基于沙尘恶劣环境下光伏电站电量提升的研究
时间：2023-02-16 13:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
王登杰，颜鲁薪
（武威职业学院，甘肃 武威 733000）
光伏发电作为非常重要的可再生能源利用形式，已经受到世界各个国家的高度关注。根据国家能源局日前所公布的2021年光伏发电运行数据，截至2021年，我国光伏发电新增并网容量已达5 488万 kW，其中集中式光伏电站2 560.07万 kW，分布式光伏2 927.9万 kW，与2020年相比较仍然处于上涨态势。当前我国所建成的大型地面光伏电站大多数都被建设在气候环境相对较差且地理位置比较偏远的地区，其日常运行中的运维工作难度较高，尤其是在沙尘恶劣天气中，光伏组件表面的积尘会大幅度影响光伏电站的整体发电量。因此，在沙尘恶劣天气中，如何清理光伏组件上的积尘，已经成为保障光伏电站发电量的重要途径。
本电站位于沙漠地带，地势空旷，周围环境多变，受风向、沉积在组件上的沙尘量、地湿等因素的影响。待测实验电站装置选为额定功率为1.5 kW多晶硅光伏组件，12 V/25 Ah太阳能胶体电池，3 kW光伏逆变器。
光伏电站在运行过程中，光伏组件通过吸收太阳光，将光能转化为电能，而影响电站整体发电量的诱因主要有光伏组件的装机容量、峰值小时数以及系统的运行效率等。当光伏电站选址施工，竣工投入运行后，前两个影响因素已经基本确定，要想提升光伏电站的整体发电量，相关技术人员需从提升系统运行效率的方面入手[1]。
通常来说，影响光伏组件系统效率的主要因素有以下几个方面。
（1）自然环境因素。光伏电站所处地理位置的气候环境、太阳辐射强度等自然条件都会对光伏电站产生决定性影响。
（2）设备因素。如光伏组件的自身性能、相关构件的运行效率、直交流线线损情况等。但设备原因受产品自身型号与参数的限制，可优化空间相对较小[2]。技术人员需结合光伏电站所处环境的气候特点，做好对光伏组件的运维工作，进而提升光伏电站的发电量。
本文所述案例地处沙漠地区，经常会面临周期较长的恶劣沙尘天气。随着运行时间的推移，沙尘天气中弥漫的细小颗粒物会累积在光伏组件的表面，久而久之在其表面形成积尘。通过对该光伏电站的气象环境以及发电量进行分析，发现光伏组件表面的积尘量会对组件整体发电量产生直接影响[3]。表1为该光伏电站阶段性气象情况。
表1 光伏电站阶段性气象数据
本文所述案例中的光伏组件为晶体硅光伏组件，通过以上数据分析，最终得单位面积内的光伏组件输出功率与积尘量的关系如图1所示。
图1 单位面积内的光伏组件的输出功率与积尘量之间的关系
通过上述数据可知，光伏组件在运行过程中，其自身的输出功率会随着其表面积尘量的不断提升而逐渐下降[4]。当光伏组件的积尘量达到100 g/m2时，光伏组件的输出功率仅为24 kW，因此，在恶劣沙尘环境中，要想有效提升光伏电站的发电量，做好光伏组件表面清理工作具有非常重要的现实意义。图2为表面干净的光伏组件与表面布满沙尘的光伏组件在同一时期内的输出功率情况[5]。通过数据可知，布满积尘的组件在运行中，其输出功率与表面洁净的组件相比下降了24.05%。
图2 有无积尘的光伏组件时刻输出功率曲线图
以本文所述案例为例，该光伏电站安装的光伏组件容量为50 MW，该光伏电站的月发电量计算公式为
式中：W为光伏电站的月发电量；
Q为该地区日均太阳辐射总量；
n为自然月中的自然天数；
A为光伏电站中所有光伏组件的表面积之和，本文案例中光伏组件的表面积为250.3 km2；
μ为光电转换率，结合上述案例所在地理区域以及相关实验数据，该数值取13%[6]。分别将积尘量为100 g/m2、30 g/m2时的光伏组件运行各项数据代入到以上公式，最终得到的数据如表2所示。由上述数据可知，在恶劣沙尘天气中，做好对光伏组件表面积尘的清理，能够有效提升整个光伏电站的发电量。
表2 提升光伏组件表面清洁度后光伏电站发电量变化（单位：万 kW·h）
我国大部分光伏电站都被建设在具有丰厚太阳能资源的沙漠地带，因此要想保障光伏电站的整体发电量，应对其开展定期除尘工作[7]。在此过程中技术人员可运用以下几个方式开展该项工作。
3.1 加装清洁装置进行除尘
以往光伏组件除尘需运用人工手持式除尘设备，需要工作人员手持除尘设备至光伏组件表面对其进行清理。但该种清理方式需要消耗大量的人力成本，且清洁效率相对较低，危险系数较高，因此现阶段很少运用该种清洁方式。运用加装清洁装置对该设备进行除尘是当前应用相对广泛的清理方式，图3为该种清洁方式的现场施工画面。在实际施工中，技术人员需将清洁装置安装在运输车或者其他机械设备中，通过对光伏组件进行水洗或者干扫，进行除尘，效果明显[8]。该种清洁方式的优势明显，相关采购部门只需要采购相应的机械设备，即可实现对设备的循环使用，有效降低在除尘工作中的整体投资费用。但在采购中，相关技术人员应重点关注机械的动力，保障工程机械与清理设备之间的动力相匹配。且在实际除尘中，应由专业驾驶人员进行驾驶操作，避免由于操作不当造成光伏组件被破坏的现象[9]。
图3 加装机械设备现场作业画面
3.2 运用清洁机器人进行除尘
清洁机器人是现阶段光伏组件除尘工作中所应用的全新的除尘设备。根据工作方式的不同，可将该设备划分为飞行类、爬行类、轨道类以及自动行走类。其中，飞行类机器人其主要工作原理是在无人机技术的基础上，在该设备尾部安装一个体积较小的清洁装置，在实际工作中可清理一些大型清洁设备无法覆盖的死角位置，对于一些面积较小的光伏组件具有较高适用性。爬行类对比工作原理与智能化扫地机器人极为相似，相关技术人员需在实际应用前制定好该机器人的运动轨迹，在其运行中可按照既定轨迹进行除尘[10]。但该设备在实际应用中，其作业范围具有较高局限性，在对不同的光伏方阵进行除尘时，需要人为干预，因此对于一些面积较大的光伏电站，所需成本相对较高。轨道类设备其主要作业原理为，在光伏组件上下两侧安装轨道，并将太阳能驱动清洁装置安装在轨道上完整除尘工作。该类设备在实际应用中，在室外条件较好的情况可顺利完成除尘工作，但遇到恶劣天气极易发生故障，而且仅可在连续的光伏组件上完成除尘。而自动行走型机器人能够按照相关技术人员既定的作业路线完成相应的除尘工作，且能够在恶劣天气中完成除尘工作，其实际运行过程中即使遇到相对比较复杂的地理环境，也能够完成清理工作，对于面积较大的光伏电站，具有比较理想的应用效果。另一方面，自动行走型清洁机器设备中还可安装相应的监控系统，在其除尘过程中可实现对光伏组件实际运行状态进行检查，最大限度保障光伏组件的顺利运行。
综上所述，在光伏电站实际运行中，在恶劣沙尘天气条件下组件表面的积尘是影响光伏电站发电量的重要因素之一。本文主要以我国某一光伏电站为例，重点分析并计算积尘对光伏电站发电量的影响情况，探讨了清除光伏组件积尘的有效策略。
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