灰尘对光伏电站发电性能的影响

林志鸿，曾 飞，王 哲，胡振球，梁健锋

（广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528300）

光伏发电占我国总发电量的比例在逐步上升，在我国的发电结构中占有越来越重要的地位。但长时间在户外运行的光伏发电系统的性能难免会受到周围环境的影响，特别是积灰对光伏组件光电转换效率的影响。同种型号的组件在相同的辐照条件下，积灰组件的输出功率远低于无积灰的组件。此外，因为灰尘吸收太阳辐射可使组件表面升温，一些含有腐蚀性成分的灰尘在高温下加速与玻璃的化学反应，从而降低其光电转换效率[1]。因此，灰尘是影响光伏电站发电性能的关键因素之一。

1 灰尘的来源

灰尘的来源主要有两个方面：（1）自然来源，如土壤、砂石风化以及火山爆发、山林火灾等；（2）人为来源，如人类的生活和生产活动产生的，如生活活动污染源、工业生产污染源及交通运输污染源等[2]。

分布式光伏电站大部分安装在工业厂房屋顶，该类光伏电站的灰尘主要来源为工业废气，成分有加工粉尘、酸碱颗粒和油性废气等，大部分为污染性强、较难清洗的灰尘。

集中式光伏电站主要安装在山地、水面及平原等地方，该类光伏电站的灰尘主要来源为扬尘、沙石风化、秸秆焚烧和垃圾焚烧等，大部分属于易清洗灰尘。

2 灰尘对光伏电站发电的影响

2.1 灰尘分类

从对光伏组件污染性大小方面考虑，灰尘分为普通灰尘、酸碱性灰尘以及油污性灰尘。

普通灰尘为覆盖在光伏组件表面上，用清水能轻易冲洗的无机或有机灰尘。主要成分为土壤扬尘、沙石风化、谷物尘以及毛发粉尘等细小颗粒。

酸碱性灰尘则是与水汽结合后能与光伏组件表面玻璃盖板发生化学反应的灰尘。如：煤厂、氮肥厂生产过程产生的灰尘。

油污性灰尘则是工厂生产的油烟、油雾、沥青烟、焦炉烟以及柴油机尾气中的颗粒物等，该类灰尘吸附在光伏组件表面，用清水难以清洗干净，需要用特定的清洁剂清洗。

2.2 普通灰尘对光伏电站发电的影响

普通灰尘在风力系统的作用下，飘到光伏组件表面，随着时间的推移，越积越多，从而影响光的入射，导致光伏组件发电效率降低，发电量受损，如图1所示。有研究表明自然天气条件下光伏组件在积灰初期发电量受灰尘的影响较大[3]，当灰尘累积到一定程度时，光伏组件发电量受积灰的影响越来越小。

图1 灰尘遮挡的组件

此外，积灰还会阻挡光伏组件的热量向外传递，从而导致输出功率下降。有研究表明太阳电池温度每上升1℃，输出功率约下降0.5%[4]。当积灰到一定程度时，被灰尘遮挡的部分由发电单元变为耗电单元，升温速度远大于未被灰尘遮挡的部分，致使温度过高出现热斑现象，降低发电功率。光伏组件热斑现象如图2所示。

图2 灰尘造成的组件热斑

2.3 酸碱性灰尘对光伏电站发电的影响

酸碱性灰尘除了含有普通灰尘所具有的特性外，还能与光伏组件面板的玻璃成分发生酸性或碱性化学反应。随着玻璃在酸性或碱性环境里的时间增长，玻璃表面就会慢慢被侵蚀，从而在表面形成坑坑洼洼的现象，如图3所示，影响光线入射，导致实际到达光伏电池表面的能量减少，降低光伏电池发电量。这个影响效果是不可逆的，故在该环境下运行的光伏发电站发电量会出现不可逆的发电效率损失。

图3 酸碱性灰尘造成的玻璃腐蚀

2.4 油污性灰尘对光伏电站发电的影响

油污性灰尘除了含有普通灰尘所具有的特性外，还能在光伏组件表面玻璃盖板上形成油膜，如图4所示，从而使得组件表面更易吸附灰尘，致使组件温度更高，发电功率下降更快。

图4 油污性灰尘造成的遮挡

在清洗油污性灰尘时，单单使用清水是无法冲洗干净的，还需要另外配合特定的清洁剂来清洗。故在雨天过后，受油污性灰尘污染的光伏电站发电量提升效果远低于受普通灰尘污染的光伏电站。若长期在油污污染的环境下运行，光伏电站的发电效率同样会出现不可逆的损失。

由于灰尘对电站发电存在温度、遮挡和腐蚀等影响因素，为了控制灰尘对光伏电站发电性能的影响，在灰尘遮挡损失超过相关标准[5]的要求时，建议对光伏电站进行一次清洗工作。

3 灰尘对光伏发电影响案例

本文对广东省广州市某个分布式屋面光伏电站进行研究，测试清洗前后的组件发电功率及系统能效比（PR），评估灰尘对光伏电站发电性能的影响。该电站建设在汽车工业园，为混凝土屋顶，容量为6 279.24 kWp，南北面安装倾角分别为朝南5°和朝北5°，2020年9月份建成后至测试时约半年时间，一直未清洗，于2021年4月11日测试清洗前PR值，4月12日从现场随机抽取5块组件进行最大功率测试，7月5日由运维人员对电站组件进行整体清洗，7月7日测试清洗后PR值，7月8日对相同的5块组件进行最大功率测试。

3.1 清洗前光伏电站的发电情况

电站清洗前组件表面有明显积灰，集中在边缘一侧，如图5所示。

图5 电站清洗前组件外观照片

电站清洗前测试电站PR值，抽检5块组件进行最大功率测试，计算平均污渍损失率，结果见表1。

表1 电站清洗前组件测试数据

由数据可得，在光伏电站长期未清洗的情况下，积灰对光伏组件的发电功率影响较大，功率损失比率平均值高达15.27%。

在半年未清洗的条件下，对该光伏电站的整体发电效率进行一个晴朗日的测试，结果见表2。

表2 电站清洗前PR值

为排除温度的影响，对实测的PR值进行温度修正，修正到STC条件下，见表3。

表3 电站清洗前PRSTC值

由结果可得，该光伏电站在清洗前的整体发电效率为72.62%，进行温度修正后的发电效率为76.93%。

3.2 清洗后光伏电站的发电情况

电站清洗后组件表面积灰基本清洗干净，如图6所示。

图6 电站清洗后组件外观照片

清洗后对表1中的5块组件重新进行功率测试，结果见表4。

表4 电站清洗后组件测试数据

在进行大规模的组件清洗之后，仍然存在轻微的灰尘遮挡功率损失，平均值为0.81%。此时对该光伏电站的整体发电效率进行一个晴朗日的测试，结果见表5。

表5 电站清洗后PR值

为排除温度的影响，对实测的PR值进行温度修正，修正到STC条件下，见表6。

由结果可得，该光伏电站在清洗后的整体发电效率为81.52%，进行温度修正后的发电效率为87.07%。

综上所述，该光伏电站在长期未清洗的情况下，组件标准条件下的功率值平均损失达15.27%，对应的发电效率PR值为72.62%，温度修正后的PRSTC值为76.93%；清洗后积灰基本清洗干净，污渍损失率大大降低，平均损失为0.81%，PR值提高到81.52%，增幅达8.90%；考虑到清洗前后测试日期的季节差异带来的组件结温影响，修正到PRSTC后增幅为10.14%，可见灰尘遮挡对光伏电站发电性能影响非常大。假设第二次PR值测试时电站仍未清洗，则发电量减少8.90%，减少发电量3 402 kW·h。

4 结束语

本文对一个约半年未清洗的汽车工业园混凝土分布式光伏电站进行分析，得出长期积灰对电站光伏组件的发电性能存在很大影响。由于积灰从温度、遮挡和腐蚀等方面影响光伏组件的发电，严重时会出现热斑，大大增加电站安全风险，建议根据光伏电站组件的积灰情况进行评估，在达到某一值时，应对所有组件进行清洗，减少积灰对电站发电的影响，消除潜在的安全隐患。