光伏组件表面，经过长时间的侵蚀之后板面会粗糙不平，这将有利于灰尘的积聚，增加对太阳光的漫反射，降低了透过率。,B.侵蚀状况下光伏传播示意图,2.3 阵列表面灰尘的主要形态,未吸收水分与雨水拍溅：其形态平整、均匀、松散，并且与光伏组件表面粘着力较小，非常便于清除； 吸收水分与雨水拍溅：其形态变成点状、片状、沟渠的
6、条状，具有较坚固的外壳，并且粘附在光伏阵列表面较难清除，甚至在光伏组件表面形成极难清除的盐碱碛。,B.点片状,A.松散形态,C.沟渠条状,D.盐碱碛,2.4 雨水冲刷阵列表面的消尘过程,组件表面积尘量变化规律,消尘的过程与降雨量与降雨速度有直接关系； 极少量的降雨仅能将光伏组件表面的灰尘打湿，或者使积尘随雨水移动到光伏组件的相对较低的位置，并不能使灰尘完全脱离光伏组件； 而灰尘中的盐碱成分溶于水后会更紧密的附着在光伏组件的表面。,2.5 影响灰尘积累的因素,光伏组件表面灰尘的积累受环境等多方面因素的影响。,2.6 国内外之前的研究结论,我国光伏系统输出功率受灰尘影响约20%左右。,注：图中棒图
7、表示不同资料数据；数据来自参考文献【5-12】；,大型光伏电站受灰尘积垢 影响的研究,一、课题研究背景 二、灰尘影响光伏发电的原理 三、国内外清洁装备与措施 四、光伏电站清洁实证研究 五、清洁维护的效益分析 六、清洁维护与电站建设相关的思考,三、国内外清洁装备与措施,3.1 跟踪光伏系统的清洁 3.2 固定光伏阵列的清洁 3.3 光热阵列系统的清洁 3.4 国内光伏电站的清洁措施 3.5 国内清洁方式的小结,3.1 跟踪光伏系统的清洁,跟踪光伏系统的清洁装备（图片来自网络）,3.2 固定光伏阵列的清洁,各光伏电站建设区域环境差别较大，目前都已经重视组件阵列维护工作，并偿试采用新设备清洁； 以工
8、程车辆为载体改装的清洁设备功率大、效率高，操作方式各异，难度差别较大。,图片来自网络,3.3 光热阵列系统的清洁,随着光热发电技术的成熟，在其推广应用的过程中，清洁运维也将成为一项日常工作内容。,图片来自网络,3.4 国内光伏电站的清洁措施,光伏电站工作人员多采用洒水车的高压水枪清洁： 直喷水除尘的清洁方式用水量较大，10MWp清洁一次用水约70立方米，用时三天； 直喷水方式除尘效果良好，但无法除垢； 由于污垢表面粗糙、附着力强，光伏组件阵列清洁保持差； 在我国北方冬季寒冷，有4 5个月无法喷水作业。,3.5 国内清洁方式的小结,国内目前主要采用人工、冲洗的方式，存在以下几方面的问题： 劳动密
9、集、用水量大、有人身安全隐患，冬季人员无法工作； 清洁过程不易控制、清洁效果一致性差，容易产生热斑； 清洁维护效率低、周期长、无法克服清洁周期内灰尘影响（70工日/10MWp）； 费用较大且不能形成固定资产，以形象清洁为目的工作比例大，缺乏严谨的清洁需求及清洁实施方案。,大型光伏电站受灰尘积垢 影响的研究,一、课题研究背景 二、灰尘影响光伏发电的原理 三、国内外清洁装备与措施 四、光伏电站清洁实证研究 五、清洁维护的效益分析 六、清洁维护与电站建设相关的思考,四、光伏电站清洁实证研究,4.1 实验室论证 4.2 课题使用的清洁装备 4.3 工作过程展示 4.4 清洁前后效果对比 4.5 清洁后
10、实证发电效率的提升 4.6 实验小结,4.1 实验室论证,A.流体实验,D.方案确立实验,B.材料与参数试验,C.机械结构与运动控制实验,4.2 课题使用的清洁装备,B.控制单元与结构安装,A.CAE有限元分析与三维结构设计,C.小型货车运输状态,D.现场工作状态,模拟解决方案：采用CATIA-R17 提供3D设计和模拟解决方案，支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。,4.3 课题实验清洁工作过程,清洁1MWp光伏阵列的灰尘与污垢需耗时3小时，用水量为3立方米； 设备的自动化控制系统，使得操作非常方便，操作复杂程度低于农用收割机； 可夜间进行清洁工作，不影
11、响白天正常发电；,A.正面工作照,B.背面工作照,4.4 清洁前后效果对比,该光伏电站在实验之前15日已经采用洒水车进行过除尘，之后经过两次小雨与数次沙尘天气，该次除尘除垢率均达95%以上。,4.5 清洁后实证发电效率的提升,清洁后的光伏阵列日均发电量显著提高8%以上，1MWp当日发电量提高400KWh。,18.4KWp光伏阵列输出电流的清洁效果对比曲线,4.6 实验小结,10MWp用30立方米的水除垢，相当于在22Km 3.5m的光伏阵列表面下了一场0.23mm的小雨； 甘肃金塔5月份的实验表明，对累积15日未清洁的光伏阵列进行清洁工作后发电量明显提高，实验期间日均提高发电效率8%以上，清洁
12、增加投入100元/MWp； 在低辐照度条件下，灰尘对发电量的影响更加明显，辐照度饱和时相对较小； 经过除垢的光伏组件阵列，清洁持久度远远大于仅除尘的光伏阵列。,大型光伏电站受灰尘积垢 影响的研究,一、课题研究背景 二、灰尘影响光伏发电的原理 三、国内外清洁装备与措施 四、光伏电站清洁实证研究 五、清洁维护的效益分析 六、清洁维护与电站建设相关的思考,五、清洁维护的效益分析,经济效益： 10MWp光伏电站年发电量约1600万KWh，清洁后年均提高8%发电量则可以增加128万KWh电能，按年300晴好天气推算，日提高发电量4200KWh以上； 2012年大型光伏电站建设容量4.19GWp，按每10
13、MWp(或22公里清洁路程)为单位计算，需要400台以上装备才能满足当前的清洁需求。 社会效益： 本课题的系统研究成果为光伏电站的日常清洁维护提供了理论与实证支撑，实现了按需清洁并保障收益的目的，是光伏电站精细化运营的重要工作内容； 本课题研究成果中的清洁装备，填补了我国在光伏系统清洁维护、设备制造方面的空白，提高了光伏电站清洁维护效率及安全性，可以促进光伏系统的健康发展。 生态效益： 按每千瓦时电能340克标准煤折算，有效清洁后的10MWp光伏电站，年可节约标煤约435吨，每年可减少含碳粉尘295.9吨，二氧化碳：1084.8吨，二氧化硫：32.64吨，氮氧化物：16.32吨。,大型光伏电站
14、受灰尘积垢 影响的研究,一、课题研究背景 二、灰尘影响光伏发电的原理 三、国内外清洁装备与措施 四、光伏电站清洁实证研究 五、清洁维护的效益分析 六、清洁维护与电站建设相关的思考,六、清洁维护与电站建设相关的思考,按设计规范与要求建设的重要性 光伏阵列与地面应保持有一定的安全距离，一般不宜小于30cm； 在不进行大规模地势改造的基础上，应保证光伏阵列正常维护道路的平整需求。,参考文献,【1】2015年中国太阳能光伏安装容量将达到35GW；http:/ 【2】十二五光伏装机容量上不封顶 ；http:/ 【3】时璟丽.光伏发电电价与分布式光伏发电发展R.北京：国家发展改革委能源研究所，2013:1
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