大氣灰塵是影響太陽能發(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500~600Wh。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。是細干而成粉末的土或其他物質(zhì)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(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)?；覊m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?；覊m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?；覊m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?；覊m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,從而影響光伏發(fā)電效率。居發(fā)禮的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?；覊m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?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(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)階段光伏電池面板清洗的工程手段
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)從事光伏組件清洗的公司。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)外已有的組件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組件清洗方式,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)人工干洗組件。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?；覊m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。
