积灰阴影遮挡对光伏发电系统的影响

张佳平

国家电网上海市北供电公司

0 背景

地球上的太阳能资源比较丰厚，而且资源的分布也是比较广泛的，对太阳能资源进行大规模的开发利用前景也是相当的可观。目前，主要以火电方式进行的发电，不仅其利用率比较低，而且会产生大气污染。近年来，公众对于环境保护的意识也在不断加强，急需寻求可代替煤炭的可再生能源进行发电，而光伏发电的无污染以及取之不尽、用之不竭的优点，已经得到了全球人类的普遍关注。太阳能发电技术进步飞快，产业规模持续壮大，在世界已实现较大规模的应用。数据显示，截至2018年底，全球光伏累计总装机容量达480 GW。预计2030年全球光伏累计装机容量有望达到1 721 GW。光伏发电将在未来成为主要的发电方式之一。

在全球一体化经济市场的带动下，太阳能在中国也得到了相关科学领域的重视，其衍生的光伏产业同时得以迅猛发展。从发展走势上来看，光伏发电很快就会成为技术过硬、经济合理、具备持续发展条件的可再生能源，对我国实现能源转型，控制传统能源消耗总量起到了至关重要的作用。

1 积灰阴影对光伏电池系统的影响

本文在讨论课题之前，先简单阐述一下光伏电池的发电原理。我们常说的光伏电池板，也就是可以把太阳光变成电能的一种设备，它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。这种转化在物理学上又可以称为光伏效应，简称光伏。

太阳能电池是一种可进行光电转换的元件，它最基本的构造：P型半导体与N型半导体（如图1所示）；组成半导体的成分是“硅”，硅材料本来是不能够导电的，然而若在半导体材料中加进去各种不同的杂质，这样一来就能够形成P型与N型半导体，再接着利用P型半导体的一个空穴（此时的P型半导体相当于带了一个单位的正电荷），而相对应的是N型半导体相当于带了一个自由电子，二者从而形成电位差来产生电流；在光照射下，光能量能够将硅原子中的电子激发出来，从而形成电子与空穴的对流，汇聚在两端。半导体p-n结在光照条件下，会形成新的空穴-电子对，在p-n结电场作用下，与外界连接之后就会形成回路，即有电流产生，上述就是太阳能电池发电的基本原理[1]。

图1 太阳能电池基本构造

1.1 积灰的来源与形成

光伏组件由于安装时间较长，在组件的表面就会形成灰尘，灰尘的主要成分就是悬浮在空气中的微粒，直径一般较小。积灰微粒的主要来源如燃烧烟尘、汽车尾气、工厂排气等，还有另外一种重要来源之一就是生物物质，如鸟粪、花粉、抱子等（见图2）。

灰尘的来源、形成时间、大小、密度、导电性和导热性等均不相同。在这些性质中，导热系数和灰尘粒径与光伏工程有紧密的联系。

不同性质的灰尘会有不同的导热系数，导热系数的不同会对光伏组件板产生的热平衡也不相同，从而使得有不同积灰及较清洁的光伏组件温度存在明显差异，由于组件表面温度的不同，对组件发电效率有着不同程度的影响。

灰尘是形状多种多样不规则的固体杂质，具有极强吸水性。当在光伏电池板表面形成大量积灰时，如果电池板附近的相对空气湿度已经达到足以将水汽形成水滴的程度时，积灰容易吸收空气中的水滴，积灰在吸收到一定的水分达到饱和时，再沿电池板的坡面向下滑动，滑动所经过的路径就能产生不同的积灰形态。

太阳能电池板表面的灰尘中的颗粒多，表面积非常大，且具有较强的吸水性，容易将空气中的有害物质等杂质物质吸附在颗粒表面，使得其显现出酸性或碱性。较强的吸水性会与灰尘颗粒中的黏土发生水解反应，分解出胶黏状的AI(OH)3，带有碱性。灰尘的这些性质使得电池板的表面反应出酸性或者碱性，酸碱性对光伏板的腐蚀作用是不同的，腐蚀作用越强，电池板的受损越严重，对发电效率越不利。根据灰尘颗粒的特性表现出来的化学性质不同，可以将灰尘分为酸性、中性和碱性积灰。

根据电池板表面灰尘的附着状态以及去除灰尘的难易程度，可以将灰尘分为干松积灰和黏结积灰。

干松积灰。灰尘附着在电池板上容易被去除，灰尘的颗粒都很细小，形成干松积灰。干松灰的积聚过程可以用物理现象来解释，干松灰尘中无黏性成分，灰粒与灰粒之间呈松散状态，易于吹除。

黏结积灰。当空气水汽及相对湿度较高时，灰尘颗粒极易吸收水分，且吸附性非常强，这些颗粒就会由于吸收了水分及空气中的颗粒物黏附在电池板的表面上，会形成较强黏性的积灰，在太阳光的作用下，等灰尘吸收的水分蒸发后，灰尘就会再形成一个坚硬的结晶状外壳，吸附在光伏板表面（见图3）。

1.2 积灰对透光率的影响

当电池板的表面形成积灰时，积灰的存在不仅遮挡了光伏电池对太阳辐射的吸收，相当于积灰间接减少了太阳辐照强度，降低了电池板的发电量，而且太阳入射光线照在电池板表面的积灰上，由于积灰颗粒的形状的不规则，使得太阳光线在电池板上的传播发生了不同程度的散射和反射。

图3 干松积灰（上） 黏结积灰（下）

图4 灰尘遮挡示意图

电池板的组成一般包括：位于电池板最上层的为玻璃盖板，玻璃盖板一般是用钢化玻璃制作而成，钢化玻璃起到保护电池主体的作用，而且透光率高；上层和下层的EVA聚合物，EVA聚合物用来连接最外层的钢化玻璃和电池片；电池片位于电池板的中间部分，不容易受损；电池板的最下层为背板TPT层。

根据物理上太阳光线的传播原理，在波长一定的入射光线下，太阳光线照射到电池板时，首先到达最上层的玻璃盖板，此时光线会在玻璃面上发生折射和反射。折射后的太阳光线会照射到电池板的电池片上，产生光电效应使得电池片中的电子发生运动，反射的光线会再反射到大气中。如果在电池板的玻璃盖板上存在灰尘颗粒时，太阳光线的传播路径就会与之前的传播有所不同。如图4所示，假设太阳光强为E的光线照射电池板表面时，灰尘的存在就会吸收和散射一部分的光线，图中的△E1表示光线被灰尘吸收后由光能变为热能的部分，后者△E2表示灰尘将光线散射掉的部分能量，图4中的E1光线是太阳光线经过灰尘的散射作用再照射到上层玻璃盖板上的光线，E1在玻璃盖板上又会形成折射和反射的传播过程。综上所述，电池板表面的积灰遮挡，会使得进入玻璃盖板的能量较无积灰时要少(E-E1)即(△E1+△E2-E1)。

根据图4中光线传播的理论分析，在电池板表面存在灰尘时，会减少太阳光线照射到电池板玻璃盖板的能量，从而间接降低太阳辐照强度，使得光电转换效率降低，发电量减少。

1.3 积灰对光伏组件的腐蚀

灰尘颗粒由于吸收空气中的水汽、杂质物质以及有毒物质所表现出来的不同化学性质，会呈现不同的酸碱性，酸碱性的不同在光伏电池板的表面经过时间的积累就会腐蚀最上层的玻璃盖板。这是因为玻璃盖板的钢化玻璃是由Si02和石灰石等主要成分构成，在酸性或者碱性的环境下，Si02和石灰石会与其发生化学反应形成腐蚀，会在玻璃表面形成许多凹面。当太阳光入射到电池板的表面，细小凹面的存在形成漫反射，增加了光线的反射能量，影响太阳光线在光伏组件中传播的均匀性，减少了到达电池板中电池片的太阳光能量。由上述分析可见，积灰对光伏组件产生的腐蚀，也会导致光伏系统发电效率的降低，发电量的减少（见图5）。

图5 光线传播示意图(腐蚀状况)

1.4 热斑效应

当电池板表面形成积灰时，会对太阳光线的入射形式发生改变，影响光伏电池板的发电效率。光伏组件在长期使用中，也有可能会由于电站建设所处地理位置等因素的影响，在组件的局部表面会落上鸟粪等遮挡物，遮挡物的存在使得光伏组件表面形成了阴影。局部阴影的存在，会影响太阳能电池板上接受到太阳辐照的强度，在局部阴影遮挡下的电池板表面，所吸收的太阳辐照强度就会较弱。由光伏伏打效应可知，较低的辐照度会使其电池输出的电压和电流较低，由于光伏阵列是由众多电池串联构成的，被遮挡的电池产生较低的电流与未被遮挡的其它串联电池所产生的电流不等，由基尔霍夫电流定律可知，此时被遮挡的电池就会变成负载，由于成为负载吸收能量就会使得遮挡电池的温度很高，当温度达到一个极限值时，会烧坏电池在表面形成暗斑，这种现象叫作“热斑效应”。实际使用光伏组件中，如果热斑效应所产生的温度比电池的极限温度要高，会融化组件上的焊点，破坏栅线，使得整个光伏方阵彻底报废。

阴影遮挡的存在会影响甚至烧坏电池，影响光伏发电效率。为了避免由于热斑效应而破坏太阳能电池，可以在多个电池组件的正负极间并联一个旁路二极管（见图6）。

2 积灰对光伏发电输出特性的影响及实验

2.1 积灰对光伏电池组件的影响

本文通过对大楼光伏电池系统观察发现，屋顶光伏板表面有不同程度的堆积灰尘，这些灰尘可能不同程度地影响着光伏发电效率，因此原本将实验锁定大楼的光伏系统，但由于去年整体受疫情等种种原因的影响未能如愿。但本文还是获得了来源于我国武汉地区某并网光伏电站的光伏发电量资料，其中光伏阵列倾角为40°，朝向南偏东9°。该观测站位于武汉市东西湖慈惠农场（见图7）。

利用MATLAB应用软件，以太阳能电池的工程实用模型为基础，结合光伏阵列中光伏电池的串并联理论知识，建立了传统局部阴影条件下光伏阵列的数学模型（见图8、9）。

图6 并联了旁路二极管的光伏电池模型

图7 大楼屋顶光伏电池板

图8 MATLAB光伏电池阵列模型

图9 阴影遮挡下的两个串联光伏电池

图10 P-V特性曲线中很明显存在两个峰值。在传统的P-V特性曲线中电池仅存在一个最大输出功率点。主要是由于通过改变组件中电池的辐照强度来模拟实际中电池表面的积灰和阴影遮挡的效应，使得光伏阵列中的电流出现不平衡，从而导致了上述光伏阵列中的P-V曲线和I-V曲线呈现多峰和阶梯形状，在仿真模型中并未考虑二极管的损耗以及组件串联失配等其它影响因素。

综上所述，积灰阴影的存在影响光伏阵列的最大输出功率，积灰以及局部阴影存在的面积越大，电池输出功率的损失就会越大[2]。

2.2 积灰对光伏电池系统的影响

使用MATLAB应用软件，通过改变辐射强度模拟在积灰阴影条件下的电池，进行分析研究。在已完成的电池模型的基础上，搭建包含实现MPPT的Boost电路模型（见图11）。

图10 光伏阵列P-V特性曲线（左）光伏阵列I-V输出特性曲线（右）

图11 MATLAB搭建MPPT系统仿真

2.2.1 用于MPPT的BOOST电路原理

将光伏阵列的输出侧等效为一个含有内阻的电源，Boost后级输出侧等效为一个可变负载阻抗，通过不断调整后级输出侧的负载，使得可变负载的值与电源的内阻相等时，此时光伏阵列的输出功率最大。

如果能通过控制方法实现负载阻抗的实时调节，保证负载阻抗一直与光伏阵列的输出阻抗相等，那么就相当于实现了对负载阻抗的实时调节，从而实现光伏阵列输出最大功率的跟踪控制。可以通过控制实现Boost电路占空比D的变化，等价于改变Boost后级输出侧的负载阻抗，从而使输出功率达到最大（见图12）。

图12 BOOST等效电路

如图13中所示，假设电路中的电感L、二极管VD、开关S和电容C均为理想器件，电路的功率从输入到输出的过程没有损耗。

图13 BOOST电路

当功率开关S导通时，光伏电池组对电感L进行充电，二极管VD关断，此时L中的电流上升，L两端的电压等于光伏电池组的输出电压。

当功率开关S关断后，电感L开始放电，同时给电容C充电，此时输出侧电阻消耗电能，电感两端电压与输入电源的电压叠加，使输出端产生高于输入端的电压。

Boost电路输入输出的电压关系为：

在上图Boost电路中，由于Boost变换器的输出侧为蓄电池组，开关管S断开时，电路输出电压Vo的值将被箝位于蓄电池组两端的电压。

由于输入端电压Vin最高为光伏电池的开路电压Voc，而Voc＜Vo，存在一个占空比D的下限值Dmin，只有满足在D＞Dmin的条件下，光伏电池的输出能量才能对蓄电池组的充电电流产生影响。

该值可按下列方法求出，设输入端电压为光伏电池的开路电压Voc，则由式(1)可得：

由上式可得：

当使用某种方法将BOOST电路的输出电压Vo保持不变的情况下，通过改变占空比D由公式（1）可知，此时电池组件的输出电压也会改变。由此可得：

因此，Boost电路的输入端电压Vin可在0～Voc之间变化。只要光伏电池的开路电压在一定的范围之内，都是可以通过改变Boost变换器的D，实现光伏电池最大输出功率点对应的Vin值[3]。

建立简单的光伏发电系统模型（见图14）。

图14 光伏电池最大功率跟踪控制方法

2.2.2 MPPT基本原理

目前，MPPT算法一般是通过采样光伏阵列实时电压、电流值，计算得到此时的功率，然后与前一时刻的功率相比较，舍小存大，不断调节工作点电压(或电流)，这样逐渐向最大功率点靠拢。控制框图如图15所示。

图15 MPPT控制框图

最大功率点跟踪控制算法实际上是一个自动寻优的过程，光伏电池的P-V输出特性曲线如图16所示。

图16 光伏电池P-V曲线

由图16可知，当光伏阵列输出的电压在最大功率点电压Um左边时，通过MPPT的控制作用，使光伏电池工作电压逐渐升高（此时减小D），向最大功率点电压处靠拢。而当在Um右边时，通过MPPT的控制作用，使光伏电池的工作电压逐渐下降，直到无限接近最大功率点电压。

为了保证供给负载的电能质量和转化效率，使光伏阵列在光照强度和温度发生变化的时候能实时跟踪这种变化，及时反馈，经过算法的计算迅速找到新的状态下的最大功率点。

2.2.3 增量电导法

它是通过控制算法改变光伏阵列的输出电压，找到在一定的辐照度和温度的条件下，光伏组件的最大输出功率点处所对应的电压值，实现光伏板式中能够输出最大功率(MPP)。上述流程图中，通过判断电压和功率的比值是否达到最大功率点，如果没有，给电压一个该变量不断地进行调节，直至找到最大输出功率点的电压值。虽然理论上分析是可行的，但是此方法中需要灵敏度较高的电压电流传感器，且给定电压值的该变量也是不容易确定的，如果该变量太大，则在达到最大功率点处光伏板的输出电压会有一个较大的波动；若该变量太小，则电路需要很长时间才能达到稳定状态（见图17）。

图17 增量电导法的MPPT控制算法流程图

2.2.4 仿真实验

通过理论分析，建立MATLAB仿真电路模型，光伏电池模型选用2．2小节所建立模型。建立基于MPPT控制的Boost电路，MPPT的控制算法选用传统的增量电导法来实现，首先将电池板的输入空气温度设定在25℃，在辐射量设定在1 000 W/m2的情况下，此时光伏发电仿真系统在MPPT控制下功率的输出特性如图18所示。

在辐照度和温度都确定的情况下，应用MPPT控制，可以实现电池输出功率的最大控制，经过大约0．2 s的时间，电路保持稳定状态。

图18 通过MPPT控制下光伏电池系统的P-T输出特性曲线

文中通过改变电池板表面的辐照强度来模拟光伏电池板表面的积灰和阴影遮挡。此时将辐照度设定在1 s时由1 000 W/m2降低到600 W/m2来模拟积灰阴影，在MPPT控制下，得出光伏电池系统仿真的输出特性。

图19 模拟积灰情况下电池输出的功率变化曲线

分析图19，不难发现，在辐射量下降时，光伏电池系统的输出发电量也明显下降，也就意味着，积灰阴影对光伏电池发电系统是有实际影响的，即表面积灰越多，相同外界条件下，光伏电池发电系统的输出特性越差，输出效率越低。

2.2.5 实验数据

光伏组件材料为多晶硅，型号MSK PGC170，研究的阵列峰值功率为5．1 kW，光伏组件的面积有38．01 m2，逆变器型号为SMC 6000，逆变器欧洲效率为95．1%。光伏电站所采集的数据为17块不同倾角下光伏阵列的发电量数据，17个光伏阵列的不同倾角分别为水平、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、东墙、西墙。采集的数据样本日期为2019年的9月27日-28日，12月23日-24日的发电量。其中9月27日傍晚和12月23日傍晚对17块阵列电池的表面进行了清扫（见表1）。

根据表1中清洗前后的发电量数据，作图如20所示，从两个图中可以明显地比较出，在光伏板清洗过后其发电量会有一个明显的增加，但是光伏板的倾角不同，其输出发电量的增加情况也不尽相同，且发电量增加的程度也会与月份有一定的相关性。随着电池板倾角的增加，发电量也在增加，在9月份和12月份时，倾角达到80o时，发电量增长率最大，分别为112．819%和37．2 592%。对比9月份和12月份增长的发电量可见，9月份电池板经过清洗之后发电量增长率明显大于12月份的增长率，这也主要是因为在12月份冬季太阳辐照强度较弱，电池板原本的发电量较少（见表2）。

表1 清洗前后不同倾角电池板发电量数据

表2 不同月份不同倾角下发电量增长率

图20 清洗前后的发电量对比

2.2.6 积灰清理

根据仿真模型的搭建和实验数据的分析比较，积灰阴影遮挡实际上会对光伏发电系统产生较大影响，降低了发电量，其影响不能忽视。为了减少积灰以及阴影遮挡对光伏发电系统产生的影响，依据相关专家学者目前关于积灰清扫的研究进展，以及对于文中理论分析和总结，提出以下建议。

1）可以根据肉眼可见的光伏组件表面实际的积灰情况，定期地对光伏组件进行人工清洁。

2）设计制造各种自清洁光伏组件技术，以减少积灰对光伏组件发电性能的影响，提高组件实际运行过程中的发电效率，比如设计能根据不同的天气类型自动地对组件表面进行清洁，提高发电效率。

3）通过光伏电站不同倾角下的电池板发电量及积灰情况，选取最佳倾角，使得光伏组件的积灰量最少。

4）在设计光伏阵列的前后距离时，保证后排光伏阵列的下沿不会被前排的阵列所遮挡，产生阴影遮挡，影响后排阵列的发电效率。

虽然目前设计的积灰清扫器件及其它相关技术研究较多，但应用最多的还是以人工清洁为主，因此找到一种实用的、经济的、对光伏组件表面自然积灰自清洁效果好的技术仍有待研究。

3 展望

毫无疑问，相比传统化石燃料发电技术，光伏发电技术拥有着巨大的先天优势以及美好的发展前景。

本文通过分析，了解到气象环境因子以及积灰阴影遮挡对于太阳能光伏发电量有着极其重要的影响。适宜的气象环境和清洁的光伏电池组件不仅能够明显提高光伏发电效率，甚至在光伏发电不断市场化的今天，决定着一座光伏电站的生存兴亡。

同时，我们也要看到，光伏发电目前仍然不能够取代传统化石燃料发电成为主要的发电形式。发电量小，输出不稳定，成本高这些因素都极大地制约着光伏电站的投产运行。此外，除了气象环境因子、积灰阴影，其他客观因素也同样会对太阳能光伏发电产生影响，光伏组件的特性和质量、逆变器整机效率和最大功率峰值跟踪光伏等均影响光伏出力，人们正在努力进行相关领域的研究[4]。