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1、光伏电站太阳能组件各种清洗方案的讨论光伏电站无论是余光互补，风光互补，农光互补，或者是屋顶电 站，无论是电站建在哪里，都存在组件积灰的情况，那就存在组件清 洗的问题。对于建成投运光伏电站，电站的运维是其高效安全运行， 经济运行的基础。为了保证光伏电站的系统效率，提高电站发电量， 应该针对电站的环境和气候条件因地制定合理的运维方案，对于光伏一、灰尘的来源和种类：1.1灰尘的来源：灰尘是细干而成粉末的土或其它物质的，被化为 微细部分的某物体。细的粉末，灰尘颗粒的直径一般在百分之一毫米 到几百分之毫米之间，是人的肉眼看不见的。人的肉眼能看见的是灰 尘中的庞然大物。灰尘来自于工厂的排放，建筑工地的扬尘
2、，大风卷 起的尘土等。1.2积灰可以分为很多类，从灰尘对光伏发电工程影响的角度，从 灰尘的物理性质、化学性质和积灰形态对积灰进行了分类。1.2.1按物理性质分类灰尘的物理性质有很多，如颜色、粒径、密度、导电性、导热性 等。这些物理性质与光伏工程紧密联系的有灰尘粒径和导热系数。不同的灰尘粒径存在着不同，常用粒径分布某一粒子群中，不同 粒径所占比例，亦称粒子的分散度。灰尘粒径的不同对光伏板的遮挡 也不同，因此从遮挡效应来看，可以按灰尘的粒径大小来区分灰尘， 则可以分为粗灰尘和细灰尘。不同性质灰尘的导热系数也不尽相同，导热系数的不同对光伏板 的热平衡产生影响，从而使得有积灰光伏板的温度与清洁光伏板温
3、度 存在着差异，进而影响发电效率，因此可以从灰尘的导热系数方面来 分，将灰尘分为强导热灰尘和弱导热灰尘。1.2.2按化学性质分类灰尘的成分比较复杂，有些灰尘化学性质比较不活泼，如黑炭颗 粒、碳酸钙和氢氧化铝粉尘等，有些灰尘本身带有酸性，例如硫酸烟 雾、光化学烟雾，有些灰尘本身带有碱性，如金属氧化物颗粒、石灰 石粉尘、水泥粉尘和许多路尘等，Darley试验发现，水泥粉尘溶液的 PH为12.0，并含有多种金属和HSO4-离子，石灰石粉尘中也含有多 种无机元素，路尘中含有高浓度的金属盐分，许多未铺砌的道路产生 碱性灰尘i。由于灰尘中的飘尘颗粒多，粒径小，表面积非常大，因此它们的 吸附能力很强，可以将
4、空气中的有害物质吸附在它们表面，而呈酸性 或碱性。灰尘中往往含有粘土等物质，会吸收空气中或材料中的水分， 使其发生水解反应，分解出胶粘状的氢氧化铝，带有碱性。而灰尘酸碱性的不同对光伏板的腐蚀作用是不同的，腐蚀作用越 强，光伏板表面盖板损害越严重，对发电效率也存在影响，因此从化 学性质上可以将积灰分为：酸性积灰、中性积灰和碱性积灰。1.2.3按积灰的附着形态分类从灰尘的物理特性来看，灰尘是固体杂质，形状多不规则，大多 是有棱角并带有灰、褐、黑等颜色，且具有吸水性。当光伏板表面有 大量灰尘，且附近空气相对湿度达到一定程度时，水汽即形成水滴， 所以灰尘易被水湿润，也易吸附水分。因此当积灰时，积灰易吸
5、附水 分，就极有可能在水分达到一定程度时沿光伏板坡面向下搬运灰尘的 情况，这样即使得产生积灰的形态不同。光伏板表面灰尘的附着状态对于灰尘吹除的难以程度，对光线的 遮挡程度都不同，因此可以按积灰附着形态，将灰尘分为干松积灰和 粘结积灰。干松积灰：飞灰的颗粒大部分都很细小，很容易附着到光伏板表 面上，形成干松积灰。干松灰的积聚过程完全是一个物理过程，灰层 中无粘性成分，灰粒之间呈现松散状态，易于吹除。粘结积灰：灰尘颗粒累积在光伏板表面，由于降雨、露水等原因， 灰尘颗粒潮湿后，吸附性非常强，这些颗粒就会吸收空气中的物质并粘附在光伏板表面上，从而形成具有较强粘性的积灰，干后再形成一 个坚硬的结晶状外壳
6、，粘贴于光伏板表面。根据擦除程度的难易可以 将粘结积灰分为强粘结积灰和弱粘结积灰。Fig. 2 Fouling morphology diagram (left: dry pine fouling; right: bond fouling)二、积灰对光伏发电的影响机理研究21光伏板积灰的遮挡效应灰尘降落到光伏板表面，不仅遮挡了光线对光伏电池的照射，使 得光伏电池实际接受太阳光的有效面积减少，而且还使得部分入射光 线在玻璃盖板中的传播均匀性发生了改变。E, e 光线灰尘颗粒：E12玻璃盖板光伏电池图3光线传播示意图（遮挡状况）Fig. 3 Schematic diagram of light t
7、ransmission (block condition)光伏板一般有五层，从上到下以此为：玻璃盖板、上层EVA、光 伏电池、下层EVA、背板TPT层。玻璃盖板一般为钢化玻璃，其作 用为保护发电主体（如电池片），透光率较高，一般在91%以上； EVA用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明的，其 材质的优劣直接影响到组件的寿命。根据光线传播原理，一定波长的入射光照射到玻璃盖板上时，光 线在玻璃表面发生折射和反射现象。折射后的光线在玻璃内部传播， 并从另一表面透过，照射到光伏电池表面产生光电效应。当此玻璃盖 板表面有灰尘颗粒时，光线传播路径较没有灰尘时有所不同。如图所 示，当光伏板表面有
8、灰尘时，光强为E的光线照射到灰尘表面时被灰 尘吸收和散射，前者是光能 E1被灰尘吸收后变为热能，后者能量 为AE2的光线则是被灰尘向四周散射，被散射的光线可能有部分照 射到玻璃盖板上，图中所示E1光线是被灰尘散射到玻璃盖板上的光 线，从而在玻璃盖板上又形成了一次折射和反射的光线传播过程。综 上所述，在如图所示情景中，由于积灰的遮挡作用，实际达到光伏 玻璃盖板表面的光强为E1,进入玻璃盖板的能量较无积灰时要少（E -E1）即（E1 + AE2-E1）,从而使得光电效应较清洁状态下弱，因 此积灰状况下的发电量要比清洁状态少。由上面的光线传播的理论分析可以得出，由于灰尘的存在，使得 玻璃盖板的透射性
9、减弱，从而到达光伏电池表面上的光强减弱，光电 效应减弱，光伏发电量减少。2.2光伏板积灰的温度效应灰尘降落到光伏板表面，一方面产生了遮挡，使得光伏板表面玻 璃的透射率减小，减小了投射到光伏电池表面的太阳辐射量，另一方 面降落到光伏板上的灰尘导致光伏板的传热形式发生了变化。现有光伏板热平衡是建立在清洁光伏板情况下的热平衡模型，实 际上在光伏板投入运行后，光伏板表面会积有灰尘或者树叶等物质， 这些物质的存在使得光伏发电的热平衡发生了改变，因此当光伏板表 面有灰尘时，太阳电池组件在长久阳光照射下，部分组件受到遮挡无 法工作，使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过 高出现烧坏的暗斑，如图
10、所示。热斑可能导致整个电池组件损坏， 造成损失ii。Fig4 Solar hot spot damage occurs Experimental photo23光伏板积灰的腐蚀效应灰尘具有酸性或者碱性，而玻璃的成分主要为二氧化硅和石灰石 等，当湿润的灰尘附在玻璃盖板表面，玻璃盖板成分物质都能够与酸 或碱反应。随着玻璃在酸性或碱性环境下的时间增长，玻璃表面就会 慢慢被侵蚀，从而在玻璃盖板表面形成坑坑洼洼，导致光线在玻璃盖 板表面形成漫反射，在玻璃盖板中的传播均匀性受到破坏。图5光线传播示意图(侵蚀状况)Fig. 5 Schematic diagram of light transmission
11、(erosion)如图所示，由于灰尘对玻璃盖板的腐蚀作用，玻璃盖板表面呈现 许多的凹面，造成原有的光滑玻璃盖板变成了非光滑盖板，增大了玻 璃盖板表面的漫反射。由图可以分析，光照到凹面时，光的传播路径较平整表面有明显 不同，光线在凹面内产生数次的反射、折射过程。如光强为E的光线 入射到凹面内，一部分E1折射，一部分E2在凹面内反射至凹面内， 再经过折射、反射，一部分E21折射，一部分E22反射，综合起来， 光强为E的光线，实际折射到玻璃盖板的能量为(E1+E21)。而对 于平整情况下的玻璃盖板，当光强为E的光线入射到表面时，有E1 的光线能够达到光伏电池表面。在光的反射和折射中，能量是守恒的，能
12、量的分布情况满足：I. =【d + I + I + I其中：I.为入射光强，由直接光源或间接光源引起；Id为漫反射光1d强，由表面不光滑引起；Is为镜面反射光强，由表面光滑引起；It为 透射光强，由物体的透明性引起的；Iv为被物体所吸收的光，由能量 损耗引起。v当玻璃盖板受腐蚀较弱时，可以把玻璃盖板看成是为一反射率很 低的光滑表面。对于此理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反 射定律，而对于一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由反 射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一点来说，从不同位 置所观察到的镜面反射光强是不同的。镜面反射光强可表示为：Is = I. Ks COSn(a),
13、 a E (0, n/2)其中Ks是与物体有关的镜面反射系数，a为视线方向V与反射方 向R的夹角，n为反射指数，反映了物体表面的光滑程度，一般为 12000，数目越大物体表面越光滑。由上面镜面反射光强公式可知，玻璃盖板表面越粗糙，n越大， 此时反射光强Is增大，再由光的能量守恒方程可知，折射光的能量减 少，实际到达光伏电池表面能量越小。随着腐蚀程度的加深，光伏板玻璃盖板表面越来越粗糙不平，这 时候可以看成为一理想漫反射表面。当光源来自一个方向时，漫反射 光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的， 因而漫反射光的空间分布是均匀的。记入射光强为物体表面上点 P的法向为N，从点P指
14、向光源的向量为L,两者间的夹角为9,由 Lambert余弦定律，则漫反射光强为：Fig.6 Schematic diagram of diffuse incident lightId = I. Kd cos(0), 9 G (0, n/2)其中，Kd是与物体有关的漫反射系数，0Kdl。dd由上面漫反射光强公式可知，光伏板玻璃盖板表面越粗糙，漫反 射系数Kd越大，漫反射光强越大，再由光的能量守恒方程可知，折射 光的能量减少，实际到达光伏电池表面能量越小。由上面的分析可得，从玻璃盖板整体来看，由于酸性或碱性灰尘 对玻璃盖板的腐蚀，造成玻璃盖板表面粗糙度增加，反射光强增大， 折射光的能量减少，使得入
15、射到光伏电池的光照强度减弱，光电效应 减弱，发电量减少。在光伏电站的运营阶段，制定经济合理的的运维方案，保证电站 安全可靠性，提高电站的发电量。首先应对电站设备的运行状态进行 实时监控，进行日常的巡检，消除安全隐患，保证关键设备的正常高 效运行;其次还应对光伏电站的发电数据进行统计分析，针对环境和 气候条件，找到影响发电量的主要因素，制定合理的方案，减少损耗。 对于太阳辐照资源和环境温度，没有办法进行改善提高，只能做好记 录，用以对光伏电站的系统效率的分析验证。对于中国西北地区的光 伏电站，灰尘遮蔽是影响发电量的重要因素，西北地区干旱缺水，风 沙很大，组件受到灰尘遮蔽的情况严重，如图7所示。图7光伏电站组件受灰尘遮蔽情况I116图8冃这种清洗方案，使用于组件前后间距较大，地势比较平坦，地质方案较好的场所。缺点，是随着车辆的非直线运动，组件收到的压力大小不均，灰尘基本上是干插，对组件玻璃的寿命有影响图9清洗方案图9的清洗方案为水冲洗，清洗的比较干净彻底。适用于组件数量较少的电站，不适宜于大型的光伏电站。图10清洗方案图 10的清洗方案同样为水洗，清洗比较干净，但存在效率低的问 题，不适用大型光伏电站。图 11 清洗方案图 11 的清洗方案同样为干洗，存在效率低的问题，组件玻璃存在 磨损的问题，效率低下。图 12 清洗方案图 12 的清洗
