光伏面板積灰及影響因素研究進(jìn)展

光伏面板積灰及影響因素研究進(jìn)展

0光伏面板積灰對太陽輻射的影響電力和環(huán)境問題已成為全世界的中心問題之一。與傳統(tǒng)石化能源相比,太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)點,已經(jīng)成為新能源的主要形式之一。太陽能發(fā)電的兩種主要形式是光伏發(fā)電和集熱發(fā)電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)研究中,除面板材料及轉(zhuǎn)換效率、功率預(yù)測、逆變效率、最大功率點跟蹤(MPPT)、離并網(wǎng)控制、孤島保護(hù)、電能質(zhì)量管理等關(guān)鍵技術(shù)之外,對于長期運(yùn)行的光伏系統(tǒng)而言,面板積灰及其影響也是一個不容忽視的問題。光伏面板積灰對太陽輻射具有反射、散射和吸收作用,即降低太陽輻射的透過率,導(dǎo)致光伏面板接收到的太陽輻射量減少、輸出功率下降,并隨著積灰厚度的增大而更為明顯。另外,由于灰塵吸收太陽輻射升溫和腐蝕性化學(xué)成分的存在,積灰還會對光伏面板形成一定程度的保溫和腐蝕作用,加劇降低其光電轉(zhuǎn)換效率。本研究主要綜述分析光伏面板積灰的影響因素、積灰機(jī)理和面板除塵清潔等方面的研究工作,并對今后的研究方向提出看法和建議。1積灰顆粒及表面成分光伏面板積灰主要來源于大氣灰塵。大氣灰塵是一種懸浮在大氣中的顆粒物,來源于大氣沉降、城市交通、建筑、工業(yè)、表土等所產(chǎn)生的地表顆粒,包括自然來源和人為來源。自然來源主要是土壤、沙塵和巖石,風(fēng)化作用使其分裂成細(xì)小的顆粒并在空氣動力系統(tǒng)作用下被輸送到大氣中。人為來源主要指工業(yè)揚(yáng)塵、建筑揚(yáng)塵、交通揚(yáng)塵等。另外,生物質(zhì)也是積灰的主要來源之一,如鳥類糞便、花粉等?；覊m顆粒直徑一般在百分之一毫米到幾百分之一毫米之間,為人眼所不可見。就其化學(xué)成份而言,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%。另外,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等。2影響因素累積灰的影響因素大氣灰塵在光伏面板上的沉積、附著和固結(jié)受到多種因素的影響,如面板傾角、風(fēng)速風(fēng)向、灰塵性質(zhì)、環(huán)境濕度等等。2.1積灰效應(yīng)與面板傾角Goossens等對沙漠地區(qū)光伏面板灰塵積累問題進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)灰塵在處于水平狀態(tài)的面板表面的積累效應(yīng)最大。Salim等在沙特阿拉伯地區(qū)進(jìn)行24.6°固定角度的光伏面板積灰效應(yīng)對比研究,8個月后,從未清理的面板輸出功率比每天清理的面板降低了32%。然而,Hottel和Woertz在多雨雪的美國波士頓地區(qū)進(jìn)行為期3個月的傾角為30°的光伏面板積灰對比實驗表明積灰對面板性能的影響僅僅為4.7%。Garg在印度Roorkee地區(qū)進(jìn)行的實驗結(jié)果則顯示:由于積灰的遮擋作用,45°傾角的玻璃板在10天之后的平均透過率將會下降8%。上述研究均針對固定的面板角度,并不能反映出面板傾角變化對灰塵積累的影響。Sayigh等進(jìn)行了0°~60°范圍內(nèi)間隔15°設(shè)置的5組光伏面板積灰效應(yīng)研究,結(jié)果顯示38天之后的太陽輻射透過率分別降低了64%、48%、38%、30%和17%,表明光伏面板傾角越大,則灰塵越難以在其表面上滯留和附著。這一結(jié)論同樣適用于多雨氣候地區(qū),只是積灰效應(yīng)較弱,對面板輸出功率影響也相對較小,如Dietz進(jìn)行的0°~50°范圍面板傾角實驗顯示僅有5%的輸出功率下降,同樣,美國加利福尼亞PaloAlto地區(qū)的實驗結(jié)果顯示光伏面板上的積灰僅導(dǎo)致2%的電流下降。Elminir等進(jìn)行了傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的面板積灰實驗,實驗結(jié)果表明:灰塵積累密度隨面板角度增大而逐漸降低,由15.84g/m2降至4.48g/m2,太陽輻射透過率下降幅度也是逐漸降低,由52.54%遞減至12.38%。陳菊芳,沈輝等對廣州地區(qū)3個不同區(qū)域的灰塵情況進(jìn)行觀測分析,分析結(jié)果表明:灰塵主要降低玻璃對450nm~880nm波長的太陽輻射的透過率,1~3個月內(nèi)透過率降低1.3%~4.0%。Cano于2011年1月~3月期間在美國亞利桑那州進(jìn)行傾角分別為0°、5°、10°、15°、20°、23°、30°、33°和40°光伏面板發(fā)電實驗,實驗結(jié)果表明:0°傾角的光伏面板因積灰而導(dǎo)致2.02%的損失,23°和33°傾角情況下分別損失1.05%和0.96%。Qasem等從光伏面板積灰的均一性角度進(jìn)行了實驗研究,實驗結(jié)果表明:30°傾角的面板非一致性為4.4%,而90°傾角的面板僅為0.2%。2.2最高風(fēng)速與積灰性質(zhì)上述的研究中幾乎沒有涉及風(fēng)速對于光伏面板積塵的影響,事實上,即便是很小的風(fēng)速也會對水平平面上的積灰沉積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響。Goossens等在Negev沙漠的長期觀測數(shù)據(jù)顯示,往往在最高風(fēng)速的時候才會形成最大程度的灰塵沉積;另外,風(fēng)洞內(nèi)光伏面板性能試驗結(jié)果表明:因風(fēng)速對灰塵沉積結(jié)構(gòu)的特殊影響,高風(fēng)速時形成的積灰會具有較高的光線透過率。當(dāng)然,較大的風(fēng)速也會對面板表面的非粘結(jié)性積灰具有一定的清除作用。Goossens還研究了不同時段、不同風(fēng)向?qū)τ诜e灰過程的影響,指出:吹向面板的風(fēng)會提高積灰效果,而吹向面板背面的風(fēng)基本不會影響積灰過程。2.3不同種類空氣古細(xì)胞顆粒的模擬光伏面板積灰效應(yīng)具有顯著的區(qū)域敏感性,即不同區(qū)域的氣候條件、環(huán)境因素等決定了其灰塵具有不同的性質(zhì)和特點。Neil等在研究沙漠地區(qū)的層級積沙對太陽輻射的遮擋作用時,采用顆粒直徑為(170±20)mm的SiO2沙粒在傾斜玻璃面板上進(jìn)行堆積和承沙實驗。Kaldellis等認(rèn)為灰塵中常見的顆粒來源于紅土、石灰石和灰燼。Sulaiman等則使用干土和滑石粉模擬大氣灰塵進(jìn)行光伏面板積塵實驗。Haeberlin和Graf等做了有關(guān)混合輕工業(yè)區(qū)、林區(qū)和農(nóng)場的光伏面板特性測試,測試結(jié)果顯示由于生物質(zhì)(鳥糞、花粉等)的沉積作用使得光伏系統(tǒng)的能量輸出減少了8%~10%。Hegazy等對暴露在埃及的某強(qiáng)污染農(nóng)業(yè)區(qū)的傾角為0°、30°、90°的清潔玻璃平板進(jìn)行試驗,30天后的太陽輻射透過率分別損失了27%、17%和3%。但未進(jìn)行該地區(qū)灰塵的成分分析研究。Goossens等的實驗所使用的灰塵包含95%的粉塵(直徑2μm~63μm)和5%的粘土(直徑<2μm),平均直徑30μm,其大小非常接近大氣灰塵顆粒。HaiJiang等進(jìn)行的實驗采用的模擬大氣灰塵直徑范圍為1μm~100μm,其中直徑20μm的灰塵比重為74%,灰塵密度為2.65g/cm3。2.4固兩相流對粉煤灰的分散濕度是固體顆粒粘附的必要前提條件,是影響光伏面板(尤其是設(shè)置在城鎮(zhèn)等人類活動頻繁區(qū)域的面板)積灰的一種重要因素。在大氣和灰塵組成的低濃度氣固兩相流中,灰塵顆粒分布比較均勻,集中程度較低。在這樣的條件下,較高體積分?jǐn)?shù)的水分(即較大的環(huán)境濕度)有助于局部粘附的形成;并且,灰塵經(jīng)水分的浸潤將增大表面張力,更易于粘結(jié)沉積。HaiJiang等進(jìn)行室內(nèi)實驗時使用空調(diào)系統(tǒng)對環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行控制,使?jié)穸缺３衷赗H=60%。一般而言,環(huán)境濕度因氣候、天氣等因素而變化,不具有均一性和可控性,故而多數(shù)文獻(xiàn)并未提及進(jìn)行光伏面板積灰相關(guān)研究時的環(huán)境濕度因素及其詳細(xì)數(shù)據(jù)。3積灰對光伏發(fā)電效率的影響機(jī)理Kaldellis等根據(jù)紅土、石灰石和灰燼的模擬實驗結(jié)果,總結(jié)形成了一個理論模型,可根據(jù)面板所在地區(qū)的空氣污染情況估算積灰對光伏發(fā)電性能的影響,但是依然沒有涉及積灰過程本身的機(jī)理研究。居發(fā)禮系統(tǒng)性地研究了光伏積灰理論:從積灰對光伏發(fā)電影響的角度將積灰按物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和積灰的附著形態(tài)進(jìn)行了分類,提出了光伏面板表面積灰基準(zhǔn)“三情景”模型,即無沖刷模型、非充分沖刷模型和充分沖刷模型,形成了光伏面板表面積灰量的統(tǒng)一表達(dá)式。同時,提出了評價積灰對光伏發(fā)電性能的影響因子—光伏積灰系數(shù),指出其主要影響因素為:氣象條件、灰塵性質(zhì)、光伏面板安裝傾角、積灰狀態(tài)。馬俊對平板型太陽能集熱器表面的積灰進(jìn)行了理論研究。主要對積灰的屬性、來源及形成過程進(jìn)行分析,建立了降塵量與被沖刷灰塵量模型,從光學(xué)、熱學(xué)及化學(xué)3個角度研究了積塵對集熱器性能的影響機(jī)理,并提出了評價積塵對集熱器光學(xué)與熱學(xué)性能影響的參數(shù)—積塵遮擋系數(shù)與積塵效率下降度。實驗研究結(jié)果表明,積塵對平板型太陽能集熱器的遮擋效應(yīng)顯著。4電傘除塵技術(shù)目前建成的多數(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(jìn)行清除。一些小型的光伏電站,尤其是戶用屋頂系統(tǒng),則根據(jù)使用者的習(xí)慣隨機(jī)進(jìn)行人工噴水除塵或掃塵,隨意性較大,效果一般。在月球表面懸浮著厚厚的一層由于長期環(huán)境作用而形成的直徑為40μm~130μm的微小粒子,這些懸浮的微塵具有較低的導(dǎo)電率特性和較高的比表面積。在光電效應(yīng)和太陽風(fēng)的作用下很容易帶上靜電,并在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持著帶電狀態(tài)。帶靜電的微塵具有很強(qiáng)的粘附性。在火星上,風(fēng)暴席卷著微小的塵埃布滿了整個火星表面,細(xì)小的微塵被吹浮到數(shù)千米的高空,并懸浮數(shù)月之久。這些微塵積聚在光伏面板表面上將降低其轉(zhuǎn)換效率,影響航天設(shè)備的正常供電和工作。據(jù)火星探路者測試,積聚和粘附微塵使光伏面板的轉(zhuǎn)換效率每個火星日下降約0.28%。據(jù)此估算,2年后光伏面板的電性能下降將大于22%。故而在航天領(lǐng)域必須考慮光伏面板表面的積灰清除問題,一般采用較為成熟的電簾除塵技術(shù)。1967年NASA為了解決Apollo計劃中的太陽能電池板除塵問題,提出了電簾除塵概念。Masuda等在大氣環(huán)境中證明了利用電磁行波能夠搬運(yùn)宏觀帶電微塵:利用連接交流電源的平行電極產(chǎn)生行波的方法成功地進(jìn)行非接觸式的微塵搬運(yùn),微塵根據(jù)所帶電荷的極性順著或逆著電場的方向移動,最終被移除。目前,電簾除塵技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于探月工程、火星計劃等航天領(lǐng)域的太陽能光伏系統(tǒng)。此外也有機(jī)械除塵技術(shù),如文獻(xiàn)所描述的由電機(jī)驅(qū)動刷子結(jié)合噴水沖洗的光伏面板自動除塵裝置等。5光刻灰研究5.1實驗過程缺乏可重復(fù)性雖然不同研究者對光伏面板的積灰問題,尤其是積灰影響因素、積灰對面板的出力降低作用等進(jìn)行了大量的實驗研究和分析,但是多數(shù)實驗過程存在完整性問題,例如:少有實驗的時間歷程超過1年,文獻(xiàn)記錄實驗過程多在同一個地區(qū)或?qū)嶒炇覂?nèi)進(jìn)行,缺乏對實驗過程所有影響參數(shù)(面板參數(shù)、雨雪、霜露、溫度、濕度、光照、風(fēng)向風(fēng)速、灰塵成分及組成、積灰類型、積灰厚度和形貌特征等)的記錄或綜合分析,以至于實驗過程不具有可重復(fù)性,無法應(yīng)用于其他光伏系統(tǒng)。由于不同實驗所處的環(huán)境和實驗系統(tǒng)參數(shù)差異較大,造成文獻(xiàn)記錄的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果相差較大,彼此之間缺乏可比性,也難以評價其優(yōu)劣。5.2基于化學(xué)成分的特性雖然有部分文獻(xiàn)提到灰塵的組成,但是極少有從灰塵自身的化學(xué)成分、物理特性、電學(xué)特性、幾何形貌等角度進(jìn)行深入的分析討論,對灰塵的特性缺乏深層次的全面了解和掌握。目前的研究尚不能從微觀層面揭示灰塵影響面板出力的作用機(jī)制。5.3粘結(jié)積灰的影響光伏面板積灰按其附著/固著形式可以分為干松積灰和粘結(jié)積灰。干松積灰形成于自然降塵的物理過程,灰塵顆粒松散,在風(fēng)的作用下容易清除。粘結(jié)積灰則是由雨露、油煙等因素的作用使得灰塵顆粒吸附于面板表面,并進(jìn)一步吸附空氣中的顆粒,形成堅硬或粘性的結(jié)晶外殼。隨著時間的推移,粘結(jié)積灰的厚度、粘性或硬度將越來越大,需要外力強(qiáng)制清除。對于光伏面板而言,粘結(jié)積灰對輸出功率的影響更大并且更久遠(yuǎn)。為了洞悉粘結(jié)積灰形成機(jī)制、對光伏面板出力影響的作用機(jī)制以及清除方法,需要對粘結(jié)積灰的形成過程和特性進(jìn)行深入的探索,即進(jìn)行積灰的沉積機(jī)理研究。5.4面板清潔技術(shù)有待突破雖然電簾除塵技術(shù)較為成熟并已應(yīng)用于航空航天等小面積光伏面板的除塵,但是若應(yīng)用于地面光伏發(fā)電系統(tǒng)將會遇到諸如增加面板成本、提高光伏面板溫度而降低轉(zhuǎn)換效率、微塵搬移造成的二次揚(yáng)塵和積灰等問題,目前尚無電簾除塵在地面大面積光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)資料。而機(jī)械式的面板清潔技術(shù)存在增加系統(tǒng)成本、機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大而不適用于大面積