侯治國(guó)，張光奎，莫鵬輝，李凈明，何進(jìn)國(guó)

摘 要：針對(duì)積灰影響光伏組件發(fā)電量且現(xiàn)有光伏組件清洗方式不能滿足大規(guī)模光伏電站清洗需求的情況，設(shè)計(jì)了1套光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)。該自動(dòng)清洗系統(tǒng)由水源、水泵、噴淋系統(tǒng)和可編程邏輯控制器（PLC）控制柜等組成，其可同時(shí)對(duì)3個(gè)光伏陣列進(jìn)行清洗，實(shí)現(xiàn)光伏組件的自動(dòng)清洗；然后以某8.2 MW光伏電站為例，研究了清洗前后光伏組件的I-V特性、表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉(zhuǎn)化效率的變化情況；最后分析了積灰對(duì)光伏電站經(jīng)濟(jì)性的影響。研究結(jié)果顯示：1）相較于清洗前，清洗后光伏組件的I-V特性、表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉(zhuǎn)化效率均得到明顯改善；2）當(dāng)光伏組件表面處于稠密積灰狀態(tài)時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失基本平穩(wěn)，日經(jīng)濟(jì)損失最高約可達(dá)4268元。由此可以說(shuō)明，利用光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)對(duì)光伏組件進(jìn)行定期清洗尤為重要。

關(guān)鍵詞：光伏電站；光伏組件；自動(dòng)清洗系統(tǒng)；積灰；輸出功率；發(fā)電量

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污染的可再生能源，近年來(lái)，在各國(guó)政策的推動(dòng)下，其利用形式得到大力發(fā)展。光伏發(fā)電作為一種重要的太陽(yáng)能利用方式，已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模[1]。光伏玻璃性能、太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率、光伏組件輸出功率、光伏組件衰減率等均會(huì)對(duì)光伏組件發(fā)電量產(chǎn)生影響，除此之外，光伏組件表面積灰也是影響其發(fā)電量的重要因素[2]。光伏組件表面積灰對(duì)入射的太陽(yáng)光具有反射和吸收作用，會(huì)降低太陽(yáng)輻射的透過(guò)率，減少光伏組件吸收的太陽(yáng)輻射能量，使光伏組件輸出功率下降；同時(shí)，光伏組件表面的溫度升高和腐蝕也與積灰有直接關(guān)系，這會(huì)導(dǎo)致光伏組件的使用壽命受到影響。綜上可知，光伏組件表面積灰的存在會(huì)給光伏電站帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。

針對(duì)積灰對(duì)光伏組件發(fā)電方面的影響，實(shí)測(cè)顯示：玻璃表面積累的灰塵將會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)輻射量損失達(dá)到5%～30%[5]，從而降低光伏組件接收的太陽(yáng)輻射量，減少光伏發(fā)電量。官燕玲等[6]針對(duì)灰塵覆蓋對(duì)光伏組件性能的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果顯示：由于嚴(yán)重的霧霾天氣，8天的自然積灰就會(huì)使光伏組件上層玻璃的相對(duì)透光率減小約20%。Said等[7]指出，灰塵的累積會(huì)直接影響光伏組件的發(fā)電性能，減少光伏組件表面的積灰量是提高其發(fā)電效率的重要手段。

綜上所述可知，光伏組件表面的積灰在降低光伏組件發(fā)電效率方面有顯著影響，光伏組件發(fā)電效率會(huì)隨其表面積灰量的增加而遞減，所以定期對(duì)光伏電站中的光伏組件進(jìn)行清洗勢(shì)在必行。但隨著光伏電站規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有光伏組件清洗方式已不能滿足大規(guī)模光伏電站的清洗需求?；诖?，本文以位于廣東省河源市東源縣老圍村的某8.2 MW光伏電站為例，提出1套光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)，對(duì)該自動(dòng)清洗系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行介紹，并對(duì)應(yīng)用此自動(dòng)清洗系統(tǒng)后光伏組件的性能進(jìn)行對(duì)比。

1? 光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1? 光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)的構(gòu)成

為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有光伏組件清洗方式不能滿足大規(guī)模光伏電站清洗需求的問(wèn)題，利用本光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)同時(shí)對(duì)光伏電站的3個(gè)光伏陣列（編號(hào)分別為1#～3#）進(jìn)行清洗。本光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)清洗過(guò)程中利用水泵加壓，清洗用的水通過(guò)噴淋管道送至旋轉(zhuǎn)式噴淋頭，然后噴射到空中，以水滴的方式灑落到光伏組件上，實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)光伏陣列的光伏組件表面清洗。本光伏組件清洗系統(tǒng)由水源、水泵（包括潛水泵、噴淋水泵）、噴淋系統(tǒng)（包括管道、噴淋頭及閥門）、可編程邏輯控制器（PLC）控制柜等組成，其原理示意圖如圖1所示。

1.2? 取水方式

為保證本光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)的供水量充足，共采用兩種取水方式：一種是從深水井取水，安裝1臺(tái)潛水泵，由該潛水泵向儲(chǔ)水箱中供水，儲(chǔ)水箱的容量按照滿足最大清洗區(qū)域的噴淋用水量進(jìn)行設(shè)置；另一種是從河道中取水，在河道內(nèi)安裝1臺(tái)潛水泵，當(dāng)井水量不能滿足清洗區(qū)域的噴淋用水量時(shí)，從河道中抽取河水作為清洗區(qū)域的噴淋用水。這兩種方式相結(jié)合，即可保證光伏組件清洗區(qū)的用水量。

1.3? 管道的布置

管道采用樹枝狀管網(wǎng)布置形式，干管、支管均埋地敷設(shè)。根據(jù)光伏組件布置的長(zhǎng)度、噴淋頭的噴淋半徑及其覆蓋的有效面積，確定支管長(zhǎng)度及支管數(shù)量，在干管、支管連接處設(shè)電磁閥，干管敷設(shè)于不影響種植的地面田埂兩邊。噴淋頭接到支管末端，且支管末端必須垂直于地面，支管通過(guò)扎帶與輔助斜撐固定，以保證噴淋頭在360°噴水時(shí)的穩(wěn)定性。管道和噴淋頭的安裝位置示意圖如圖2所示。

1.4? 噴淋方案

本光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)采用的噴淋方案是通過(guò)合理布置噴淋頭，以最小數(shù)量的噴淋頭來(lái)保證每個(gè)光伏陣列的光伏組件都得到清洗；同時(shí)，使噴淋頭的重疊區(qū)域最小，以減少水耗及降低清洗時(shí)間。噴淋頭可360°旋轉(zhuǎn)，工作壓力控制在0.15～0.35 MPa之間，流量約為1.5 m3/h，噴淋半徑為12 m，并按4個(gè)圓相交重疊面積最小的方式進(jìn)行組合布置。噴淋頭的組合布置方式示意圖如圖3所示。

根據(jù)所劃分的光伏組件清洗區(qū)域的大小、噴淋頭的噴淋半徑及其組合布置方式，可確定每根支管上的噴淋頭數(shù)量為5～7個(gè)。其中，1#光伏陣列的支管數(shù)量為12根，2#光伏陣列的支管數(shù)量為18根，3#光伏陣列的支管數(shù)量為35根。光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)擬于每天00：00～05：00自動(dòng)啟動(dòng)。根據(jù)PLC程控設(shè)置，每個(gè)光伏陣列的清洗時(shí)間最長(zhǎng)不超5 h，3個(gè)光伏陣列同步進(jìn)行作業(yè)，可以在每天的00：00～05：00完成光伏組件自動(dòng)清洗工作。

1.5? 噴淋水泵選型

通過(guò)對(duì)光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，1#光伏陣列和2#光伏陣列的噴淋水泵設(shè)計(jì)流量均取10 m3/h，3#光伏陣列的噴淋水泵設(shè)計(jì)流量取20 m3/h。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，各個(gè)光伏陣列最不利的供水距離（即管道長(zhǎng)度）分別為490、310、376 m，可據(jù)此計(jì)算得出3個(gè)區(qū)域的管道水頭損失，具體如表1所示。

噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)揚(yáng)程H可表示為：

H=hf+hj+hmin+hp+hd? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：hf為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m；hmin為噴頭入口壓力，m，本文取20；hp為水泵入口的水頭損失，m，本文取0.5；hd為噴頭與水源水位差深，m，本文取3。

經(jīng)計(jì)算，1#光伏陣列噴淋水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為70.195 m，選用型號(hào)為100QJ10-80的水泵；2#光伏陣列噴淋水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為53.050 m，選用型號(hào)為100QJ10-60的水泵；3#光伏陣列噴淋水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為41.820 m，選用型號(hào)為200QJ20-54的水泵；井內(nèi)潛水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為21 m，選用型號(hào)為200QJ20-40的潛水泵。

1.6? PLC控制柜

3個(gè)光伏陣列中每個(gè)區(qū)域設(shè)置1臺(tái)噴淋水泵、1臺(tái)PLC控制柜，各支管入口處各設(shè)1套電磁閥。PLC控制柜包含主開關(guān)、水泵接觸器、PLC控制主板、分組時(shí)控開關(guān)、壓力傳感顯示裝置等，現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)自動(dòng)輪巡開關(guān)電磁閥進(jìn)行噴淋清洗，電磁閥故障時(shí)自動(dòng)切換至下一組，并發(fā)出告警。

PLC控制柜信號(hào)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制。PLC控制柜的實(shí)物圖如圖4所示。

2? 本自動(dòng)清洗系統(tǒng)對(duì)光伏組件性能的影響分析

光伏組件表面積灰是不可避免的，而積灰會(huì)直接影響光伏組件性能，對(duì)光伏電站造成經(jīng)濟(jì)損失。為對(duì)比采用本自動(dòng)清洗系統(tǒng)后對(duì)光伏組件性能的影響，以本光伏電站為例，在積灰密度一定的條件下，分別對(duì)光伏組件清洗前后的I-V特性、光伏組件表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉(zhuǎn)化效率的變化情況進(jìn)行研究。

2.1? 光伏組件清洗對(duì)其I-V特性的影響

光伏組件能夠產(chǎn)生伏特效應(yīng)主要是由其內(nèi)部的半導(dǎo)體材料決定的，當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體材料上會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)能，合理的電路回路就能產(chǎn)生電流。當(dāng)負(fù)載電阻RL為零時(shí)，加載到負(fù)載電阻的電壓也是零，此時(shí)光伏組件就會(huì)處于短路狀態(tài)，產(chǎn)生的電流為短路電流Isc。當(dāng)負(fù)載電阻趨于無(wú)窮大時(shí)，負(fù)載電路處于開路狀態(tài)，流過(guò)負(fù)載的電流為零，光電流被正向結(jié)電流抵消，光伏組件兩端電壓為開路電壓[8]。光伏組件等效電路圖如圖5所示。圖中：Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為并聯(lián)電阻；I為光伏組件輸出電流；IL為光生電流；Iph為理想電流；ID為暗飽和電流。

對(duì)光伏組件清洗前后的I-V特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：光伏組件清洗后的I-V特性曲線優(yōu)于清洗前的I-V特性曲線。這主要是因?yàn)榍逑春蠊夥M件接收的太陽(yáng)輻射增加，更利于光伏組件的光電效應(yīng)。

2.2? 光伏組件清洗對(duì)其表面溫度的影響

潔凈的光伏組件表面主要以鏡面反射為主，

而積灰的光伏組件表面以漫反射為主，相當(dāng)于在積灰的光伏組件表面增加了一層熱阻，光能投射到光伏組件后，光伏組件表面溫度會(huì)升高，而積灰會(huì)阻礙熱量向周圍耗散。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，得出了光伏組件清洗前后其表面的溫度變化曲線，具體如圖7所示。

由圖7可知：在10：00～18：00之間，環(huán)境溫度約為30 ℃，相較于清洗前的光伏組件的表面溫度，清洗后的光伏組件表面溫度更接近環(huán)境溫度。這是因?yàn)榍逑春蠊夥M件的表面反射接近鏡面反射，此時(shí)的光伏組件表面熱阻比清洗前的光伏組件表面熱阻小得多，其表面熱量能夠很好的向四周耗散。這也驗(yàn)證了清洗有利于光伏組件的光電效應(yīng)。

2.3? 光伏組件清洗對(duì)其短路電流的影響

將太陽(yáng)輻照度控制在200～850 W/m2范圍內(nèi)，在積灰密度為6.68 mg/cm2的情況下，得到不同太陽(yáng)輻照度下清洗前后光伏組件的短路電流比值，具體如圖8所示。

由圖8可知：光伏組件清洗前的短路電流與清洗后的短路電流的比值控制在1.00～1.11之內(nèi)，清洗前后光伏組件短路電流比值的最大值與最小值之間僅相差0.11，平均值約為1.05，這說(shuō)明清洗前光伏組件的短路電流比清洗后光伏組件的短路電流大。這進(jìn)一步證明了清洗后的光伏組件更利于產(chǎn)生光電效應(yīng)。

2.4? 光伏組件清洗對(duì)其開路電壓的影響

與短路電流試驗(yàn)條件相同，將太陽(yáng)輻照度控制在200～850 W/m2范圍內(nèi)，積灰密度為6.68 mg/cm2，測(cè)試不同太陽(yáng)輻照度下清洗前后光伏組件的開路電壓比值，具體如圖9所示。

由圖9可知：清洗前后光伏組件的開路電壓比值隨太陽(yáng)輻照度的增強(qiáng)而減小，且變化幅度較為均勻；清洗前后光伏組件開路電壓比值的平均值約為0.625，由此可知，相對(duì)于清洗后的光伏組件，清洗前光伏組件約有1/3的開路電壓損耗。

2.5? 光伏組件清洗對(duì)其輸出功率的影響

將光伏組件的表面積灰填充系數(shù)Pa設(shè)定為0.3，太陽(yáng)輻照度控制在200～850 W/m2范圍內(nèi)，積灰密度為6.68 mg/cm2。測(cè)試不同太陽(yáng)輻照度下清洗前后光伏組件的輸出功率比值，具體如圖10所示。

由圖10可知：清洗前后光伏組件輸出功率比值的平均值約為0.645，即由于光伏組件表面的積灰導(dǎo)致其有將近35.5%的輸出功率損耗，這說(shuō)明光伏組件表面的積灰對(duì)其輸出功率影響很大。

2.6? 光伏組件清洗前后對(duì)其光能轉(zhuǎn)化效率的影響

光伏組件表面積灰的積聚過(guò)程為：潔凈→稀疏灰塵粒子聚集→稠密灰塵粒子聚集。測(cè)試過(guò)程中根據(jù)光伏組件表面積灰填充系數(shù)將積灰表述為不同的狀態(tài)，其中：將Pa=0劃分為“無(wú)積灰狀態(tài)”；01劃分為“稠密積灰狀態(tài)”，以灰塵稠密粒子厚度δ來(lái)表示積灰程度。不同灰塵粒子尺度參數(shù)下的光能轉(zhuǎn)化效率t與灰塵稠密粒子厚度和光伏組件表面積灰填充系數(shù)有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)得出不同灰塵粒子尺度參數(shù)下的光能轉(zhuǎn)化效率曲線，具體如圖11所示。

由圖11可知：光能轉(zhuǎn)化效率隨著灰塵粒子尺度參數(shù)的增大而減小，即光伏組件表面積灰密度直接影響其光能轉(zhuǎn)化效率。因此，光伏組件的清洗對(duì)光伏電站中光伏組件的光能轉(zhuǎn)化效率和輸出功率存在較大影響。

3? 光伏組件清洗對(duì)光伏電站經(jīng)濟(jì)性的影響

以本光伏電站為例，根據(jù)中國(guó)部分省市光伏電站最佳安裝傾角及發(fā)電量速查表可知，廣東省河源市光伏電站的年有效利用小時(shí)數(shù)為1055.36 h，因此本光伏電站的年發(fā)電量為8653952 kWh，平均日發(fā)電量為23709 kWh。根據(jù)本電站光伏組件的出廠性能可知，其光電轉(zhuǎn)換效率平均值為22.5%。根據(jù)不同灰塵粒子尺度參數(shù)下的光能轉(zhuǎn)化效率損失計(jì)算得到相應(yīng)的光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率損失?η，其為光伏組件清洗后的光電轉(zhuǎn)換效率平均值與不同灰塵粒子尺度參數(shù)下得到的光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率平均值的差值，計(jì)算式為：

Δη=22.5%–? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

不同灰塵粒子尺度參數(shù)下得到的光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率平均值如圖12所示。

由于是以同一個(gè)光伏電站為例分析因積灰造成的發(fā)電量損失，因此不考慮光伏組件面積、裝機(jī)容量大小等影響因素，僅以灰塵造成的光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率降低作為發(fā)電量損失的影響因素進(jìn)行分析。

結(jié)合式（2）和圖12可知：本光伏電站的日發(fā)電量損失為23709?η。

按照本光伏電站含補(bǔ)貼的上網(wǎng)電價(jià)為0.8元/kWh計(jì)算，可得出本光伏電站不同灰塵粒子尺度參數(shù)下的日經(jīng)濟(jì)損失，如圖13所示。

由圖13可知：光伏組件表面處于稀疏積灰狀態(tài)時(shí)，光伏電站經(jīng)濟(jì)損失隨著光伏組件表面積灰填充系數(shù)的增大而增大；當(dāng)光伏組件表面處于稠密積灰狀態(tài)時(shí)，光伏電站的經(jīng)濟(jì)損失基本平穩(wěn)，日經(jīng)濟(jì)損失最高可達(dá)4268元。因此，根據(jù)光伏組件表面的清潔度可以有效預(yù)測(cè)光伏電站的經(jīng)濟(jì)損失，可以利用光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)進(jìn)行光伏組件清洗，以提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)性。

4? 結(jié)論

針對(duì)積灰影響光伏組件發(fā)電量且現(xiàn)有光伏組件清洗方式不能滿足大規(guī)模光伏電站清洗需求的情況，本文設(shè)計(jì)了1套光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)，對(duì)該自動(dòng)清洗系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析；然后以某8.2 MW光伏電站為例，研究了清洗前后光伏組件的I-V特性、表面溫度、短路電流、開路電壓、輸出功率、光能轉(zhuǎn)化效率的變化情況；最后分析了積灰對(duì)光伏電站經(jīng)濟(jì)性的影響。研究結(jié)果顯示：

1）光伏組件清洗后的I-V特性曲線優(yōu)于清洗前的I-V特性曲線；

2）相較于光伏組件清洗前的表面溫度，清洗后其表面溫度更接近環(huán)境溫度；

3）清洗前、后光伏組件短路電流比值的平均值約為1.05，這說(shuō)明清洗前光伏組件的短路電流比清洗后的短路電流大；

4）清洗前后光伏組件開路電壓比值的平均值約為0.625，由此可知，相對(duì)于清洗后的光伏組件，清洗前光伏組件約有1/3的開路電壓損耗；

5）清洗前后光伏組件輸出功率比值的平均值約為0.645，即由于光伏組件表面的積灰導(dǎo)致其有將近35.5%的輸出功率損耗，說(shuō)明光伏組件表面的積灰對(duì)其輸出功率影響很大；

6）光能轉(zhuǎn)化效率隨著灰塵粒子尺度參數(shù)的增大而減??；

7）當(dāng)光伏組件表面處于稠密積灰狀態(tài)時(shí)，光伏電站的經(jīng)濟(jì)損失基本平穩(wěn)，日經(jīng)濟(jì)損失最高可達(dá)4268元。

本光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠精準(zhǔn)控制每個(gè)光伏陣列的清洗時(shí)間，且靈活性強(qiáng)、適用范圍廣，具有良好的推廣價(jià)值。

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Research on application of automatic cleaning system for PV modules

Hou Zhiguo，Zhang Guangkui，Mo Penghui，Li Jingming，He Jinguo

（Dongyuan County Laowei Photoelectric Technology Co.，Ltd.，Heyuan 517000，China）

Abstract：In response to the impact of dust accumulation on the power generation capacity of PV modules and the inability of existing PV module cleaning methods to meet the cleaning needs of large-scale PV power stations，this paper designs an automatic cleaning system for PV modules. The automatic cleaning system consists of a water source，water pump，spraying system，and programmable logic controller （PLC） control cabinet. It can simultaneously clean three PV array，achieving automatic cleaning of PV modules. Then，taking an 8.2 MW PV power station as an example，the I-V characteristics，surface temperature，short-circuit current，open-circuit voltage，output power，and solar energy conversion efficiency of PV modules before and after cleaning are studied. Finally，the impact of dust accumulation on the economy of PV power stations is analyzed. The research results show that：1） Compared with before cleaning，the I-V characteristics，surface temperature，short circuit current，open-circuit voltage，output power，and solar energy conversion efficiency of the cleaned PV modules have been significantly improved；2） When the surface of PV modules is in a dense dust accumulation state，the economic loss is basically stable，with daily economic loss of up to 4268 yuan. This indicates that it is particularly important to regularly clean PV modules using an automatic cleaning system for PV modules.

Keywords：PV power stations；PV modules；automatic cleaning system；dust accumulation；output power；power generation capacity