廖 皓， 单诗涵， 刘 聪， 周楚昂， 田维生
（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610000）
0 引言光伏发电是一种可再生能源，它是将太阳能转化成电能的过程。在光伏板上，太阳能会被吸收，电子从材料的价带跃迁到导带，形成电流，进而发电。落尘是指空气中的粉尘、沙尘、烟尘等微小颗粒物质。落尘对光伏板的影响是多方面的，包括影响太阳辐射的强度、损伤光伏板表面等，对发电量造成影响[1]。
当前，光伏已经成为我国的重要大力发展的能源之一。但落尘对于光伏发电的影响不容忽略，不同地区落尘的情况也是千差万别的。因此，本文将会对于落尘在中国各个地区对于光伏发电量的影响进行探讨，并且结合数据进行分析。
1 光伏电站概况光伏电站主要分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。在光伏电站建成后，后期运维会直接影响发电量。中国地域辽阔，尤其是光伏电站所处的环境大多极为恶劣，其中落尘的存在对于发电量影响极为巨大，导致发电量的降低。另外降水量、风力等级、灰尘性质、安装的倾斜角度、落尘的沉积浓度等。这些因素均会对光伏发电产生一定程度的影响[2]。
目前国内相关方面的研究较少，因此在这里引入国外对于落尘对光伏发电效率影响方面的研究分析。
2 国外针对落尘影响研究考虑到落尘对于光伏发电量的损失，国外研究机构和学者通过建立各种实验和模型详细论证了落尘的影响性程度，并结合地域差异、落尘类型、降水量差异、土壤特征、太阳入射角等，将落尘对于发电量的影响进行了量化研究。
2.1 落尘概念在上述落尘的分析理论中可以引入落尘概念，我们可以理解为污染对于光伏发电的影响。引入这个概念是因为国外机构将落尘率定义为影响光伏发电的一个重要手段，通过对日平均落尘率、年平均落尘率评估出一套合理的演算模型，从而测算出落尘对于光伏发电的影响。
落尘污染很容易造成每天1%的发电量损失，当然也是一种特定地点的现象，尤其受当地气候条件的强烈影响。主要的污染类型：矿尘沉积，鸟粪便、细菌、生物膜、地衣、苔藓或真菌、植物碎片或花粉、发动机尾气或工业排放和农业排放如饲料粉尘[3]。
2.2 污染物对组件发电影响有各项研究表明了污染对于光伏组件产生了严重的影响，但对于影响的程度我们需要通过实验数据分析并得出结论。
研究分别选取了世界上几个有着不同气候条件和污染源类型的区域进行了测试，他们分别是意大利安科纳，地中海气候；美国亚利桑那州，热带沙漠气候；印度的金奈，湿热/干燥的气候；德国科隆气候较为温和；沙特阿拉伯的图瓦尔，热带的沙漠气候同时伴随沙尘暴。
通过对上述几个地点采集到对应的年辐照度总和的数据范围，对该几个地区长达两年的实验数据采集。
实验结果分析：
1）自身清洁度影响：降雨导致光伏组件的性能几乎完全恢复。但如果湿度冷凝物在表面或由藻类生长引起，可能会发生永久污染，从而导致发电量的下降；
2）气候因素影响：在研究结果中发现当实验类型为热带沙漠气候或干旱气候时，SLF 的值将不可预测，即光伏发电效率的变化情况将极难统计出规律，因此需要更多的数据支撑；
3）同为热带沙漠气候的美国亚利桑那州和沙特的图瓦尔进行比较发现，由于亚利桑那州周期性降雨的存在，年损失发电量的下降小于4%，而图瓦尔大量的粉尘沉降和缺少降雨导致年性能损失大于50%。
2.3 多因素对光伏发电效率叠加影响在上述我们讨论到落尘对于发电量的影响是极为严峻的，但在这其中仍然存在其他因素配合落尘对光伏发电带来影响，将这些因素综合在一起将导致发电效率减少形成线性叠加的关系。
这里主要包括降水量降尘量、光伏板的倾斜角度、辐照度、散热、地区积尘差异、风的影响、空气污染、灰尘性质等。这些因素的存在均会导致光伏发电损失[4]。
1）在沙特阿拉伯对光伏面板积灰的除尘效果进行了研究，选择固定倾角24.6°进行为期8 个月的实验，结果表明，每天清洗的面板比从未清洗的面板输出功率增加了32%[5]。
2）在印度Garg 进行了45°角的积尘遮挡实验，结果显示，在灰尘遮蔽作用下光伏面板的平均透射率在10 d 后降低了8%[6]。
3）Hegazy 以0°～90°的光伏面板进行灰尘对辐照度影响的实验，当灰尘沉积较少时对辐照度影响较小，当面板灰尘增多时对辐照度的影响也相应增大[7]。
4）散热也是影响光伏发电的一个重要因素之一，当灰尘量积累到一定程度时就会在光伏板局部形成积聚效应，轻则影响发电，重则可能会形成热斑，对光伏组件的寿命也会产生严重的影响。实验表面当光伏板表面每升高1 ℃，发电输出功率下降0.5%[8]。
5）Goossens 等经过在沙漠的长期观测发现：灰尘最大程度沉积通常在最高风速时才会形成。此外，风洞内的实验表明：在高风速影响下形成的积尘将有更高透射率；通过不同风向对灰尘沉积过程的影响发现，刮向面板表面的风会提高积尘效果，而刮向面板背面的风几乎不影响灰尘沉积作用。较大风速对沉积在光伏组件表面的非粘结性灰尘有除尘效果[10]。
6）Hegazy 和Elminir 等研究了积尘对于暴露在环境中的清洁玻璃试样的影响。在30 天后得到结果，对于倾斜角为0°、3°和90°的面板，Hegazy 记录的损失分别是27%、17%和3%。Elminir 记录的损失是27%、18%和6%。两个记录点都位于埃及，第一个记录点在强污染农业区，第二个记录点在强污染的工业区[9-10]。
由于上述各实验结果均表明了对于光伏发电存在多重因素的影响，因此我们需要采用一些手段来避免或减少这些因素带来的发电损失。
2.4 改善落尘影响的方式国外学者对于改善落尘的影响也提出了多种策略，例如通过在光伏组件表面增加防污染涂层、使用平单轴对太阳进行跟踪发电、通过主动或被动加热减少水汽凝结并避免与落尘凝聚、通过改善组件内部串并联方式减小局部落尘对于整体的发电影响、改善电站周边环境等[3]。
但对于这些策略均存在相应的不足之处，很难大范围应用。
3 传统清洁方式提效研究落尘对于光伏组件的发电影响较为巨大，因此光伏组件的清扫成为一个必不可少的环节。目前应用较为广泛的清扫方式主要有人工水洗和水车冲洗。这两种方式均存在较大的局限性。
1）人工水洗针对大型电站清洗周期过长，使用成本高，清扫质量不可控；
2）水车清扫虽然能够提升清扫效率，但对于建立在沙漠戈壁或水源严重缺失的电站，这种方法不易实现。同时水车清扫质量不可控；
3）针对分布式屋顶类型的电站，存在人工清扫困难的问题及安全风险。
上述清洁方式均存在清扫质量不可控的现状，容易产生局部清扫不干净并对光伏组件发电产生短板效应，整体组串发电效率降低甚至产生热斑影响组件寿命。
4 安装清扫机器人提效研究由于人工清扫成本和质量的不可控，因此市面上逐渐出现了以清扫机器人替代人工清扫的应用方式。光伏清扫机器人不仅可以提高清洁的效率，而且可以保证清洁的精准度。
4.1 机器人清扫模式介绍目前市面上现存的光伏清扫机器人，可通过与SCADA 系统联网，远程实时监控，并通过数据采集判断清扫是否成功。在保证清扫机器人性能的前提下，实现无人值守自动清扫，不仅省去了人工成本，也避免了在人工清扫过程中对组件造成损伤或清扫不干净形成短板效应。
4.2 发电量对比方案选取对照组：选取与清扫机器人覆盖的逆变器容量相同，地理位置及条件相接近的阵列作为对照组。
数据初始化：由于选取的对照组与清扫组的发电能力可能存在差异，因此为了提高发电提升数据的精确性，我们需要统计2 组阵列均不做清扫的情况下，一个月内的各自累计发电量，做为未来清扫提效的比照数据。统计期结束后，记录各阵列的发电量数据并存档（对照组发电量E0，ref，清扫组发电量E1，ref）。如果电站后台可以直接读取汇流箱历史发电量数据，则直接使用该数据进行计算。
发电校正系数a1=（E1，ref-E0，ref）/E0，ref。
清扫数据记录：设置清扫组清扫频次为每日一次，连续统计清扫组与对照组阵列三个月（或更长时间）的累计发电量数据E1，3m，E0，3m。
清扫提效分析：根据清扫、对照组初始数据，清扫组提效E=a1+（E1，3m-E0，3m）/E0，3m。
4.3 不同地区的提效分析通过对于中国不同区域安装光伏清扫机器人实现无人值守作业清扫光伏组件，得到了国内不同区域不同气候条件以及不同时段下，落尘污染对于组件发电量的影响数据，并分析通过部署光伏清扫机器人所带来的提效情况。
以下选取试验的几个地点分别涵盖中国东北、华东、西北等地，污染类型涵盖自然落尘、风沙、空气污染、粉尘等，这些地区将作为中国不同区域、气候类型、污染类型下的典型案例进行分析，得出相应的提效分析结论。见表1。
表1 提效分析结论
通过上述不同地点实验及其数据得出以下结论：
1）对于不同区域下落尘污染对于光伏组件发电量的影响程度不同；
2）地处内陆深处且频繁有沙尘的光伏电站，沙尘对于组件发电的影响程度较大；
3）不同污染源类型对于组件发电的影响差异较大，即当光伏电站附近有工厂等空气污染时，给组件发电量带来的影响无法预测，影响程度也较为严重；
4）即使是自然落尘下，组件发电受其影响在一些特定的季节下也较为强烈；
5）光伏清扫机器人的提效显着，在多数情况下能够为光伏电站带来可观效益。
5 结语光伏落尘是一个普遍存在的问题，对光伏发电效率有一定的影响。目前，世界范围内已经进行了大量关于光伏落尘的研究，但是国内的研究相对较少。
本文主要介绍了中国不同地区的落尘情况，并且结合数据进行了分析。东北地区和西北地区的落尘问题比较突出，光伏发电量受其影响严重。而华中地区由于不同污染源类型的存在，对于光伏板积灰的情况也不一样，因此对光伏发电效率造成了不同程度的影响，以屋顶类型的分布式电站为例，主要由于小角度倾角积灰或工厂排放的污染气体的原因。
在落尘污染对光伏发电产生日益影响的背景下引入光伏清扫机器人概念并明确清扫机器人的便捷性和对比人工清扫所带来的优势。对于污染较为严重且电站范围较广的区域，尤其是水资源匮乏的地区，且电场对清扫频率要求较高时，人工清扫的优势不复存在。因此光伏清扫机器人未来取代人工清扫，可能成为光伏电站组件清洁的主要选择。
