积灰对光伏组件发电性能影响的研究.pdf

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1、第 3 0 卷 第 1 期 2 0 1 4 年 1 月 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vol.30No.1 Jan. 2014 文章编号： 1 6 7 4 - 3 8 1 4（2 0 1 4 ） 0 1 - 0 1 0 2 - 0 7中图分类号： T M 6 1 5文献标志码： A 积灰对光伏组件发电性能影响的研究 白恺1， 李智1， 宗瑾1， 翟化欣2， 赵洲2， 刘斌3 （1. 华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045；2. 国网新源张家口风光储示范电站有限责任公司， 河北 张家口075000；3. 河北工业大学，天津300019 ）

2、Influence of Dust on the Power Generation Performance of Photovoltaic Panels BAI Kai1，LI Zhi1，ZONG Jin1，ZHAI Huaxin2，ZHAO Zhou2，LIU Bin3 （1. North China Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100045，China；2. Zhangjiakou Wind and Solar Power Energy Demonstration Station Co.，Ltd.，Zhangjiak

3、ou 075000，Hebei，China；3. Hebei University of Technology，Tianjin 300019，China ） ABSTRACT：This paper prop oses an effective method and mathematic model for evaluating the effects of the dust on the performance solar panels. This method can be used to build the mathematic model of the performance degra

4、dation of solar panels through monitoring power generating efficiency and the values of the dust density on the solar panels. The built model describes the effect of the dust on the performance of solar panels and provides the quantitative analysis methods. In addition，the test platform for the expe

5、riment research is set up and the study shows that the mathematic model is credible and effective. KEY WORDS： PV panels；power generating performance； mathematic model 摘要： 提出了一种评估积灰对光伏组件发电性能影响的有效 方法及其数学模型。该方法通过监测光伏发电效率和光伏组 件连续积灰的灰尘密度值，建立了输出功率退化数学模型， 从理论上说明光伏组件表面积灰对发电效率的影响， 为定量 研究灰尘影响发电效率提供了理论支撑。搭建了试验

6、平台进 行试验研究， 验证了输出功率退化数学模型的精度。 关键词：光伏组件； 发电性能； 数学模型 大型光伏电站一般建设在气候环境比较恶劣 的地区， 这些地区常干旱缺水， 风沙严重。这些恶劣 的环境因素对光伏组件发电效率产生影响， 尤其是 长时间的风沙导致尘土等污浊物遮挡光伏组件， 影 响光线的透射率， 进而影响组件表面接受到的辐射 量。同时， 由于这些污浊物距离光伏电池片的距离 很近， 会形成阴影， 并在光伏组件具备形成热斑效 应。如果长时间不及时对光伏组件进行清洁， 将会 大幅度降低光伏电站发电量， 不仅不能满足电网的 要求， 而且还降低了光伏发电系统的利用率。 近年来国内外的一些专家或学

7、者针对灰尘沉 积对光伏组件性能的影响进行了相关研究，Wakim 研究在科威特城的沙尘环境下光伏组件持续积灰 6 d后， 光伏组件的发电功率降低17%， 并通过试验 验证在该地区气候环境下， 春季和夏季积灰对光伏 组件的影响明显高于秋冬两季；同样是在科威特， Sayigh在4至6月份测试0至60不同倾斜角下光伏组 件受积灰影响发电功率的衰减情况，在测试的38 d 内， 光伏组件表面每天的积灰量达到2.5 g/m2， 光伏 组件的透光性降低了17%64%， 特别的， 水平放置 的光伏组件3 d后发电功率损失达到30%； Grag发现 光伏组件倾斜角为45时， 室外放置10 d后， 光伏组 件的透光

8、率平均下降了8%1； 陈东兵等通过对蚌埠 2 MW非晶硅光伏电站进行测试， 发现20 d的表面积 灰造成光伏组件串的发电功率降低24%，平均每天 减少1.2%2；居发礼等建立了光伏组件积灰理论模 型， 总结了不同灰尘类型对光伏组件发电性能影响 的区别， 并通过结合人工积灰试验的方法， 提出积 灰对光伏发电性能影响的光伏积灰系数3； Hai Jiang 等人通过在室内模拟自然灰尘， 研究了灰尘沉积对 不同封装材料光伏组件性能的影响， 得出能量输出 减少率与积灰浓度呈线性关系的拟合公式4； 张风 等人建立了对灰尘沉积程度进行数学的情况下， 积 基金项目： 国家科技支撑计划课题 （2011BAA07

9、B04 ） 。 Project Supported by National Science and Technology Support Program（2011BAA07B04 ） . 清洁能源 Clean Energy 第 3 0 卷第 1 期电网与清洁能源 灰对组件输出性能的影响数学模型5。 由于光伏发电系统的发电能力是评价光伏电 站性能最重要的指标， 而灰尘对光伏组件的发电性 能影响存在普遍性， 是影响光伏发电性能的重要因 素之一， 国内对于灰尘和大气清洁度对光伏发电系 统的影响研究甚少。本文通过搭建实验平台， 对典 型地区光伏发电系统受积灰影响情况进行统计、 分 析， 确定在灰尘影响

10、条件下， 光伏组件发电性能的 衰减功率， 为日后地面大规模光伏电站的日常运行 维护提供指导。 1积灰影响光伏组件发电性能分析 1.1实验平台 EKO公司生产的 MP-170型I-V曲线测试仪， 可 以测试单个太阳能电池组件或光伏方阵离网运行 工况， 得到被测设备的I-V或P-Q输出曲线以及光伏 组件在现场测试条件和标准测试条件下的短路电 流 （Isc） 、 开路电压 （Voc） 、 填充因数 （FF ） 、 最大输出功 率 （Pm） 、 最大功率点电压 （Vpm） 、 最大功率点电流 （I pm） 、 光伏组件转换效率、 环境温度。表1是MP-170 型I-V曲线测试仪的技术参数，图1是实验平

11、台示 意图。 实验平台使用尚德生产的型号为STP280-24/Vd 的多晶硅光伏组件， 表2是该光伏组件的技术参数。 1.2长期积灰对光伏组件输出特性影响 测试河北地区某光伏电站一段周期内， 光伏方 阵受风沙影响输出功率， 利用灰尘密度定量评定光 伏方阵表面积灰量的变化情况， 能够有效反映光伏 方阵表面积灰导致的输出功率降低， 如图2所示。 可以发现， 测试期间， 在无降水天气条件下， 光 伏方阵表面的积灰持续增多； 雨水天气后， 根据降 图2河北地区某电站积灰光伏方阵输出功率 Fig. 2The power output curve of the PV array in dust a sol

12、ar power plant in Hebei 图1实验平台示意图 Fig. 1The schematic of the experimental platform 表2光伏组件技术参数 Tab. 2Technical parameters of the solar panel 序号项目参数 1规格型号STP280-24/Vd 2类型多晶硅 3输出功率/W280 4最佳工作电流/A7.95 5最佳工作电压/V35.2 6开路电压/V44.8 7短路电流/A8.33 8峰值功率温度系数/%-1-0.47 9开路电压温度系数/%-1-0.34 10短路电流温度系数/%-10.045 11光电转化效

13、率0.144 表1MP-170型I-V曲线测试仪技术参数 Tab. 1Technical parameters of MP-170 Type I-V curve tester 序号项目参数 1电压测量范围/V101 000 2电流测量范围/A120 3功率测量范围/W1010 000 4电压测量精度/%1.0 5电流测量精度/%1.0 6辐照强度测量精度/%1.5 7温度测量精度/1 8采样精度/s10 9工作温度/050 清洁能源 Clean Energy 103 水量的不同， 其对光伏方阵的表面积灰起到不同程 度的冲刷作用。随着光伏方阵表面灰尘密度的增 加， 光伏方阵的输出功率相应减少。在

14、测试的近一 个月时间内， 包括雨水天气情况的光伏方阵表面灰 尘密度平均值为0.439 g/m2， 光伏方阵输出功率减少 率平均值为5.196%。 为了验证分析的光伏方阵表面灰尘密度影响输 出功率的程度，选取天津地区夏季和秋季典型周期 的测试数据。在夏季10 d测试周期内， 包括雨水天气 情况的光伏方阵表面灰尘密度平均值为0.239 g/m2， 输出功率减少率平均值为2.823%； 秋季10 d测试周期 内，光伏方阵表面灰尘密度平均值为0.867 g/m2， 输 出功率减少率为7.156%。 秋季在长时间积灰情况下， 光伏方阵输出功率减少率明显增加，而夏季频繁的 雨水天气对光伏方阵表面积灰的清洁

15、作用显著。天 津地区积灰影响输出功率如图3所示。通过对比图2 以及图3的分析结果可以发现， 在不同的地区， 灰尘 密度对于光伏方阵输出功率的影响程度极为相似。 2数学模型的建立 利用搭建的试验平台，测试两组由相同数量 STP280-24/Vd多晶硅光伏组件组成的光伏方阵， 计 算由于表面积灰导致输出功率的减少情况， 测试结 果如表3所示。 图4是光伏组件表面积灰情况的照片， 图5是根 据表3拟合的灰尘密度与光伏方阵减少输出功率的 关系曲线。 图4光伏组件表面积灰 Fig. 4The accumulated dust on the solar panel （曲线适用条件： 晶硅组件， 辐照度7

16、0 0 W/ m 2 ， 环境温度 2 5 1 0 ） 图5灰尘密度与输出功率减少率关系图 Fig. 5The relationship curve between the dust intensity and the power rate lost 图3天津地区积灰光伏方阵输出功率 Fig. 3The power output curve of the PV array in dust in a solar power plant in Tianjin 表3积灰导致的光伏方阵阵列输出功率减少情况 Tab. 3The power loss of PV array in dust caused

17、by accumulated dust 工况序号灰尘密度/（gm-2）减少输出功率/% 100 20.0760.89 30.0811.02 40.1321.42 50.1621.75 60.1721.98 70.2002.19 80.2633.26 90.3674.98 100.6647.35 111.278.50 121.759.67 132.8911.54 143.3912.05 153.8612.17 163.9612.18 白恺， 等： 积灰对光伏组件发电性能影响的研究Vol.30No.1 清洁能源 Clean Energy 104 第 3 0 卷第 1 期电网与清洁能源 积灰量在00

18、.7 g/m2时，减少率从0迅速增加为 7.4%； 光伏方阵的输出功率迅速减小， 当灰尘密度 大于1 g/m2时， 减少率逐渐趋缓； 直到灰尘密度达到 4 g/m2时， 减少率增加到12.2%。对减少率与灰尘密 度之间的关系进行了拟合， 得出数学模型为 y=3.291Ln （x ） +7.904 （x0.132 ）（1 ） y=-25.06x2+14.15x-0.001 （0 x0.132 ）（2 ） 式中， x为光伏方阵表面积灰的灰尘密度， g/m2； y为 输出功率的减少率， %。 3实验验证 试验地点位于河北地区某光伏电站， 利用电站 中光伏方阵已经安装的光伏无水清洁和微水清洗 装置清洁

19、积灰的光伏方阵， 现场安装的光伏清洁装 置如图6至图7所示。 选取雨后第3 d和第5 d，两个具有典型意义的 由6块STP280-24/Vd的多晶硅光伏组件组成的光伏 方阵积灰工况下的测试数据进行评估分析， 现场测 试示意图如图8所示。雨后第3 d测得灰尘密度为 0.502 g/m2， 第5 d测得灰尘密度为0.668 g/m2。 在光伏 方阵表面灰尘密度为0.502 g/m2和0.668 g/m2的情况 下， 经过无水清洁装置和微水清洗装置清洁后的光 伏方阵灰尘密度分别为0.011 g/m2和0.061 g/m2。 利用EKO MP-170 I-V测试仪， 在晴天， 分别测 试微水和无水清洁

20、样机清洁后以及未清洁光伏方 阵的输出功率， 连续测量至少满一天 （具备一个完 整的辐照周期 ） 。 图9至图12分别给出了不同积灰程度下光伏方 阵清洁前后的输出功率测试曲线。在相同测试周期 内， 无水装置清洁前后光伏方阵的输出功率分别提 升5.60%和6.77%； 微水装置清洁前后光伏方阵的输 出功率分别提升4.65%和5.99%。 （灰尘密度： 0 . 5 0 2 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图9无水装置清洁前后光伏方阵输出功率 Fig. 9The PV array power output before and after cleaning without water 图8光伏方阵

21、积灰影响发电性能测试示意图 Fig. 8The testing drawing of the influence of PV array in dust on the power generation performance 图6光伏无水清洁装置 Fig. 6The solar panel cleaning equipment without water 图7光伏微水清洗装置 Fig. 7The PV panel cleaning equipment with a bit of water 清洁能源 Clean Energy 105 根据测试期间光伏方阵清洁前后的灰尘密度， 代入建立的灰尘密度

22、与输出功率变化数学模型中， 计算得到输出功率减少率并与实际测试得到的输 出功率变化情况进行比较， 结果表明建立的灰尘密 度与输出功率减少率关系函数计算结果与实测值 误差很小。 得到的不同积灰光伏方阵全天输出功率结果， 通过公式 （3 ） 和公式 （4 ） ， 可以计算得到清洁前后光 伏方阵转换效率， 进一步分析积灰对光伏组件发电 性能的影响情况。 按照公式 （3 ） 将实测的光伏方阵输出功率折算 到标准测试条件， P= P1 000 S +PSTC （25-T ）（3 ） 式 （3 ） 中，P为标准测试条件 （S=1 000 W/m2、 组件 温度为T=25 、 AM=1.5 ） 下的输出功率

23、， W； P为现场 实际光伏方阵输出功率， W； PSTC光伏组件标称功率， 取厂家给定值1 680 W； 为峰值功率温度系数， 取 厂家给定值-0.47%/。 =P/1 000 A（4 ） 式 （4 ） 中，为光伏方阵实测转换效率， %； P为折算 到标准条件下的输出功率， W；A为光伏方阵表面 积， m2。 图13至图16分别给出了不同积灰程度下光伏 方阵清洁前后的转换效率曲线。在相同测试周期 内， 无水装置清洁前后光伏方阵的输出功率分别提 升3.63%和3.63%； 微水装置清洁前后光伏方阵的输 出功率分别提升3.08%和5.65%。 可见， 在光伏组件实际运行过程中， 光伏组件 表面积

24、灰确实对组件的实际发电效率存在较大影 响， 通过上述对比， 组件表面积灰越多， 相同外界条 件下组件的转换效率越差， 导致发电效率降低。 （灰尘密度： 0 . 6 6 8 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图12微水装置清洁前后光伏方阵输出功率 Fig. 12The PV array output power before and after cleaning with a bit of water 表4模型验证分析 Tab. 4Model verification and analysis 灰尘密度/ （gm-2） 清洁状态 清洁后灰尘 密度/（gm-2） 输出功率 增加率/% 关系函数

25、计算值/% 偏差 绝对值 0.502 微水清洁0.0614.654.870.22 无水清洁0.0115.605.480.12 0.668 微水清洁0.0615.995.810.18 无水清洁0.0116.776.420.35 （灰尘密度： 0 . 6 6 8 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图10无水装置清洁前后光伏方阵输出功率 Fig. 10The PV array power output before and after cleaning without water （灰尘密度： 0 . 5 0 2 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图11微水装置清洁前后光伏方阵输出功率 Fig.

26、 11The PV array output power before and after cleaning with a bit of water 白恺， 等： 积灰对光伏组件发电性能影响的研究Vol.30No.1 清洁能源 Clean Energy 106 第 3 0 卷第 1 期电网与清洁能源 4结论 本文通过对不同地区光伏电站受积灰影响光 伏组件输出特性的长期测试， 发现灰尘密度作为衡 量积灰影响光伏组件输出性能退化的重要评价指 标。通过对输出特性和转换效率曲线进行分析， 可 以看出光伏组件表面积灰是影响光伏组件输出性 能的重要因素， 并由此得到以下结论。 1 ）光伏组件表面积灰是长期

27、存在的普遍现象， 特别是在秋、 冬等雨水较少的季节， 长期积灰能够 对光伏组件发电性能产生较大的不利影响。 2 ）光伏组件表面积灰能够引起组件的转换效 率降低，说明灰尘引起组件发电性能降低的更深层 次原因在于降低了光伏组件的透光性， 在相同辐照度 条件下， 对于大规模光伏电站造成的功率损失会很大。 3 ）自然天气条件下光伏组件在积灰初期发电 量受灰尘的影响较大，当灰尘累积到一定程度时， 光伏组件发电量受积灰的影响越来越小， 根据组件 积灰的这种特性选择清洁时机， 指导今后的光伏电 （灰尘密度： 0 . 5 0 2 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图13无水装置清洁前后光伏方阵转换效率 Fi

28、g. 13The energy conversion efficiency of the PV array before and after cleaning without water （灰尘密度： 0 . 5 0 2 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图15微水装置清洁前后光伏方阵转换效率图 Fig. 15PV array energy conversion efficiency before and after cleaning with a bit of water （灰尘密度： 0 . 6 8 8 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图16微水装置清洁前后光伏方阵转换效率 Fig.

29、 16PV array energy conversion efficiency before and after cleaning with a bit of water （灰尘密度： 0 . 6 6 8 g / m 2 。天气： 晴。 ） 图14无水装置清洁前后光伏方阵转换效率 Fig. 14The energy conversion efficiency of the PV array before and after cleaning without water 清洁能源 Clean Energy 107 （上接第93 页） PENG Xiangyang. Analysis on li

30、ghtning protection effects and operation of line arresters in Guangdong power gridJ. Insylators and Surge Arresters， 2010 （2 ） : 21-25 （in Chinese ） . 收稿日期： 2013-08-15。 作者简介： 于汀 （1984 ） ，男，硕士， 研究方向为电力系统暂态稳定性； 王玮 （1970 ） ，女，高级工程师，研究方向为智能电网调 度技术； 蒲天骄 （1970 ） ，男，高级工程师，研究方向为电网调度运 行控制； 晋朝雨 （1988 ） ，女，硕士研

31、究生，研究方向为电力系统频 率控制； 孙英云 （1975 ） ，男，副教授，研究方向为电力系统优化和 控制。 （编辑冯露 ） （上接第96 页） 响及对策综述J. 陕西电力，2010 （1 ） ：53-55. FU Xu，LI Haiwei，LI Binghan. Summary of the impact of large-scale wind farms and countermeasures on the grid and networkJ. Shaanxi Electric Power，2010 （1 ） : 53-55 （in Chinese ） . 7王鲁浩，焦晓红，李晓. 风光互

32、补发电系统功率输出的 自适应控制J. 电网与清洁能源，2013 （11 ） : 101-107. WANG Luhao， JIAO Xiaohong， LI Xiao. Adaptive control of power for complementary wind-PV generation systemJ. Power System and Clean Energy，2013 （11 ） : 101-107（in Chinese ） . 收稿日期： 2013-10-11。 作者简介： 张新宇 （1972 ） ，男，工程师，研究方向为风电场电力调度； 李斌 （1985 ） ，男，电气工程师，

33、研究方向为风力发电智 能控制； 姚远 （1984 ） ，男，电气工程师， 研究方向为光伏智能控制。 （编辑徐花荣 ） （上接第101 页） GB/T 24337-2009 电能质量： 公用电网间谐波S. 北京： 中国标准出版社，2009. 18 武汉国测科技股份有限公司. GB/T 15543-2008 电能质 量： 三相电压不平衡S. 北京：中国标准出版社，2008. 19 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会秘书处. GB/T 19862-2005 电能质量： 监测设备通用要求S. 北 京：中国标准出版社，2005. 收稿日期： 2013-10-17。 作者简介： 黄晶生 （1982 ）

34、 ，男，硕士，工程师，主要研究方向为光伏并 网检测技术、光伏电站并网性能评估等。 （编辑黄晶 ） 站维护。 参考文献 1SHAHARIN A，SULAIMAN. Effects of dust on the per- formance of PV panelsJ. World Academy of Science， Engineering and Technology，2011 （58 ） : 588-593. 2王晨光，龚光彩，苏欢. 分布式光伏发电与冷热源耦合 系统探讨J. 节能技术，2012，30 （2 ） : 145-150. WANG Chenguang，GONG Guangcai，

35、SU Huan. A cou- pled system of distributed PV and cold & heat sourcesJ. Energy Conservation Technology，2012，30 （2 ） : 145-150 （in Chinese ） . 3居发礼. 积灰对光伏发电工程的影响研究D. 重庆： 重庆 大学，2010. 4HAI Jiang，LIN Lu，KE Sun. Experimental investigation of the impact of airborn dust deposition on the performance of sol

36、ar photovoltaic （PV ）moduleJ. Atmospheric Environ- ment，2011 （45 ） : 4299-4304. 5张风. 光伏组件表面积灰对其发电性能的影响J. 电网 与清洁能源，2012，28 （10 ） ：82-86. ZHANG Feng. Effect of airborne dust deposition on PV module surface on its power generation performanceJ. Power System and Clean Energy，2012，28 （10 ） : 82-86 （in Chinese ） . 收稿日期： 2013-11-21。 作者简介： 白恺 （1971 ） ，女，硕士， 从事新能源发电及并网技术研究。 （编辑徐花荣 ） ! ! ! 白恺， 等： 积灰对光伏组件发电性能影响的研究Vol.30No.1 清洁能源 Clean Energy 108