光伏組件下沿泥帶對發電量的影響分析及解決方案

蔣領

摘 要：對于建設在工商業屋頂的分布式光伏電站而言，由于其緊鄰用電側，降低了附加的輸配電成本，且廠房業主用電可享受折扣；再加上國家政策的大力支持，近幾年，此類光伏電站在中國中東部地區實現了飛速發展。但在后期運維中發現，建設于工商業屋頂的分布式光伏電站受屋頂坡度及施工條件的限制，光伏組件安裝傾角一般為2°～6°，導致光伏組件除了表面易積灰外，其下沿邊框處也堆積了一層厚泥帶，極易影響光伏電站發電量。因此，亟需一種成本低、效能高、維護率低的解決方案。以建于西安市某工商業彩鋼瓦屋頂的4.6 MW分布式光伏電站為實驗場地，分別采用短期和長期兩種測試方式，重點研究泥帶對光伏組件發電量的影響，提出了利用導水排塵器清除積水和泥帶的解決方式，并對其效果進行驗證。研究結果顯示：1）在保持光伏電站原有清洗狀況不變的前提下，通過兩年的長期測試發現，1#、2#和3#廠房屋頂安裝有導水排塵器的各光伏支路的累計發電量平均值比未安裝導水排塵器的光伏支路的累計發電量分別提升了5.17%、13.13%和0.58%；2） 光伏組件的安裝傾角越小，泥帶對其發電量的影響越嚴重。

關鍵詞：工商業屋頂；分布式光伏電站；泥帶；光伏組件；發電量；導水排塵器

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

光伏組件表面積聚的灰塵會降低光伏電站的發電量[1-7]，尤其是在干旱和半干旱地區，光伏電站發電量的降低幅度更為明顯[8-9]。針對灰塵對光伏電站發電量的影響及其相關清潔方法的研究已有多年[10-13]。然而，以往的研究主要集中在均勻分布的灰塵對采用大安裝傾角光伏組件的光伏電站發電量的影響，而針對非均勻分布的灰塵對光伏電站發電量影響的研究則很少，尤其是采用小安裝傾角光伏組件的情況下。

近幾年，中國中東部地區建于工商業屋頂的分布式光伏電站得到了飛速發展。此類光伏電站中光伏組件幾乎是平鋪在工商業廠房的彩鋼瓦屋頂上，安裝傾角較小，一般為2°～6°，在光伏電站的實際運維中發現，光伏組件除了表面易積灰外，其下沿邊框處也堆積了一層厚泥帶。此種泥帶的形成原因主要是：光伏組件鋁合金邊框一般比框內發電的玻璃區高1.0～1.5 mm，導致采用小安裝傾角的光伏組件表面的積水不能及時排出而在下沿形成積水區，積水蒸發后，積水中含有的灰塵便形成了一條泥帶。這不僅降低了光伏組件的發電量，還對泥帶區的太陽電池造成局部遮擋，從而導致光伏組件出現熱斑和彩虹紋，降低了光伏組件的使用壽命。

本文以建于西安市某工商業彩鋼瓦屋頂的4.6 MW分布式光伏電站為實驗場地，分別采用短期和長期兩種測試方式，重點研究泥帶對光伏組件發電量的影響，并提出利用導水排塵器清除積水和泥帶的解決方式，然后對其效果進行驗證。

1? 實驗設計

1.1? 實驗環境及測試方式

本分布式光伏電站中光伏組件的安裝傾角為2°～6°，2019年3月初經歷一次小雨之后，通過現場觀察發現，光伏組件下沿處的泥帶較厚，如圖1所示，其會對光伏組件的發電量產生影響。

發電量是衡量1條光伏支路發電效率的重要指標，同時也是光伏電站業主最關心的數據。針對泥帶對光伏組件發電量的影響，下文分別進行短期及長期測試，以便得到相關數據，用于判斷影響程度。

1）短期測試。選取1#廠房編號為12HL09的匯流箱，從中挑選出潔凈程度一樣、發電量相近的4條光伏支路，編號分別為01#、04#、05#、08#，每條光伏支路均為由20塊光伏組件串聯形成的光伏組串。2019年3月7日，實驗人員使用拖把于12：30對04#光伏支路的泥帶進行清除，并于13：00完成清除工作，但非泥帶區未做清洗；另外3條光伏支路的光伏組件未做任何清洗，均保留泥帶，將04#光伏支路作為對照組，以此來判斷泥帶對光伏組件發電量的影響。

2）長期測試。為觀測泥帶對光伏電站發電量的長期影響和驗證導水排塵器的長期有效性，在保持光伏電站全年清洗狀況不變的前提下，選取1#廠房（光伏組件的安裝傾角為3°、南北朝向）編號為12HL09、2#廠房（光伏組件的安裝傾角為3°、東西朝向）編號為41HL05、3#廠房（光伏組件的安裝傾角為6°、東西朝向）編號為21HL01的3臺匯流箱，從每個匯流箱中挑選數條累計發電量相近的光伏支路。從每個匯流箱已選出的光伏支路中選取1條光伏支路作為對照組，不安裝導水排塵器；其余光伏支路均安裝導水排塵器，作為實驗組。測試時間為2021年2月23日—2023年1月18日，測試期間每隔一段時間讀取1次選出的每條光伏支路的電表讀數，然后利用每條光伏支路測試結束日的電表讀數減去其測試起始日的電表讀數，得到該期間每條光伏支路的累計發電量。

實驗采用的導水排塵器由筆者參與研發，經過2年不懈努力才試制成功。其基本原理為：借鑒煤油燈燈芯將低處的煤油吸到高處而燃燒的原理，利用高分子親水性材料的親水性來實現清除光伏組件下沿邊框處積水及泥帶的目標。首先將導水排塵器安裝在光伏組件下沿邊框處，通過高分子材料的親水性基團給水一個吸力，再結合水自身的表面張力，二者一起將下沿邊框處的水和灰塵積聚混合為懸濁液，然后利用導水排塵器的L形結構引導懸濁液翻越邊框排出，進而從源頭上解決了光伏組件下沿邊框處的積水及泥帶問題。本導水排塵器的實物圖及其親水基團作用示意圖如圖2所示。

1.2? 導水排塵器最佳安裝位置

光伏組件鋪設過程中，由于屋面情況及人為施工因素會導致某些光伏組件不能完全平行于屋面，且大部分光伏組件左右方向上略有高度差，致使每塊光伏組件底部泥帶聚集區域各不相同。

通過實地觀測發現，泥帶形狀主要分為4種：長方形、橫置梯形、大三角形（泥帶覆蓋面積超過下邊框的1/2）和小三角形（泥帶覆蓋面積未超過下邊框的1/2）。根據不同泥帶形狀，基于水在重力作用下從高處流向低處的原理，為迅速排掉光伏組件下沿由水和灰塵混合形成的懸濁液，導水排塵器安裝位置及數量分為以下幾種情況：1）泥帶為長方形時，該泥帶形狀是因為光伏組件下沿左右方向上的高度差幾乎為零，需安裝兩個導水排塵器，分別安裝在光伏組件下邊框的兩個1/4點位置，如圖3a所示（圖中紅色三角形指示的點即為導水排塵器最佳安裝位置，下同），每個導水排塵器負責排除光伏組件下沿1/2部分的懸濁液；2）泥帶為橫置梯形或大三角形時，該泥帶形狀是因為光伏組件下沿左右方向上的高度差略大于零，需安裝兩個導水排塵器，分別安裝在光伏組件下邊框的正中心位置和泥帶最寬處的邊框邊角處，分別如圖3b和圖3c所示；3）泥帶為小三角形時，該泥帶形狀是因為光伏組件下沿左右方向上的高度差較大，需安裝1個導水排塵器，安裝在泥帶最寬處的邊框邊角處，如圖3d所示。

2? 泥帶對光伏組件發電量影響的短期及長期測試

2.1? 短期測試

在04#光伏支路的泥帶完成人工清洗前（即13：00前），01#、04#、05#、08#光伏支路的工作電流值相差不大；清洗后，01#、05#、08#光伏支路的工作電流值仍然相差不大，而04#光伏支路的工作電流值卻在清洗后的短時間內直線提升，提升了2倍多，具體如圖4所示。

2019年3月7—14日期間4條光伏支路的累計發電量如表1所示。

著高于其他3條光伏支路的累計發電量，且其累計發電量相對于其他3條光伏支路的均值提升了約134%。這主要是因為下沿泥帶造成光伏組件局部遮擋，進而使光伏組件的工作電流減小，由于整條光伏支路是由光伏組件串聯而成，根據串聯等流的原理，整條光伏支路的工作電流等于受泥帶影響最嚴重的光伏組件的工作電流，導致整條光伏支路的發電量受到嚴重影響。但在實際光伏電站運維過程中，光伏組件會定期進行清洗，所以測試期光伏支路的累計發電量不會僅 50 kWh 左右，124 kWh才應該是發電量的正常值。由于人工清洗費時費力，成本較高，因此探尋一種新型的光伏組件清洗方式尤為必要。

2.2? 長期測試及導水排塵器有效性驗證

2021年2月23日—2023年1月18日期間，分別記錄1#廠房屋頂編號為12HL09匯流箱的4條光伏支路（分別為01#、03#、04#、05#光伏支路，其中，04#光伏支路未安裝導水排塵器，其下沿一直存在泥帶）、2#廠房屋頂編號為41HL05匯流箱的4條光伏支路（分別為02#、03#、06#、11#光伏支路，其中，03#光伏支路未安裝導水排塵器，其下沿一直存在泥帶）、3#廠房屋頂編號為21HL01匯流箱的4條光伏支路（分別為03#、04#、07#、09#光伏支路，其中，04#光伏支路未安裝導水排塵器，其下沿一直存在泥帶）各自的電表讀數，最后統計得到測試期間各光伏支路的累計發電量，具體如表2所示。

從表2可以發現：測試期間，1#、2#和3#廠房屋頂安裝有導水排塵器的各光伏支路累計發電量的平均值比未安裝導水排塵器的光伏支路的累計發電量分別提升了5.17%、13.13%和0.58%，驗證了導水排塵器的有效性。但3#廠房屋頂安裝導水排塵器的光伏支路的發電量提升幅度相對較小，這主要是因為該廠房屋頂的光伏組件安裝傾角相對較大（約為6°），而1#和2#廠房屋頂光伏組件的安裝傾角約為3°，安裝傾角越大，泥帶的寬度越窄，相同降雨強度下，雨水在光伏組件表面形成的徑流沖刷泥帶的力度就越大，泥帶對發電量的影響就越小，因此，導水排塵器對發電量的提升也就越有限。

雖然1#和2#廠房屋頂光伏組件的安裝傾角約為3°，但這兩個廠房屋頂的光伏支路在安裝導水排塵器后的發電量提升幅度差值卻非常大，約為8%?，F場觀察后，發現這主要是因為1#廠房屋頂光伏組件的泥帶集中在邊角處，整個下沿未被全部覆蓋，而2#廠房屋頂光伏組件的整個下沿均被泥帶覆蓋。

3? 結論

為分析光伏組件下沿堆積的泥帶對光伏組件發電量的影響程度，本文以建于西安市某工商業彩鋼瓦屋頂的4.6 MW分布式光伏電站為實驗場地，分別采用短期和長期兩種測試方式，重點研究了泥帶對光伏組件發電量的影響；提出了利用導水排塵器清除積水和泥帶的解決方式，并對其效果進行了驗證。研究結果顯示：

1）在保持光伏電站原有清洗狀況不變的前提下，通過兩年的長期測試發現：1#、2#和3#廠房的屋頂安裝有導水排塵器的各光伏支路的累計發電量平均值比未安裝導水排塵器的光伏支路的累計發電量分別提升了5.17%、13.13%和0.58%。

2）光伏組件的安裝傾角越小，泥帶對其發電量的影響越嚴重。

在該光伏電站后續的實際運維中也發現，每次下完一場小到中雨，泥帶形成后，光伏電站的發電效率呈階梯式下降，因此需定期組織人員對光伏組件進行清洗；然而不管是水洗還是干拖都存在經濟成本較高、作業安全風險較高等弊端。因此，本文提出的安裝導水排塵器的方式，既能降本增效，又能減少清洗作業帶來的安全風險，且其目前已在全國多地的工商業分布式光伏電站投入使用，獲得了廣泛認可。

由于導水排塵器只能解決光伏組件下沿泥帶問題，不能解決非泥帶區的灰塵對光伏組件發電量的不利影響，尤其是降雨稀少的月份，雨水較少，不能將上部非泥帶區的灰塵帶到下部泥帶區，也就不能通過導水排塵器將其排走，所以，在降雨稀少的月份，還需采取人工清洗與導水排塵器相結合的措施來解決。導水排塵器可以彌補人工清洗由自身條件限制帶來的弊端及清洗后的收益問題，同時可減少清洗次數、降低清洗時的安全風險；人工清洗又可以彌補導水排塵器長期使用后堵塞及長期不降雨而無法發揮作用的問題。

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