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灰尘对光伏系统的影响
发布时间：
2018-02-28 13:26
来源：
中国气象局国家气候中心、中国气象局风能太阳能资源中心、中国气象局公共气象服务中心的研究人员温岩、赵东等，在2014年第11期《太阳能》杂志上撰文，针对积尘对光伏系统发电效率的影响，综述了国内外相关研究成果。
分析表明：光伏面板的输出性能受到沉积在表面灰尘的影响，使电池的效率降低；灰尘对面板接收太阳辐照度和散热有直接影响，并能使面板表面受到腐蚀；不同地区的积尘影响存在较大差异。此外，还分析了国内外关于光伏面板积尘的影响因素，分析了风、降水强度、降尘量、空气污染、灰尘性质及面板倾角对积尘的形成和发电量的影响，总结了基于降尘、降雨等因素建立的积尘模型。最后分析了目前应用较为广泛的光伏面板除尘方法，比较了它们的优缺点。
对于长时间运行的光伏发电系统，面板积尘对其影响不可小觑。面板表面的灰尘具有反射、散射和吸收太阳辐射的作用，可降低太阳的透过率，造成面板接收到的太阳辐射减少，输出功率也随之减小，其作用与灰尘累积厚度成正比。
此外，因为灰尘吸收太阳辐射可使光伏面板升温，并且灰尘中含有一些腐蚀性的化学成分，这也使其光电转换效率降低[1]。面板表面的灰尘在不同的太阳辐射、环境温度、遮挡和腐蚀等作用下对光伏系统的发电性能和使用情况等有不同程度的影响，但如今这方面的相关理论还不完善，因此，补充灰尘在不同工作环境下对光伏系统发电的影响对光伏系统的研究很有意义。
1 积尘对光伏发电效率的影响
灰尘是颗粒物质，其来源分为自然来源和人为来源。包括：土、沙和岩石在风的作用下形成的细小颗粒和一些动植物的生物质；工业、建筑物和交通等产生的扬尘[1]。
太阳能光伏发电系统运行过程中，会受到其所处环境灰尘的影响。光伏电池的光电转换效率与太阳辐射强度有关，灰尘积累在光伏面板表面，会使前盖玻璃透光率下降，透光率的下降会导致电池的输出性能下降，沉积浓度越大，透光率越低，面板吸收的辐射量越低，其输出性能下降越大。
在其他条件不变的情况下，安装面板时倾角越小，相同时间内灰尘累积越多，面板吸收太阳辐射越小。对于单个面板，输出功率的下降有限，但对于大型并网光伏系统，总输出功率下降幅度很大，因此导致年功率的损失也很大[3]。
获取的结果表明，在少雨时期，由于面板表面的累积污垢，电池效率损失可达到15% 以上。面板表面污垢灰尘造成年平均发电效率可降低6%。一般来说，空气中灰尘污垢包括：灰尘、雨水、污染物，它们的存在会导致电池输出能量的减少。因为灰尘粒子对太阳光向前散射存在较大影响，导致这种集中式模块的电流损失通常情况下比非集中式的要高很多。
Salim等[4]在沙特阿拉伯对光伏面板积灰的除尘效果进行了研究，选择固定倾角24.6°进行为期8个月的实验，结果表明，每天清洗的面板比从未清洗的面板输出功率增加了32%。
在印度Roorkee地区Garg[5] 进行了45°角的积尘遮挡实验，结果显示，在灰尘遮蔽作用下光伏面板的平均透射率在10天后降低了8%。
陈东兵等[6] 以蚌埠2 MW光伏电站进行实验，结果显示，灰尘在光伏面板上20天使组件发电功率减少24%，平均每天降低1.2%。
王峰等[7] 在西安城区某分布式光伏电站中设计对比实验，实验表明在“降尘”天气影响下，城区灰尘对光伏系统输出功率降低影响很大，达到15%。
2 积尘对光伏面板的影响
2.1 辐照度
覆盖在光伏面板表面的灰尘阻挡了太阳辐射，导致照射到面板上的有效面积减少，玻璃的透射率降低，削弱了面板所接收的太阳辐射的强度，并且会引起太阳辐照不均匀，使发电量降低，减少了输出功率[2]。灰尘的沉积浓度越大，面板的透光率越低，其吸收的太阳辐射也越低。曹晓宁等[8] 进行了不同辐照强度下的效率测试实验，结果指出，面板的短路电流正比于入射光强，电压与光照强度成对数关系。
Hegazy[9]以0°-90°的光伏面板进行灰尘对辐照度影响的实验，当灰尘沉积较少时对辐照度影响较小，当面板灰尘增多时对辐照度的影响也相应增大。
张风等[3] 对不同日累计辐照量的标准小时发电量进行对比实验，得出面板表面灰尘越多其输出功率越低的结论，发电性能也越差( 见图1)。
2.2 散热
覆盖在光伏面板上的灰尘使通过玻璃板的透射率减小，对太阳辐射起阻碍作用，另外对光伏面板的传热形式也产生影响[2]。灰尘附在面板表面阻挡热量向外传递，可能使面板自身热量得不到释放，令温度越来越高，影响光伏发电的效率。
现有的光伏电站大多使用硅基太阳电池，对温度感知十分灵敏，当面板表面积累一定厚度的灰尘时，将导致它的传热热阻增大，对面板有保温作用，使其散热功能受到影响。实验结果显示，每当电池温度上升1℃，其输出功率约下降0.5%[7]。
2.3 腐蚀
灰尘的成分比较复杂，有的是酸性物质，有的是碱性物质，而晶硅光伏面板的主要成分为二氧化硅和石灰石等，如果灰尘碰到空气中的水汽变湿润，就可与面板的组成物质产生酸性或碱性反应[2]。
一段时间后，光伏面板表面在酸性或碱性环境的侵蚀下逐渐发生腐蚀、损伤，使表面变得坑坑洼洼，导致光伏面板的光学性能衰减，太阳辐射在面板表面发生漫反射，破坏太阳辐射在光伏面板中传播的均匀性。
此外，光伏面板的其他部位也会受到湿润灰尘的腐蚀，比如结合处、支架等部分，其材料多是各类金属，发生腐蚀后易导致破损、安全性减弱等问题，可能因强风、地震等自然因素遭到破坏而减少光伏面板服役的寿命。
2.4 不同地区的积尘影响差异
光伏面板表面积尘是影响光伏系统效率、减少电站发电量的重要因素之一。它的直接影响是削弱太阳辐射，使到达面板表面的能量减少。累积的灰尘越多、越厚，光伏面板受到的影响越严重。灰尘累积与空气中的含尘量、空气流动和降尘速率及时间长短等因素有关。这些取决于天气和环境因素，而我国不同地区的环境和气候情况差别较大，同一地区不同季节的降尘情况也不相同，因此对光伏面板造成的影响也不一样[6]。
在临海或近盐湖地区，盐雾腐蚀问题已经在很大程度上影响了光伏系统的发电效率，光伏面板也同样受到影响。因此需对光伏面板加强盐雾测试，以评估其长期耐盐雾腐蚀的性能[10]。在常年温度低的高寒地区，风力、风向变化大，光伏面板需进行标准更加严格、要求更高的性能测试，以符合此类特殊地域的气候条件。
由于地理位置的不同，各地气候状况千差万别。例如我国西北地区的光伏电站受灰尘遮蔽的影响较大，灰尘可减弱太阳的辐照强度，使面板的输出功率下降，导致发电量降低；另外局部灰尘遮蔽也会导致热斑效应，带来发电量的损失和安全隐患等问题[8]。
3 积尘的影响因素
灰尘在光伏面板上的沉积、附着，受多种因素影响，例如天气因素、面板放置地点、角度、环境因素和灰尘性质等。天气因素对光伏系统的发电情况影响很大，最常见的有温度、湿度、阴天、雨雪、风等因素，其中温度对发电量的影响最大。另外，下雨、阴天、下雪等天气对光伏系统的影响同样不可忽视，也会造成太阳辐射强度的减弱，从而降低光伏系统的发电量。
影响光伏系统输出功率的季节性因素也很明显，同样是因为辐射强度的变化而导致发电量的变化。此外还有实验计算了光伏面板表面灰尘对照射到其表面的光速的影响。影响光速传播的综合因素包括：单位面积内灰尘数量、灰尘的尺度、太阳光入射角度和波长，并发现对于光线传播，入射波长的影响可忽略不计，因为灰尘的颗粒尺寸远比光线波长要大[11]。
3.1 风
目前研究光伏面板积尘的影响因素中，很少涉及风对灰尘沉积的影响，其实它对灰尘沉积结构影响很大[12]。在一定降雨强度下，雨线与面板表面夹角的不同，雨水对面板表面积尘的冲刷程度也不同，而风决定着雨线与光伏面板的夹角。
Goossens等[13] 经过在Negev沙漠的长期观测发现：灰尘最大程度沉积通常在最高风速时才会形成。此外，风洞内的实验表明：在高风速影响下形成的积尘将有更高透射率；通过不同风向对灰尘沉积过程的影响发现，刮向面板表面的风会提高积尘效果，而刮向面板背面的风几乎不影响灰尘沉积作用[14]。
Neil等[15]发现较大风速对沉积在光伏组件表面的非粘结性灰尘有除尘效果。
3.2 降水强度及降尘量
降雨对光伏面板表面的灰尘具有冲刷作用，不同的降雨强度对灰尘的冲刷量不同，通常情况下降雨强度与其冲刷作用成正比。有实验观察到，当超过5 mm的降雨时电流约会损失5%。
降尘量是指单位时间靠重力自然沉降到单位面积上的颗粒物的质量，光伏面板表面积尘量主要受它的影响。在没有雨水冲刷时，时间越久降尘量越多，面板表面的灰尘也逐渐增多，进而加大灰尘对光伏面板的遮挡作用，使到达面板的光强减弱，导致发电量减少，直接影响光伏系统的发电效率[2]。
光伏面板表面的灰尘累积量与之前灰尘的累积时间有关，研究结果表明，灰尘的累积过程发生在两次降雨之间，最初几天最快，然后逐渐减少[16]。
3.3 空气污染
如今城市的环境污染越来越严重，尤其是近几年经常出现的雾霾天气，对光伏系统发电效率的影响很大[7]。雾霾主要通过两种方式影响光伏电站的发电量：一是削弱到达光伏面板的太阳辐射，由于低空中的悬浮物会对太阳光进行吸收和反射，导致面板表面接收到的太阳光大幅度降低。二是如果雾霾天气长期持续，面板表面的颗粒物累积在面板表面就会形成遮挡，难以清洗，造成面板表面污染，导致发电量进一步降低。
中国气象局风能太阳能资源中心通过观测实验，选取典型案例分析霾所产生的影响，初步结果表明：霾通过削弱太阳辐射对光伏发电有显著影响，轻度霾可造成20%～30%的日发电量损失；在重度霾的情况下，日发电量损失接近70%。
Hegazy[9]和Elminir等[17]研究了积尘对于暴露在环境中的清洁玻璃试样的影响。在30天后得到结果，对于倾斜角为0°、3°和90°的面板，Hegazy记录的损失分别是27%、17%和3%。
Elminir记录的损失是27%、18% 和6%。两个记录点都位于埃及，第一个记录点在强污染农业区，第二个记录点在强污染的工业区。
3.4 灰尘性质
灰尘性质受不同地区的气候环境条件影响，导致各地灰尘具有各自性质和特点。比如在沙漠地区的灰尘由沙土、红土和沙粒组成，城市中的灰尘主要来源于汽车尾气、工业污染和城市建设等[1]。
受大气中含油性物质的灰尘影响，面板如果不及时清洗，等到含油污的灰尘积累一段时间，会给清洗工作带来很大困难[18]。在青海格尔木地区，气候干旱、少雨、多风，因此灰尘属于干性灰尘，灰尘在风的作用下会很快落在光伏面板上，并由于静电附着在面板表面。
另外，对于灰尘性质有所影响的还有鸟粪等生物质。生物质污染被作为积尘污染的源头之一，尤其是春季的花粉污染。Hammond等通过鸟粪便对电流减小的测量，研究积尘对于光伏系统的影响，结果表明电流减小了2%～8%。
Haeberlin和Graf 做了有关混合轻工业区、林区和农场的水平30°放置的光伏面板的特性测试，结果显示，由于不同生物质的污染，光伏系统的能量输出有不同程度的减少[19]。
3.5 面板角度
光伏面板放置的角度对光伏电站发电效率有很大影响，一方面是因为安装倾角不同吸收的太阳辐射量不同，另一方面是对灰尘累积的影响。Goossens等[20] 发现在沙漠地区灰尘沉积在水平放置的面板表面最多。陈维等[21]在广州选取不同朝向和倾角的光伏面板进行测试，结果表明, 灰尘、雨水等对水平和小倾角放置的面板有较大影响，沉积在面板上的灰尘较多。
Sayigh等[22]进行了倾角为0°、15°、30°、45°、60°的光伏面板积灰效应研究，1个月后太阳辐射透过率分别降低了64%、48%、38%、30% 和17%，结果表明，光伏面板倾角越大，灰尘在其表面越难沉积和附着。
Elminir等[17]进行了倾角为0°-90°的面板积灰实验，得出结论：灰尘积累密度随面板角度增大而逐渐降低，太阳辐射透过率下降幅度也随之逐渐降低。
刘莉敏等[23]发现并网光伏电站系统中正南倾角90°安装的光伏板比15°的年累计发电量多，其一是因为不同角度的光伏面板吸收的太阳辐射不同，其二是因为后者比前者的灰尘累积严重，因此选择不同的倾角安装对光伏电站的发电效率影响很大。
4 积尘机理及模型
积尘的理论研究非常困难，因为和所处的地点、面板倾斜角和其他变量密切相关。居发礼[2]探索性地研究了光伏积尘理论，根据积尘与降尘量、降雨量等因素有关，建立光伏表面积尘量模型，并分3种情景考虑光伏面板表面积尘与雨水冲刷的关系，分别为：无降雨，积尘量不受降雨冲刷的影响；有降雨，但降雨量不足以将积尘全部冲刷完；降雨量足以将降尘冲刷完。
他还提出一种光伏积尘系数，用来表示积尘对光伏发电性能的影响因子，即在同等光照强度下，积尘光伏板发电效率与清洁光伏板发电效率的比值。影响灰尘沉积的因素很多，建立模型很复杂，居发礼模型只考虑了积尘与降尘量、降雨量的关系，还有其他一些因子没有考虑，所以此模型有一定局限性。
5 光伏组件的除尘方法
目前有些光伏发电系统还仅依赖于降雨、风等自然作用对光伏面板的积灰进行清除。一些小型光伏电站采用人工清洁的方法，一般用拖把、橡胶刮条或柔软的抹布进行清洗[24]。该方法缺点是在清洗过程中不可避免地会对玻璃面板产生划痕，磨伤玻璃表面，部分工作需两人配合作业，效率相对较低；优点是不浪费水电资源，几乎只有人工成本。
大中型光伏电站人工清洁难度较大，一般采用机械清洁的方式。高压水枪清洗，水经过加压后形成水汽混合物，将光伏面板表面尘土冲洗干净，清洁效果较好，因此被很多光伏电站广泛采用；缺点是对水电需求较大，清洁过程中会形成大量污水，污染环境；投入成本主要是机器和人员工资。清洗车清洗，用水量较大，对面板几乎没有损伤，效率较高，但需空间宽阔平坦的地区使用，投入成本较高。
另外还有机械除尘技术，利用机械化的刷子结合喷水冲洗光伏面板的自动除尘装置等，靠机械力将粉尘扫走[25]。优点是自动化强，节省人力。但有些机器清洁效果较差，成本较高，同时也会污染环境，尚需进一步的开发研究。
6 总结
本文总结了积尘对光伏发电效率的影响，提出了灰尘对光伏面板辐照度、散热和腐蚀的影响及不同地区的积尘影响差异，探究了其影响因素：风、降水强度与降尘量、空气污染、灰尘性质及面板倾角的影响，并总结了积尘机理和模型，得出以下结论：
1) 积尘对光伏系统发电效率影响很大，造成的功率损失很严重，有时能达到30% 左右。
2) 积尘会减弱面板接收的太阳辐照强度，光伏发电量减少，导致输出功率下降。沉积浓度越大、透光率越低，组件吸收的辐照量越低。
3) 灰尘导致光伏面板的传热形式发生了变化，会增大面板的传热热阻，影响其散热。研究表明：面板温度上升1 ℃，输出功率约下降0.5%。
4) 灰尘在不同环境中有时呈酸性，有时呈碱性，对光伏面板的腐蚀使得太阳辐射透过率减小，面板上的光照强度减弱，发电量减少。
5) 积尘受风速风向、降水强度、空气污染、灰尘性质、面板放置的地点、面板倾角等因素的影响，风速与灰尘沉积成正比；降水强度越大对灰尘沉积的冲刷效果也越大；雾霾天气造成灰尘沉积增加；不同性质的灰尘会对光伏面板的清洗难度有很大影响；光伏面板倾角越大，灰尘越难在其表面滞留和附着。
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