霧霾、揚塵、飛灰對光伏發電到底有多要命

2021-01-19 索比光伏網

光伏人的最大夢想之一，就是利用太陽能清潔能源來拯救「霧霾的中國」(亦或是「霧霾中的國」)。但是具有諷刺意味的是，太陽能電池靠天吃飯，不見天日的霧霾，太陽能電池也無力回天……空氣汙染對光伏發電到底有多大的影響?說實話學界的研究少得可憐，高質量的研究就更少了。小編就來給大家梳理一下，一網打盡所有重要的研究(如有遺漏，勿拍)。時間碎片化的時代，這就是小編能給大家盡的最大心意了。


為什麼光伏發電怕霧霾?


如有謬誤請氣象學家指正，小編認為霧指的是水汽，霾指的是空氣中的灰塵形成的氣溶膠顆粒(aerosol)。如果搞不清氣溶膠顆粒這種東西對光伏發電影響有多大，只需要類比它對植物生長有多大影響就好理解了：在空氣中的渾濁顆粒影響植物光照(光照輻照度直接下降)，顆粒物沉澱到植物上面又影響了植物氣孔對氧氣和二氧化碳的交換(光伏板被灰塵覆蓋，光透不到電池上)，所以植物根本長不好(光伏發電受影響)。


(您覺得這個天能發多少電?)

01汙染物沉積

這一部分的研究比較早。原因可能在於其研究方法相對簡單，實驗可控性也比較高。希臘一個組做了比較系統的研究，比較了同樣覆蓋條件下土壤、石灰、灰塵沉積對發電性能的影響，其中灰塵(也就是空氣汙染的主要產物)的影響是最大的，當集灰密度達到3克每平方米時，發電量可以降低15%以上。這個結論，跟後來馬來西亞一個研究組更全面的研究的結論基本一致(Darwish, Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015)。原因大致在於，灰塵的顏色深，顆粒小，透光性差，薄薄一層的覆蓋就透不了多少光了。


(Kaldellis，Energy，2011)

2017年杜克大學的工作比較精彩(Bergin, Environmental Science and Technology, 2017)。顯示定期清洗對提升發電量很有好處。作者沒好意思說，不過小編發現文章裡大概在2月中旬的那次清洗顯然極其失敗——清洗完了沒多久發電就開始迅速往下掉了。顯然是非常倒黴，剛清洗完事兒就來了一場大霧霾……(就跟剛洗車就下雨一樣)。這再次顯示了氣象預測對運維極其重要的意義


(擦一擦更健康)

01空氣汙染對輻照的影響

這一部分的研究相當長時間來一直是個空白。原因大概在於需要大數據做支撐，長期的數據收集，以及對氣象條件和光伏發電的關係具有深刻的理解。普林斯頓大學研究組2017年發表的工作應該是這個領域頂級的工作了(Li，PNAS，2017)。這個研究組通過分析NASA的雲和地球輻射能量系統(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System，CERES)結合光伏系統建模(PVLIB)得出結論：相比於非霧霾天，每一個霧霾天，輻照度可以減少1.5kWh/m2之多，相當於減少了35%的直射輻照度。分析了中國2003到2014年的數據，得出另一個驚人結論：華東和華北地區因為空氣汙染在12年間少發了20-25%的電。


(華東華北，空氣汙染慘不忍賭……)

這裡面有意思的是，萬惡的霧霾可以提升15-40%的散射輻照度(Cohan，Global Biogeochemical Cycles, 2002)，算是可以小小挽回顏面。也因為如此，追光系統因為對直射光的利用率更高，所以受空氣汙染的影響更大。


(華東華中，雲又厚，汙染又大，慘……)

01綜合影響

再度回到精彩的杜克大學的工作。精彩在於他們的研究結合了空氣中的顆粒和沉積到組件上的顆粒的綜合影響。基本上他們認為，懸浮在空中的汙染物和沉積到組件上的汙染物，對發電的影響是一比一。綜合起來會導致17-25%的發電量下降。對於中國來說，就是10個吉瓦的量級了!

我們必須相信，清潔能源的大量布局以及化石能源的退出，是解決霧霾和空氣汙染問題的根本途徑。所以我們相信，光伏的單體發電量也會因為汙染源的減少而增加。而電站業主能控制的就很有限啦!你又不是諸葛亮可以借東風吹散霧霾。所以最好的辦法就是在氣象信息的指導下，好好做好精細運維，在該清洗板子的時候好好清洗(反之，不該清洗就不要清洗……)。

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