水清洁对光伏组件输出功率的影响

闫梦迪，钱亚楠，朱玉婷

(1. 华北电力大学(保定)动力工程系，保定 071003；2. 华北电力大学(保定)电力工程系，保定 071003)

0 引言

光伏发电作为一种新兴能源技术，具有广阔的发展前景。从光伏产业规模可以看出，近年来中国光伏产业发展迅猛：2010—2020年，中国的光伏组件产能从20 GW增至192.7 GW，年复合增长率达到25.4%[1]。但是目前光伏组件的清洁技术尚未成熟，难以同时满足提高清洁效率和降低清洁成本的要求，因此需要制定合理的清洁方案，进一步提高光伏组件的输出功率。因此，研究清洁用水量及积水残留对光伏组件造成的影响具有重要意义。

光伏组件表面清洁度对其输出功率有重要影响，因此在环境较湿润地区的清洗频率一般为3～5个月清洗1次，在环境较干燥地区的清洗频率一般为每月清洗1次。据此，光伏组件的清洁市场广阔[2]，并且实现清洁装置的低成本和高效率运行具有重要的经济价值。

检索文献可知，现有的光伏组件清洁方法主要包括：1)自然除尘法。该方法是利用大自然的降雨、风力对光伏组件进行自然清洁，但仅适用于年降水量为800～1000 mm的中国南方地区，具有较强的地域局限性。2)人工清洁法。该方法是目前中国许多光伏电站主要采用的清理方式[2]，是通过人工使用水枪或滚刷、清洁布对光伏组件进行清洁[3]，操作简单，但人工清理劳动强度大，高压水枪的冲击力也可能对光伏组件造成损害。3)车载移动式清洗机。徐巧年等[4]认为，采取车载移动式清洗机适合沙尘多且远离水源的自然环境，使用便捷且利于节约用水，具有较高的清洁效率。但是车载组件清洁车体积大、售价昂贵，只能局限于大型平原地面光伏电站应用，不能普遍投入使用，而且机械类清洁装置存在综合功耗大、智能化程度不高等问题。4)无水除尘。汪继伟等[5]调查发现，电帘除尘技术在航空航天领域的光伏组件上已经得到成功应用。该技术实现了无水化清洁，清洁效率高，但是该技术的成本较高，仅适用于面积较小的光伏组件，对目前大型光伏电站并不适用。王哲等[6]利用伯努利“边界层表面效应”及吸尘器原理研究了一种光伏组件无水清洁自动装置。姜振海等[7]对光伏组件无水除尘装置进行了优化设计，利用有限元仿真法验证上端限位系统的刚度和强度，对传动轴进行轻量化设计，同时进行除尘试验，并设计了除尘率最高时该装置的工作参数。李枫[8]设计了一种干式除尘的光伏组件清洁机器人，依靠真空负压作用，使其能在无水、无清洁剂条件下快速完成清洁工作，但无水清洁的除尘、除污效果，清洁效率，可靠性都有待研究进一步改进。

积水及清洁效果都会对光伏组件的输出功率产生直接的影响，由于积灰的成分复杂，当积灰沉积过程中碰到空气中的水蒸气或受降水影响，会在光伏组件表面产生酸碱反应腐蚀光伏玻璃盖板，使太阳光线发生漫反射现象；若降水后在光伏组件表面有水珠聚集，会造成光线发生折射和反射现象，破坏玻璃盖板中光线传播的均匀性。这些影响都会减少光伏组件对太阳辐射的吸收，降低其输出功率[9]。

用水除尘仍是目前清洁光伏组件的一种重要方法，但积水及清洁效果都会对光伏组件的输出功率产生直接的影响。基于此，本文从节约用水和高效清洁的角度，考虑不同地区光伏组件上积灰类型的差别，设计了2种光伏组件初始附着物不同的水清洁实验，通过观察实验现象及分析不同洒水量所得出的光伏组件输出功率，确定水清洁光伏组件所需的合理用水量，并探究积水残留对光伏组件的影响。

1 降尘对光伏组件输出功率影响的实验方案

1.1 撒沙实验方案

1.1.1 实验内容

实验场地为河南省许昌市襄城县财政局楼顶。实验选用1块尺寸为332 mm×205 mm的光伏组件。实验前将光伏组件表面擦拭干净，选取阳光充足的正午12:00将光伏组件朝南放置，考虑全年综合效率的光伏组件最佳安装倾角近似等于当地纬度，即光伏组件以倾斜33.8°放置[10]。

根据光伏组件初始状态不同进行2组撒沙实验。第1组撒沙实验为在光伏组件表面干燥的条件下撒沙(选用过筛后的细沙)，即向擦拭干净的光伏组件表面直接撒沙；为使沙尘分布尽量接近自然情况，实验者站在距地面1 m的高处由上而下撒沙；撒沙完毕后使用万用表(3-1/2位600 V DL8490)测量光伏组件的电流及电压；然后用带有刻度的喷壶(500 mL)向附有积沙的光伏组件喷水，模拟自然降水环境，每次喷水后及时测量和记录光伏组件的电流及电压；共进行6次洒水实验，每次50 mL。第2组实验为在光伏组件表面湿润的条件下撒沙，即在干净的光伏组件表面喷洒一定量的水后进行撒沙。后续撒沙和洒水方式与第1组实验相同。

1.1.2 测试参数

光伏组件输出功率P的计算式为：

式中：I0为撒沙后测得光伏组件的电流，A；U0为撒沙后测得光伏组件的电压，V；P0为撒沙后测得光伏组件的输出功率，W；In为第n次洒水后测得光伏组件的电流，A；Un为第n次洒水后测得光伏组件的电压，V；Pn为第n次洒水后测得光伏组件的输出功率，W。

通过喷壶上的刻度控制每次洒水量为50 mL，总洒水量为各个阶段洒水量之和。

1.2 积灰实验方案

1.2.1 实验内容

实验场地为华北电力大学6号教学楼的楼层平台处。实验选用2块与撒沙实验规格相同的光伏组件，采取对照实验。其中，1号光伏组件为实验组件，用来进行撒灰洒水等实验操作；2号光伏组件为对比组件，确保其表面干净无积灰，从而达到对比分析的目的。实验前将2块光伏组件表面擦拭干净，选取阳光充足的正午12:00将光伏组件朝南放置，考虑全年综合效率的光伏组件最佳安装倾角近似等于当地纬度，即光伏组件以倾斜38.8°放置[10]。

积灰实验选取的灰尘为自然降尘形成的小颗粒积灰，灰尘成分与光伏组件自然积灰成分相似。用电子天平称量灰尘0.655 g，实验人员戴手套用手指将灰尘在1号光伏组件表面涂抹均匀，模拟在自然沉降下光伏组件的灰尘分布；然后用喷壶向1号光伏组件喷水10 mL，喷水后在水分未蒸发时测量1号和2号光伏组件的电流和电压，并记录数据；待1号光伏组件上水分蒸发后再次测量1号和2号光伏组件的电流和电压，并记录数据。实验过程中共进行5次洒水实验，每次洒水量为10 mL。

1.2.2 测试参数

光伏组件的相对输出功率的计算式为：

通过喷壶上的刻度控制每次洒水量为10 mL，总洒水量为各个阶段洒水量之和。

2 实验结果与分析

2.1 撒沙对光伏组件输出功率的影响

由于实验进行时间较短，因此恒定实验期间的太阳辐照度，用光伏组件功率定量观测光伏组件的输出功率。2组撒沙实验中光伏组件输出功率随洒水次数变化的曲线图如图1所示。

图1 光伏组件输出功率随洒水次数变化的曲线图Fig. 1 Curve of variation of PV modules output power with sprinkling times

从图1可以看出：洒水前光伏组件输出功率有较大幅度提升，洒水后光伏组件输出功率变化幅度较小，基本处于稳定状态，并没有随洒水次数的增加而持续增加，反而随着洒水次数的增加有一定程度的下降。但是，在第1组撒沙实验中，光伏组件输出功率在首次洒水有较大幅度增长(图1a中0～1阶段)；第2组撒沙实验为前2次洒水有较大幅度增长(图1b中0～2阶段)。这是因为在洒水初期，光伏组件上的积沙被冲洗掉，光伏组件表面遮挡物减少，光伏组件单位面积上接收到的太阳光增多，因此光伏组件输出功率出现了较大幅度的增长。然而，随着洒水次数的增加，当光伏组件表面积沙被冲洗干净，或少量积沙已经不能对光伏组件的输出功率产生明显影响时，光伏组件输出功率便不再随着洒水次数的增多而增加。因此，可将光伏组件输出功率有大幅度增长阶段对应的洒水量视为该光伏组件达到清洁目的所需的清洁用水量。

第1次洒水后光伏组件上积沙基本清理干净，但随着洒水的进行，水珠密集分布在光伏组件上，可推测水珠对光的反射和折射是导致后阶段光伏组件输出功率有所下降的主要原因。第1组撒沙实验中不同实验阶段光伏组件的表面状况如图2所示。

图2 第1组撒沙实验中不同实验阶段光伏组件的表面状况Fig. 2 Surface conditions of PV modules at different experimental stages in the first group of sanding experiment

第2组撒沙实验时，光伏组件表面的积沙量远多于第1组撒沙实验的积沙量，可知积沙量的增多导致了清洁用水量的增大。2组撒沙实验中光伏组件表面积沙状态如图3所示。

图3 2组撒沙实验中光伏组件表面积沙状态Fig. 3 Sand deposition state of PV modules surface in two groups of sanding experiments

综上所述，第1组撒沙实验所需清洁用水量为50 mL，第2组撒沙实验所需清洁用水量为100 mL，即第2组撒沙实验所需清洁用水量多于第1组撒沙实验。

2组撒沙实验积沙量产生差异的原因在于光伏组件表面物理性质对积灰沉积量的影响较大[11]。干燥的光伏组件表面较为光滑，对灰尘阻滞作用小，再加上光伏组件采用一定倾角放置，故体积较大的沙粒在自身重力的作用下沿光伏组件表面滚落，只有体积微小的沙粒能够在光伏组件表面聚集，导致第1组撒沙实验的积沙量较少。相对于干燥的光伏组件，第2组撒沙实验时湿润的光伏组件表面残留有小水珠，水珠使沙粒吸附性增强、受阻增大，导致在相同的撒沙情况下第2组撒沙实验的积沙量远多于第1组撒沙实验的。由此可知，相对于表面干燥的光伏组件，表面湿润的光伏组件更容易沉积沙粒等遮挡物。未擦除的积水会吸附沙粒等不易在干燥光伏组件表面沉积的附着物，导致光伏组件表面遮挡物增加，使光伏组件输出功率降低。同时，表面附着物的增加会增大光伏组件的清洗难度，提高清洁成本，造成水资源的浪费。

2.2 积灰对光伏组件输出功率的影响

沙粒在干燥情况下会沿光伏组件表面滚落。相对于沙粒，灰尘凭借自身颗粒体积小、质量轻、吸附性强的特点，即使在外力的作用下也不会轻易沿光伏组件表面滚落，而是沿力的作用轨迹呈现出不均匀的分布。光伏组件积灰状态如图4所示。

图4 光伏组件积灰状态Fig. 4 Dust accumulation state of PV module

积灰实验中，光伏组件的相对输出功率随洒水次数的变化曲线如图5所示。

图5 光伏组件相对输出功率随洒水次数的变化曲线Fig. 5 Curves of relative photoelectric conversion efficiency PV module with sprinkling times

从图5可以看出：除第3次撒水可能因为操作失误造成的偏差之外，在其余洒水情况下，光伏组件水分未蒸发的相对输出功率均低于水分蒸发后的相对输出功率。5次洒水过程中，表面干燥的光伏组件平均相对输出功率为0.93，表面附有水珠的光伏组件平均相对输出功率为0.84，与表面干燥光伏组件相比，相对输出功率损失9.74%。由此可知，光伏组件表面的水珠会造成光伏组件输出功率的降低。

经过对洒水过程的观察可以发现：水清洁光伏组件的原理在于将灰尘融入水滴中，在水滴自身重力的作用下，包含着灰尘的水珠沿着光伏组件表面向下滚落，以灰尘随水珠脱离光伏组件表面为目的，从而达到除尘的效果。若光伏组件表面水珠中还存有灰尘，则待水分蒸发后便会形成粘结积灰，进一步增加清洗难度。光伏组件表面水分蒸发前、后对比如图6所示。

从图6可以看出：积灰吸附性较强，少量用水难以使积灰从光伏组件表面脱落，大量用水又会造成水资源的浪费，同时残留在光伏组件上的积水会进一步降低光伏组件的输出功率，因此，水清洁后进行光伏组件表面残余积水的擦除具有重要意义。

图6 光伏组件表面水分蒸发前后对比图Fig. 6 Comparison before and after evaporation of water on the surface of PV modules

3 结论

本文通过设计2种光伏组件初始附着物不同的水清洁实验，对光伏组件水清洁相关问题进行了研究，得出了以下结论：

1)相对于表面干燥的光伏组件，表面湿润的光伏组件由于沙粒吸附性增强且受阻增大的原因，更容易沉积沙粒等遮挡物。实验结果表明：在相同的撒沙情况下，第2组撒沙实验中湿润光伏组件上的积灰量多于干燥光伏组件上的积灰量。

2)雨水对光伏组件有遮挡效应并且会加快光伏组件上灰尘的积累，进而影响光伏组件的输出功率。在积灰实验的5次洒水过程中，与表面干燥的光伏组件相比，表面附有水珠的光伏组件平均相对输出功率损失9.74%。因此，光伏组件表面的水珠在一定程度上会影响光伏组件的输出功率。

3)清洁光伏组件应控制水量，光伏组件输出功率大幅增长阶段对应的水量即为该光伏组件达到清洁目的所需的合理用水量，用水过多不仅浪费水资源，而且光伏组件残余水滴所造成的能量损失会使光伏组件的输出功率不升反降。撒沙实验后半阶段光伏组件输出功率随着洒水次数的增加有一定程度的下降。由于过量的水珠会对光伏组件输出功率产生负面影响，因此控制清洁水量十分关键。

本研究得出的结论对光伏组件水清洗具有一定的参考价值，有助于在节约水资源的基础上进一步提高光伏组件的输出功率。