太陽能是清潔、安全的可再生能源, 在長期的能源戰略中具有重要地位。根據IEA PVPS發布的2016年全球光伏市場報告， 截止2016年底，全球太陽能光伏裝機容量累計超過300GW。根據國家能源局公布數據顯示，截至2016年底，中國光伏發電累計裝機容量77.42GW，新增裝機容量34.54GW，新增和累計裝機容量均為全球第一。 預計到2030年光伏裝機容量將達1.4億kW, 年發電量可達1300億kWh。
大氣灰塵是影響太陽能發電效率的關鍵因素之一 , 美國「機遇」號空間探測器剛開始火星探測任務時,1.3m的太陽能電池板每天可以提供900Wh的電能, 然而到2010年6月, 隨著太陽能電池板沾上火星灰塵, 每天提供的電能降到了500~600 Wh。灰塵汙染會大幅降低光伏電站發電量, 估計每年至少在5%以上, 如按照2020年全球裝機量預計將達到500GW左右計算, 每年因灰塵降低發電量而造成的經濟損失將高達50億美元。隨著電站裝機量的不斷增長, 這一損失會愈發嚴重—2030年全球裝機總量約1400GW時, 灰塵造成的經濟損失預計將高達130億美元。
研究從大氣灰塵的來源、種類及特性方面分析大氣灰塵對光伏發電的影響, 結合目前光伏組件表面清洗工程的技術手段, 進一步指出了目前研究及應用中存在的不足和將來應重點關注的研究方向。
1 灰塵來源及特性分析
灰塵是由懸浮在空氣中的微粒所組成的不均勻分散體系。是細幹而成粉末的土或其他物質的, 被化為微細部分的某物體細的粉末, 灰塵顆粒的直徑一般在百分之一毫米到幾百分之毫米之間, 小於10μm的懸浮粒子 (PM10),即被認定有害於人體;小於2.5μm的細顆粒物 (PM2.5),更可穿透肺泡直達血液。大氣灰塵的來源和組成因所處的地理位置、氣候條件、季節和人類活動等不同而差異較大, 如沙漠地區的大氣灰塵主要來源於沙土、紅土和沙粒, 而城鎮環境中的大氣灰塵則含有大量的來自於建築材料的石灰石、汽車尾氣排出的碳化物以及織物纖維, 人類活動對顆粒物的貢獻巨大, 空氣流動是顆粒物擴散和遷徙的動力, 也是光伏組件灰塵效應發生的重要動力學因素。
1.1 灰塵的種類
灰塵按粒徑的大小大致可分為兩種:粉塵, 粉塵是由於物體粉碎而產生和分散到空氣中的一種灰塵;凝結固體和煙霧, 凝結固體煙霧是物質在燃燒、升華、蒸發和凝聚等過程中形成的。其粒徑一般在0.1~1μm。
1.2 灰塵的特性
物理特性：包括粒徑、顏色、密度、吸水性、導熱性、分散度、粘附性等, 其中, 粒徑、導熱性、吸水性、粘附性、摩擦性等都是與光伏發電緊密聯繫的物理性質。灰塵是固體雜質, 形狀多不規則, 大多是有稜角並帶有灰、褐、黑等顏色, 且具有吸水性。以微米量級為主, 外形與理論上常採用的球形近似差異大。灰塵顆粒可能是沙粒、礦物顆粒、土壤顆粒、金屬微粒、無機鹽顆粒、水泥顆粒、植物纖維等, 也可能是動物毛髮、鳥類糞便、其他動物排洩物等。其中人類活動引入的物種所佔比例較高。
化學特性:灰塵的成分比較複雜, 就其化學成分而言, 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%。它有時會提供導致降解的酸根和金屬離子。有些灰塵本身就帶有酸性或鹼性, 例如硫酸煙霧、光化學煙霧就具有酸性, 金屬氧化物等微粒具有鹼性。另外灰塵中的飄塵由於粒徑小, 表面積大, 因此它們的吸附能力很強, 可以將空氣中的有害物質吸附在它們表面, 而呈酸性或鹼性。灰塵中往往含有黏土等物質, 會吸收空氣中水分, 使其發生水解反應, 分解出膠粘狀的氫氧化鋁。
生物特性:由於黴菌的孢子體積小, 重量, 隨著空氣到處飄移, 因而不可避免地附著在灰塵上, 所以灰塵是微生物的理想培養基、繁殖地和傳播者。微生物在生長過程會分泌出內含有酶和有機酸的黴斑。
2 灰塵對光伏發電的影響
2.1 溫度影響
目前光伏電站較多使用矽基太陽電池組件, 該組件對溫度十分敏感, 隨灰塵在組件表面的積累, 增大了光伏組件的傳熱熱阻, 成為光伏組件上的隔熱層, 影響其散熱。研究表明太陽能電池溫度上升1℃, 輸出功率約下降0.5%。且電池組件在長久陽光照射下, 被遮蓋的部分升溫速度遠大於未被遮蓋部分, 致使溫度過高出現燒壞的暗斑。正常照度情況下, 被遮蓋部分電池板會由發電單元變為耗電單元, 被遮蔽的光伏電池會變成不發電的負載電阻, 消耗相連電池產生的電力, 即發熱, 這就是熱斑效應。此過程會加劇電池板老化, 減少出力, 嚴重時會引起組件燒毀。
2.2 遮擋影響
灰塵附著在電池板表面, 會對光線產生遮擋, 吸收和反射等作用, 其中最主要是對光的遮擋作用。灰塵顆粒對光的反射吸收和遮擋作用, 影響光伏電池板對光的吸收, 從而影響光伏發電效率。居發禮的研究指出灰塵沉積在電池板組件受光面, 首先會使電池板表面透光率下降;其次會使部分光線的入射角度發生改變, 造成光線在玻璃蓋板中不均勻傳播。有研究顯示在相同條件下, 清潔的電池板組件與積灰組件相比, 其輸出功率要高出至少5%, 且積灰量越高, 組件輸出性能下降越大。
2.3 腐蝕影響
光伏面板表面大多為玻璃材質, 玻璃的主要成分是二氧化矽和石灰石等, 當溼潤的酸性或鹼性灰塵附在玻璃蓋板表面時, 玻璃蓋板成分物質都能與酸或鹼反應。隨著玻璃在酸性或鹼性環境裡的時間增長, 玻璃表面就會慢慢被侵蝕, 從而在表面形成坑坑窪窪的現象, 導致光線在蓋板表面形成漫反射, 在玻璃中的傳播均勻性受到破壞, 光伏組件蓋板越粗糙, 折射光的能量越小, 實際到達光伏電池表面的能量減小, 導致光伏電池發電量減小。並且粗糙的、帶有粘合性殘留物的黏滯表面比更光滑的表面更容易積累灰塵。而且灰塵本身也會吸附灰塵, 一旦有了初始灰塵存在, 就會導致更多的灰塵累積, 加速了光伏電池發電量的衰減。
3 灰塵清潔理論分析
戶外放置的光伏組件玻璃表面會俘獲和積累灰塵顆粒, 形成阻擋光線入射電池片的灰塵覆蓋層。重力、範德瓦爾斯力、靜電場力均對灰塵積累產生貢獻。灰塵顆粒不僅與光伏玻璃表面有力的作用, 顆粒之間也存在互作用。對灰塵進行清潔就是將灰塵從電池板表面移除。移除電池板表面灰塵要克服灰塵與電池板間的粘附作用力。電池板上灰塵有一定厚度, 對其進行清潔時, 可對其施加平行負載、與電池板呈一定夾角 (或垂直) 的負載或對灰塵層施加旋轉力矩 (圖1) , 破壞灰塵與電池板間的粘附作用, 進而移除灰塵。
q—平行與電池板的負載;F—與電池板有一定夾角或垂直的負載;M—對灰塵層施加的旋轉力矩
圖1 對灰塵的不同破壞方式
對於灰塵顆粒移除要克服灰塵顆粒切向粘附力和法向粘附力, 法向粘附力即為灰塵顆粒與電池板間的粘附力, 切向粘附力相對很小一般可忽略。若從垂直方向移除灰塵則僅需要克服法向粘附力, 例如用水清潔, 將灰塵顆粒潤溼的過程, 主要克服法向粘附力。水清潔時主要使得分子間間距增大減小範德華引力和產生浮力作用, 克服灰塵顆粒粘附受力的範德華力和重力。水中加入表面活性劑使得效果更明顯, 而且還會產生較強的靜電力使得灰塵從電池板上移除。灰塵顆粒與電池板相對運動時還要克服切向粘附力。
4 現階段光伏電池面板清洗的工程手段
灰塵效應在光伏玻璃表面形成灰塵覆蓋層, 顯著降低了太陽能電池片受光量和光伏組件的電能輸出總量, 發電量降低幅度達5%~45%, 是影響光伏發電系統工作效率的重要原因。由於灰塵顆粒與光伏玻璃表面互作用機理尚未完全清楚, 多數光伏發電系統沒有配備專用的灰塵清理設施, 主要依賴於降雨、風等自然作用對光伏面板的積灰進行清除。調查顯示, 按照通常設計標準, 每10MW電站配套工業清洗系最少需要一次性投資幾百萬元。一個300MW的太陽能發電廠可能花費超500萬美元來進行清潔, 同時在能源生產方面, 因塵土覆蓋的損失至少達360萬美元。據業內人事普遍經驗認為：光伏面板的清潔維護是提高電站運維績效水平、提升實際利用小時數量最直接有效且成本最低的方式。清潔後的光伏陣列日均發電量顯著提高5%以上。
目前很多光伏電站及相關電力公司都在探索研究經濟、有效的組件清洗方案, 同時也出現了一些專業從事光伏組件清洗的公司。但是, 不同地區降塵情況不同, 光伏電站水資源情況及場站地形地貌也有所差異, 因此組件清洗方式的選擇不能一概而論。
目前國內外已有的組件清洗方式按照其自動化水平大致可分為3類:人工清洗方式、半自動清洗方式和自動清洗方式。按照清洗時的用水量可分為有水清潔和無水清潔, 其中有水清潔可根據是否敷設水管分為有管道清潔和無管道清潔。
4.1 人工清洗
人工清洗是最原始的組件清洗方式, 完全依靠人力完成。這種清洗方式工作效率低、清洗周期長、人力成本高, 存在人身安全隱患、北方冬季無法工作的情況, 大型光伏電站很少採用人力擦洗的方式。
1) 人工乾洗組件。人工乾洗是採用長柄絨拖布配合專用洗塵劑進行清洗, 費用約為12000~13000元/10MW。使用的油性靜電吸塵劑, 主要利用靜電吸附原理, 具有吸附灰塵和沙粒的作用, 能夠增強清洗工具吸塵去汙能力, 有效地避免在清掃時的灰塵沙粒飛揚。由於完全依靠人力, 存在表面殘留物較多、組件由受力不均產生變形隱裂的問題。
壓縮空氣吹掃是通過專用裝置吹出壓縮空氣清除組件表面的灰塵, 用於水資源匱乏的地區。這種方式效率低, 且存在灰塵高速摩擦組件的問題, 目前很少有電站使用。
2) 人工水洗組件。人工水洗是以接在水車上 (或水管上) 的噴頭向光伏組件表面噴水衝刷, 從而達到清洗的目的, 壓力一般不超過0.4MPa, 這種清洗方式優於人工乾洗, 清洗效率高一些, 但用水量較大, 10MW光伏組件清洗一次約用30m水, 水洗用水成本價格約為0.2元/m, 與人工乾洗價格接近, 一些地面光伏電站目前採用此種清洗方式。但水壓過大會造成光伏組件電池片的隱裂, 導致大面積短路會造成發電效率降低。另外, 水洗組件自然風乾後, 在組件表面會形成水漬, 形成微型陰影遮擋, 影響發電效率。冬季使用高壓水槍產生的冰層會嚴重弱化組件的光學效應, 處於北方的太陽能發電廠尤為顯著。