光伏组件自动清洗系统的应用研究.pdf

太阳能第 11 期总第 355 期2023 年 11 月No.11Total No.355Nov.,2023SOLAR ENERGY800 引言太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，近年来，在各国政策的推动下，其利用形式得到大力发展。光伏发电作为一种重要的太阳能利用方式，已经形成一定的产业规模1。光伏玻璃性能、太阳电池光电转换效率、光伏组件输出功率、光伏组件衰减率等均会对光伏组件发电量产生影响，除此之外，光伏组件表面积灰也是影响其发电量的重要因素2。光伏组件表面积灰对入射的太阳光具有反射和吸收作用，会降低太阳辐射的透过率，减少光伏组件吸收的太阳辐射能量，使光伏组件输出功率下降；同时，光伏组件表面的温度升高和腐蚀也与积灰有直接关系，这会导致光伏组件的使用寿命受到影响。综上可知，光伏组件表面积灰的存在会给光伏电站带来巨大的经济损失3-4。针对积灰对光伏组件发电方面的影响，实测显示：玻璃表面积累的灰尘将会导致太阳辐射量损失达到 5%30%5，从而降低光伏组件接收的太阳辐射量，减少光伏发电量。官燕玲等6针对灰尘覆盖对光伏组件性能的影响进行了研究，研究结果显示：由于严重的雾霾天气，8 天的自然积灰就会使光伏组件上层玻璃的相对透光率减小约 20%。Said 等7指出，灰尘的累积会直接影响光伏组件的发电性能，减少光伏组件表面的积灰量是提高其发电效率的重要手段。综上所述可知，光伏组件表面的积灰在降低光伏组件发电效率方面有显著影响，光伏组件发电效率会随其表面积灰量的增加而递减，所以定期对光伏电站中的光伏组件进行清洗势在必行。但随着光伏电站规模不断扩大，现有光伏组件清洗方式已不能满足大规模光伏电站的清洗需求。基于此，本文以位于广东省河源市东源县老围村的某 8.2 MW 光伏电站为例，提出 1 套光伏组件DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20220909.01 文章编号：1003-0417(2023)11-80-08光伏组件自动清洗系统的应用研究侯治国*，张光奎，莫鹏辉，李净明，何进国(东源县老围光电科技有限公司，河源 517000)摘要：针对积灰影响光伏组件发电量且现有光伏组件清洗方式不能满足大规模光伏电站清洗需求的情况，设计了 1 套光伏组件自动清洗系统。该自动清洗系统由水源、水泵、喷淋系统和可编程逻辑控制器(PLC)控制柜等组成，其可同时对 3 个光伏阵列进行清洗，实现光伏组件的自动清洗；然后以某 8.2 MW 光伏电站为例，研究了清洗前后光伏组件的 I-V 特性、表面温度、短路电流、开路电压、输出功率、光能转化效率的变化情况；最后分析了积灰对光伏电站经济性的影响。研究结果显示：1)相较于清洗前，清洗后光伏组件的 I-V 特性、表面温度、短路电流、开路电压、输出功率、光能转化效率均得到明显改善；2)当光伏组件表面处于稠密积灰状态时，经济损失基本平稳，日经济损失最高约可达 4268 元。由此可以说明，利用光伏组件自动清洗系统对光伏组件进行定期清洗尤为重要。关键词：光伏电站；光伏组件；自动清洗系统；积灰；输出功率；发电量中图分类号：TM615 文献标志码：A收稿日期：2022-09-09通信作者：侯治国(1977)，男，硕士、高级工程师，主要从事电气系统及其自动化和光伏组件自动清洗方面的研究。2023-11杂志.indd 802023-11杂志.indd 802023/11/28 15:27:052023/11/28 15:27:05第 11 期自动清洗系统，对该自动清洗系统的构成进行介绍，并对应用此自动清洗系统后光伏组件的性能进行对比。1 光伏组件自动清洗系统的设计1.1 光伏组件自动清洗系统的构成为应对现有光伏组件清洗方式不能满足大规模光伏电站清洗需求的问题，利用本光伏组件自动清洗系统同时对光伏电站的 3 个光伏阵列(编号分别为 1#3#)进行清洗。本光伏组件自动清洗系统清洗过程中利用水泵加压，清洗用的水通过喷淋管道送至旋转式喷淋头，然后喷射到空中，以水滴的方式洒落到光伏组件上，实现对 3 个光伏阵列的光伏组件表面清洗。本光伏组件清洗系统由水源、水泵(包括潜水泵、喷淋水泵)、喷淋系统(包括管道、喷淋头及阀门)、可编程逻辑控制器(PLC)控制柜等组成，其原理示意图如图 1 所示。储水箱潜水泵潜水泵喷淋水泵旋转喷淋头光伏阵列(共 3 个)河道深水井图 1 光伏组件自动清洗系统的原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle of PV module automatic cleaning system1.2 取水方式为保证本光伏组件自动清洗系统的供水量充足，共采用两种取水方式：一种是从深水井取水，安装 1 台潜水泵，由该潜水泵向储水箱中供水，储水箱的容量按照满足最大清洗区域的喷淋用水量进行设置；另一种是从河道中取水，在河道内安装 1 台潜水泵，当井水量不能满足清洗区域的喷淋用水量时，从河道中抽取河水作为清洗区域的喷淋用水。这两种方式相结合，即可保证光伏组件清洗区的用水量。1.3 管道的布置管道采用树枝状管网布置形式，干管、支管均埋地敷设。根据光伏组件布置的长度、喷淋头的喷淋半径及其覆盖的有效面积，确定支管长度及支管数量，在干管、支管连接处设电磁阀，干管敷设于不影响种植的地面田埂两边。喷淋头接到支管末端，且支管末端必须垂直于地面，支管通过扎带与辅助斜撑固定，以保证喷淋头在 360喷水时的稳定性。管道和喷淋头的安装位置示意图如图 2 所示。摇臂式喷头安装高度，根据现场实际情况高出光伏组件最高点0.l m光伏组件25 喷头支管50 支管根据现场支撑结构，辅以斜撑并用扎带加以固定立柱采用塑料抱箍将支管和立柱加以固定图 2 管道和喷淋头的安装位置示意图Fig.2 Schematic diagram of installation positions of pipelines and spray nozzle1.4 喷淋方案本光伏组件自动清洗系统采用的喷淋方案是通过合理布置喷淋头，以最小数量的喷淋头来保证每个光伏阵列的光伏组件都得到清洗；同时，使喷淋头的重叠区域最小，以减少水耗及降低清洗时间。喷淋头可 360 旋转，工作压力控制在 0.150.35 MPa 之间，流量约为 1.5 m3/h，喷淋半径为12 m，并按 4 个圆相交重叠面积最小的方式进行组合布置。喷淋头的组合布置方式示意图如图 3所示。根据所划分的光伏组件清洗区域的大小、喷淋头的喷淋半径及其组合布置方式，可确定每根支管上的喷淋头数量为 57 个。其中，1#光伏阵列的支管数量为 12 根，2#光伏阵列的支管数量为 18 根，3#光伏阵列的支管数量为 35 根。光伏组件自动清洗系统拟于每天 00:0005:00 自技 术 应 用侯治国等：光伏组件自动清洗系统的应用研究812023-11杂志.indd 812023-11杂志.indd 812023/11/28 15:27:062023/11/28 15:27:062023 年太阳能动启动。根据 PLC 程控设置，每个光伏阵列的清洗时间最长不超 5 h，3 个光伏阵列同步进行作业，可以在每天的 00:0005:00 完成光伏组件自动清洗工作。单个喷头有效控制面积16.97R1216.97图 3 喷淋头的组合布置方式示意图(单位：m)Fig.3 Schematic diagram of spray nozzle combination layout method(Unit：m)1.5 喷淋水泵选型通过对光伏组件自动清洗系统进行计算，1#光伏阵列和 2#光伏阵列的喷淋水泵设计流量均取 10 m3/h，3#光伏阵列的喷淋水泵设计流量取20 m3/h。根据现场实际情况，各个光伏阵列最不利的供水距离(即管道长度)分别为490、310、376 m，可据此计算得出 3 个区域的管道水头损失，具体如表 1 所示。喷淋系统的设计扬程 H 可表示为：H=hf+hj+hmin+hp+hd (1)式中：hf为沿程水头损失，m；hj为局部水头损失，m；hmin为喷头入口压力，m，本文取20；hp为水泵入口的水头损失，m，本文取 0.5；hd为喷头与水源水位差深，m，本文取 3。表 1 3 个区域的管道水头损失Table 1 Pipeline head loss in three areas区域喷淋水泵设计流量/(m3/h)管径/m管道长度/m管道水头损失/m沿程局部合计1#光伏阵列105049042.454.24546.6952#光伏阵列105031026.862.68629.5463#光伏阵列207537616.651.66518.315经计算，1#光伏阵列喷淋水泵的设计扬程为 70.195 m，选用型号为 100QJ10-80 的水泵；2#光伏阵列喷淋水泵的设计扬程为 53.050 m，选用型号为 100QJ10-60 的水泵；3#光伏阵列喷淋水泵的设计扬程为 41.820 m，选用型号为200QJ20-54 的水泵；井内潜水泵的设计扬程为21 m，选用型号为 200QJ20-40 的潜水泵。1.6 PLC 控制柜3个光伏阵列中每个区域设置1台喷淋水泵、1台PLC控制柜，各支管入口处各设1套电磁阀。PLC 控制柜包含主开关、水泵接触器、PLC 控制主板、分组时控开关、压力传感显示装置等，现场定时自动轮巡开关电磁阀进行喷淋清洗，电磁阀故障时自动切换至下一组，并发出告警。PLC 控制柜信号通过无线网络上传至后台，实现光伏组件自动清洗系统的监测及远程控制。PLC 控制柜的实物图如图 4 所示。图 4 PLC 控制柜的实物图Fig.4 Photo of PLC control cabinet技 术 应 用822023-11杂志.indd 822023-11杂志.indd 822023/11/28 15:27:062023/11/28 15:27:06第 11 期2 本自动清洗系统对光伏组件性能的影响分析光伏组件表面积灰是不可避免的，而积灰会直接影响光伏组件性能，对光伏电站造成经济损失。为对比采用本自动清洗系统后对光伏组件性能的影响，以本光伏电站为例，在积灰密度一定的条件下，分别对光伏组件清洗前后的 I-V 特性、光伏组件表面温度、短路电流、开路电压、输出功率、光能转化效率的变化情况进行研究。2.1 光伏组件清洗对其 I-V 特性的影响光伏组件能够产生伏特效应主要是由其内部的半导体材料决定的，当太阳光照射到半导体材料上会产生电动势能，合理的电路回路就能产生电流。当负载电阻 RL为零时，加载到负载电阻的电压也是零，此时光伏组件就会处于短路状态，产生的电流为短路电流 Isc。当负载电阻趋于无穷大时，负载电路处于开路状态，流过负载的电流为零，光电流被正向结电流抵消，光伏组件两端电压为开路电压8。光伏组件等效电路图如图 5所示。图中：Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻；I为光伏组件输出电流；IL为光生电流；Iph为理想电流；ID为暗饱和电流。IphI=Isc=ILIDI?RshRsRL图 5 光伏组件的等效电路图Fig.5 Equivalent circuit diagram of PV module对光伏组件清洗前后的 I-V 特性进行测试，测试结果如图 6 所示。由图 6 可知：光伏组件清洗后的 I-V 特性曲线优于清洗前的 I-V 特性曲线。这主要是因为清洗后光伏组件接收的太阳辐射增加，更利于光伏组件的光电效应。2.2 光伏组件清洗对其表面温度的影响洁净的光伏组件表面主要以镜面反射为主，I/AV/V清洗前清洗后2.51.50.52.01.00.00510201525图 6 光伏组件清洗前后的 I-V 特性曲线Fig.6 I-V characteristics curves of PV modules before and after cleaning而积灰的光伏组件表面以漫反射为主，相当于在积灰的光伏组件表面增加了一层热阻，光能投射到光伏组件后，光伏组件表面温度会升高，而积灰会阻碍热量向周围耗散。根据现场的实际情况，得出了光伏组件清洗前后其表面的温度变化曲线，具体如图 7 所示。温度/时刻清洗前清洗后环境温度60402050301010:0012:0014:0016:0010:4012:4014:4016:4018:0011:2013:2015:2017:20图 7 光伏组件清洗前后其表面的温度变化曲线Fig.7 Surface temperature change curve of PV modules before and after cleaning由图 7 可知：在 10:0018:00 之间，环境温度约为 30，相较于清洗前的光伏组件的表面温度，清洗后的光伏组件表面温度更接近环境温度。这是因为清洗后光伏组件的表面反射接近镜面反射，此时的光伏组件表面热阻比清洗前的光伏组件表面热阻小得多，其表面热量能够很好的技 术 应 用侯治国等：光伏组件自动清洗系统的应用研究832023-11杂志.indd 832023-11杂志.indd 832023/11/28 15:27:072023/11/28 15:27:072023 年太阳能向四周耗散。这也验证了清洗有利于光伏组件的光电效应。2.3 光伏组件清洗对其短路电流的影响将太阳辐照度控制在 200850 W/m2范围内，在积灰密度为 6.68 mg/cm2的情况下，得到不同太阳辐照度下清洗前后光伏组件的短路电流比值，具体如图 8 所示。太阳辐照度/(W/m2)平均值积灰密度为 6.68 mg/cm2清洗前后光伏组件短路电流比值1.101.121.081.061.041.021.00200400600800500700900300图 8 不同太阳辐照度下清洗前后光伏组件的 短路电流比值变化曲线Fig.8 Change curve of short-circuit current ratio of PV modules before and after cleaning under different solar irradiance由图 8 可知：光伏组件清洗前的短路电流与清洗后的短路电流的比值控制在1.001.11之内，清洗前后光伏组件短路电流比值的最大值与最小值之间仅相差 0.11，平均值约为 1.05，这说明清洗前光伏组件的短路电流比清洗后光伏组件的短路电流大。这进一步证明了清洗后的光伏组件更利于产生光电效应。2.4 光伏组件清洗对其开路电压的影响与短路电流试验条件相同，将太阳辐照度控制在 200850 W/m2范围内，积灰密度为 6.68 mg/cm2，测试不同太阳辐照度下清洗前后光伏组件的开路电压比值，具体如图 9 所示。由图 9 可知：清洗前后光伏组件的开路电压比值随太阳辐照度的增强而减小，且变化幅度较为均匀；清洗前后光伏组件开路电压比值的平均值约为 0.625，由此可知，相对于清洗后的光伏组件，清洗前光伏组件约有 1/3 的开路电压损耗。太阳辐照度/(W/m2)平均值积灰密度为 6.68 mg/cm2清洗前后光伏组件开路电压比值0.700.680.640.580.660.600.620.56150450750350650250550850图 9 不同太阳辐照度下清洗前后光伏组件的 开路电压比值变化曲线Fig.9 Change curve in open-circuit voltage ratio of PV modules before and after cleaning under different solar irradiance2.5 光伏组件清洗对其输出功率的影响将光伏组件的表面积灰填充系数 Pa设定为0.3，太阳辐照度控制在 200850 W/m2范围内，积灰密度为 6.68 mg/cm2。测试不同太阳辐照度下清洗前后光伏组件的输出功率比值，具体如图 10 所示。太阳辐照度/(W/m2)平均值积灰密度为 6.68 mg/cm2清洗前后光伏组件输出功率比值0.6000.6100.6500.6900.6300.6700.7100.6200.6600.7000.6400.6800.590150250350550450650750850图 10 不同太阳辐照度下清洗前后光伏组件的 输出功率比值变化曲线Fig.10 Change curve of output power ratio of PV modules before and after cleaning under different solar irradiance由图 10 可知：清洗前后光伏组件输出功率比值的平均值约为 0.645，即由于光伏组件表面的积灰导致其有将近 35.5%的输出功率损耗，这说明光伏组件表面的积灰对其输出功率影响很大。技 术 应 用842023-11杂志.indd 842023-11杂志.indd 842023/11/28 15:27:082023/11/28 15:27:08第 11 期2.6 光伏组件清洗前后对其光能转化效率的影响光伏组件表面积灰的积聚过程为：洁净稀疏灰尘粒子聚集稠密灰尘粒子聚集。测试过程中根据光伏组件表面积灰填充系数将积灰表述为不同的状态，其中：将 Pa=0 划分为“无积灰状态”；01 划分为“稠密积灰状态”，以灰尘稠密粒子厚度 来表示积灰程度。不同灰尘粒子尺度参数下的光能转化效率 t 与灰尘稠密粒子厚度和光伏组件表面积灰填充系数有关，根据试验得出不同灰尘粒子尺度参数下的光能转化效率曲线，具体如图 11 所示。灰尘粒子尺度参数稀疏积灰状态稠密积灰状态(/m)10080602040t/%0Pa=0.1Pa=0.3Pa=0.5Pa=0.8Pa=1.0708090100图 11 不同灰尘粒子尺度参数下的光能转化效率曲线Fig.11 Solar energy conversion efficiency curves under different dust particle scale parameters由图 11 可知：光能转化效率随着灰尘粒子尺度参数的增大而减小，即光伏组件表面积灰密度直接影响其光能转化效率。因此，光伏组件的清洗对光伏电站中光伏组件的光能转化效率和输出功率存在较大影响。3 光伏组件清洗对光伏电站经济性的影响以本光伏电站为例，根据中国部分省市光伏电站最佳安装倾角及发电量速查表可知，广东省河源市光伏电站的年有效利用小时数为1055.36 h，因此本光伏电站的年发电量为 8653952 kWh，平均日发电量为 23709 kWh。根据本电站光伏组件的出厂性能可知，其光电转换效率平均值为22.5%。根据不同灰尘粒子尺度参数下的光能转化效率损失计算得到相应的光伏组件光电转换效率损失，其为光伏组件清洗后的光电转换效率平均值与不同灰尘粒子尺度参数下得到的光伏组件光电转换效率平均值的差值，计算式为：=22.5%(2)不同灰尘粒子尺度参数下得到的光伏组件光电转换效率平均值如图 12 所示。灰尘粒子尺度参数Pa=0.1Pa=0.0Pa=0.3Pa=0.5Pa=0.8Pa=1.0708090100/%4.00-1.009.0014.0019.0024.00稀疏积灰状态稠密积灰状态(/m)图 12 不同灰尘粒子尺度参数下得到的光伏组件 光电转换效率平均值Fig.12 Average photoelectric conversion efficiency of PV modules obtained under different dust particle scale parameters由于是以同一个光伏电站为例分析因积灰造成的发电量损失，因此不考虑光伏组件面积、装机容量大小等影响因素，仅以灰尘造成的光伏组件光电转换效率降低作为发电量损失的影响因素进行分析。结合式(2)和图 12 可知：本光伏电站的日发电量损失为 23709。按照本光伏电站含补贴的上网电价为0.8元/kWh计算，可得出本光伏电站不同灰尘粒子尺度参数下的日经济损失，如图 13 所示。由图 13 可知：光伏组件表面处于稀疏积灰状态时，光伏电站经济损失随着光伏组件表面积灰填充系数的增大而增大；当光伏组件表面处于稠密积灰状态时，光伏电站的经济损失基本平稳，日经济损失最高可达 4268 元。因此，根据光伏组件表面的清洁度可以有效预测光伏电站的经济损失，可以利用光伏组件自动清洗系统进行光伏组件清洗，以提高光伏电站的经济性。技 术 应 用侯治国等：光伏组件自动清洗系统的应用研究852023-11杂志.indd 852023-11杂志.indd 852023/11/28 15:27:092023/11/28 15:27:092023 年太阳能灰尘粒子尺度参数Pa=0.1 Pa=0.3 Pa=0.5 Pa=0.8 Pa=1.0708090100日经济损失/元500100020003000400015002500350045000图 13 不同灰尘粒子尺度参数下光伏电站的日经济损失Fig.13 Daily economic losses of PV power station under different dust particle scale parameters4 结论针对积灰影响光伏组件发电量且现有光伏组件清洗方式不能满足大规模光伏电站清洗需求的情况，本文设计了 1 套光伏组件自动清洗系统，对该自动清洗系统的构成进行了分析；然后以某8.2 MW 光伏电站为例，研究了清洗前后光伏组件的 I-V 特性、表面温度、短路电流、开路电压、输出功率、光能转化效率的变化情况；最后分析了积灰对光伏电站经济性的影响。研究结果显示：1)光伏组件清洗后的 I-V 特性曲线优于清洗前的 I-V 特性曲线；2)相较于光伏组件清洗前的表面温度，清洗后其表面温度更接近环境温度；3)清洗前、后光伏组件短路电流比值的平均值约为 1.05，这说明清洗前光伏组件的短路电流比清洗后的短路电流大；4)清洗前后光伏组件开路电压比值的平均值约为0.625，由此可知，相对于清洗后的光伏组件，清洗前光伏组件约有 1/3 的开路电压损耗；5)清洗前后光伏组件输出功率比值的平均值约为 0.645，即由于光伏组件表面的积灰导致其有将近 35.5%的输出功率损耗，说明光伏组件表面的积灰对其输出功率影响很大；6)光能转化效率随着灰尘粒子尺度参数的增大而减小；7)当光伏组件表面处于稠密积灰状态时，光伏电站的经济损失基本平稳，日经济损失最高可达 4268 元。本光伏组件自动清洗系统的结构简单，能够精准控制每个光伏阵列的清洗时间，且灵活性强、适用范围广，具有良好的推广价值。参考文献1 耿亚新，周新生.太阳光伏产业的理论及发展路径 J.中国软科学，2010(4)：19-28，134.2 姜振海，张作良，谷东伟，等.光伏板表面无水除尘装置优化设计 J.机械工程师，2021(2)：11-14.3 李脸兵，王增喜，刘斌，等.太阳能电池积灰对其发电性能影响的研究 J.太阳能学报，2016，37(6)：1418-1422.4 张豪.气象因素及积灰对太阳电池组件发电性能影响的实验研究 D.西安：长安大学，2017.5 古瑞瓦特光伏逆变器.科普：灰尘对光伏发电的影响EB/OL.(2022-05-20).https:/ 官燕玲，张豪，闫旭洲，等.灰尘覆盖对光伏组件性能影响的原位实验研究 J.太阳能学报，2016，37(8)：1944-1950.7 SAID S，HASSAN G，WALWIL H，et al.The effect of environmental factors and dust accumulation mitigation strategiesJ.Renewable and sustainable energy reviews，2018，82：743-760.8 刘鉴民.太阳能利用原理技术工程 M.北京：电子工业出版社，2010.技 术 应 用862023-11杂志.indd 862023-11杂志.indd 862023/11/28 15:27:092023/11/28 15:27:09第 11 期 RESEARCH ON APPLICATION OF AUTOMATIC CLEANING SYSTEM FOR PV MODULESHou 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技 术 应 用侯治国等：光伏组件自动清洗系统的应用研究872023-11杂志.indd 872023-11杂志.indd 872023/11/28 15:27:092023/11/28 15:27:09