基于積灰密度的光伏組件發(fā)電性能研究

基于積灰密度的光伏組件發(fā)電性能研究

大型發(fā)電站通常建在環(huán)境差的地區(qū)。這些地區(qū)經(jīng)常發(fā)生干燥和缺水，嚴重的沙害。這些惡劣的環(huán)境因素對光伏組件發(fā)電效率產(chǎn)生影響,尤其是長時間的風沙導致塵土等污濁物遮擋光伏組件,影響光線的透射率,進而影響組件表面接受到的輻射量。同時,由于這些污濁物距離光伏電池片的距離很近,會形成陰影,并在光伏組件具備形成熱斑效應。如果長時間不及時對光伏組件進行清潔,將會大幅度降低光伏電站發(fā)電量,不僅不能滿足電網(wǎng)的要求,而且還降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率。近年來國內(nèi)外的一些專家或?qū)W者針對灰塵沉積對光伏組件性能的影響進行了相關(guān)研究,Wakim研究在科威特城的沙塵環(huán)境下光伏組件持續(xù)積灰6d后,光伏組件的發(fā)電功率降低17%,并通過試驗驗證在該地區(qū)氣候環(huán)境下,春季和夏季積灰對光伏組件的影響明顯高于秋冬兩季;同樣是在科威特,Sayigh在4至6月份測試0°至60°不同傾斜角下光伏組件受積灰影響發(fā)電功率的衰減情況,在測試的38d內(nèi),光伏組件表面每天的積灰量達到2.5g/m2,光伏組件的透光性降低了17%~64%,特別的,水平放置的光伏組件3d后發(fā)電功率損失達到30%;Grag發(fā)現(xiàn)光伏組件傾斜角為45°時,室外放置10d后,光伏組件的透光率平均下降了8%;陳東兵等通過對蚌埠2MW非晶硅光伏電站進行測試,發(fā)現(xiàn)20d的表面積灰造成光伏組件串的發(fā)電功率降低24%,平均每天減少1.2%;居發(fā)禮等建立了光伏組件積灰理論模型,總結(jié)了不同灰塵類型對光伏組件發(fā)電性能影響的區(qū)別,并通過結(jié)合人工積灰試驗的方法,提出積灰對光伏發(fā)電性能影響的光伏積灰系數(shù);HaiJiang等人通過在室內(nèi)模擬自然灰塵,研究了灰塵沉積對不同封裝材料光伏組件性能的影響,得出能量輸出減少率與積灰濃度呈線性關(guān)系的擬合公式;張風等人建立了對灰塵沉積程度進行數(shù)學的情況下,積灰對組件輸出性能的影響數(shù)學模型。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力是評價光伏電站性能最重要的指標,而灰塵對光伏組件的發(fā)電性能影響存在普遍性,是影響光伏發(fā)電性能的重要因素之一,國內(nèi)對于灰塵和大氣清潔度對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響研究甚少。本文通過搭建實驗平臺,對典型地區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)受積灰影響情況進行統(tǒng)計、分析,確定在灰塵影響條件下,光伏組件發(fā)電性能的衰減功率,為日后地面大規(guī)模光伏電站的日常運行維護提供指導。1影響全球照明設(shè)備的發(fā)電性能的分析1.1光伏組件測試方法EKO公司生產(chǎn)的MP-170型I-V曲線測試儀,可以測試單個太陽能電池組件或光伏方陣離網(wǎng)運行工況,得到被測設(shè)備的I-V或P-Q輸出曲線以及光伏組件在現(xiàn)場測試條件和標準測試條件下的短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、填充因數(shù)(FF)、最大輸出功率(Pm)、最大功率點電壓(Vpm)、最大功率點電流(Ipm)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境溫度。表1是MP-170型I-V曲線測試儀的技術(shù)參數(shù),圖1是實驗平臺示意圖。實驗平臺使用尚德生產(chǎn)的型號為STP280-24/Vd的多晶硅光伏組件,表2是該光伏組件的技術(shù)參數(shù)。1.2光伏方向表面粉煤灰密度對光伏抗沖量的影響測試河北地區(qū)某光伏電站一段周期內(nèi),光伏方陣受風沙影響輸出功率,利用灰塵密度定量評定光伏方陣表面積灰量的變化情況,能夠有效反映光伏方陣表面積灰導致的輸出功率降低,如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),測試期間,在無降水天氣條件下,光伏方陣表面的積灰持續(xù)增多;雨水天氣后,根據(jù)降水量的不同,其對光伏方陣的表面積灰起到不同程度的沖刷作用。隨著光伏方陣表面灰塵密度的增加,光伏方陣的輸出功率相應減少。在測試的近一個月時間內(nèi),包括雨水天氣情況的光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.439g/m2,光伏方陣輸出功率減少率平均值為5.196%。為了驗證分析的光伏方陣表面灰塵密度影響輸出功率的程度,選取天津地區(qū)夏季和秋季典型周期的測試數(shù)據(jù)。在夏季10d測試周期內(nèi),包括雨水天氣情況的光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.239g/m2,輸出功率減少率平均值為2.823%;秋季10d測試周期內(nèi),光伏方陣表面灰塵密度平均值為0.867g/m2,輸出功率減少率為7.156%。秋季在長時間積灰情況下,光伏方陣輸出功率減少率明顯增加,而夏季頻繁的雨水天氣對光伏方陣表面積灰的清潔作用顯著。天津地區(qū)積灰影響輸出功率如圖3所示。通過對比圖2以及圖3的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在不同的地區(qū),灰塵密度對于光伏方陣輸出功率的影響程度極為相似。2光伏機構(gòu)的表面積灰利用搭建的試驗平臺,測試兩組由相同數(shù)量STP280-24/Vd多晶硅光伏組件組成的光伏方陣,計算由于表面積灰導致輸出功率的減少情況,測試結(jié)果如表3所示。圖4是光伏組件表面積灰情況的照片,圖5是根據(jù)表3擬合的灰塵密度與光伏方陣減少輸出功率的關(guān)系曲線。積灰量在0~0.7g/m2時,減少率從0迅速增加為7.4%;光伏方陣的輸出功率迅速減小,當灰塵密度大于1g/m2時,減少率逐漸趨緩;直到灰塵密度達到4g/m2時,減少率增加到12.2%。對減少率與灰塵密度之間的關(guān)系進行了擬合,得出數(shù)學模型為式中,x為光伏方陣表面積灰的灰塵密度,g/m2;y為輸出功率的減少率,%。3光伏抗靜電sd測試試驗地點位于河北地區(qū)某光伏電站,利用電站中光伏方陣已經(jīng)安裝的光伏無水清潔和微水清洗裝置清潔積灰的光伏方陣,現(xiàn)場安裝的光伏清潔裝置如圖6至圖7所示。選取雨后第3d和第5d,兩個具有典型意義的由6塊STP280-24/Vd的多晶硅光伏組件組成的光伏方陣積灰工況下的測試數(shù)據(jù)進行評估分析,現(xiàn)場測試示意圖如圖8所示。雨后第3d測得灰塵密度為0.502g/m2,第5d測得灰塵密度為0.668g/m2。在光伏方陣表面灰塵密度為0.502g/m2和0.668g/m2的情況下,經(jīng)過無水清潔裝置和微水清洗裝置清潔后的光伏方陣灰塵密度分別為0.011g/m2和0.061g/m2。利用EKOMP-170I-V測試儀,在晴天,分別測試微水和無水清潔樣機清潔后以及未清潔光伏方陣的輸出功率,連續(xù)測量至少滿一天(具備一個完整的輻照周期)。圖9至圖12分別給出了不同積灰程度下光伏方陣清潔前后的輸出功率測試曲線。在相同測試周期內(nèi),無水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升5.60%和6.77%;微水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升4.65%和5.99%。根據(jù)測試期間光伏方陣清潔前后的灰塵密度,代入建立的灰塵密度與輸出功率變化數(shù)學模型中,計算得到輸出功率減少率并與實際測試得到的輸出功率變化情況進行比較,結(jié)果表明建立的灰塵密度與輸出功率減少率關(guān)系函數(shù)計算結(jié)果與實測值誤差很小。得到的不同積灰光伏方陣全天輸出功率結(jié)果,通過公式(3)和公式(4),可以計算得到清潔前后光伏方陣轉(zhuǎn)換效率,進一步分析積灰對光伏組件發(fā)電性能的影響情況。按照公式(3)將實測的光伏方陣輸出功率折算到標準測試條件,式(3)中,P′為標準測試條件(S=1000W/m2、組件溫度為T=25℃、AM=1.5)下的輸出功率,W;P為現(xiàn)場實際光伏方陣輸出功率,W;PSTC光伏組件標稱功率,取廠家給定值1680W;γ為峰值功率溫度系數(shù),取廠家給定值-0.47%/℃。式(4)中,η為光伏方陣實測轉(zhuǎn)換效率,%;P′為折算到標準條件下的輸出功率,W;A為光伏方陣表面積,m2。圖13至圖16分別給出了不同積灰程度下光伏方陣清潔前后的轉(zhuǎn)換效率曲線。在相同測試周期內(nèi),無水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升3.63%和3.63%;微水裝置清潔前后光伏方陣的輸出功率分別提升3.08%和5.65%?？梢?在光伏組件實際運行過程中,光伏組件表面積灰確實對組件的實際發(fā)電效率存在較大影響,通過上述對比,組件表面積灰越多,相同外界條件下組件的轉(zhuǎn)換效率越差,導致發(fā)電效率降低。4光伏組件表面積灰對發(fā)電性能的影響本文通過對不同地區(qū)光伏電站受積灰影響光伏組件輸出特性的長期測試,發(fā)現(xiàn)灰塵密度作為衡量積灰影響光伏組件輸出性能退化的重要評價指標。通過對輸出特性和轉(zhuǎn)換效率曲線進行分析,可以看出光伏組件表面積灰是影響光伏組件輸出性能的重要因素,并由此得到以下結(jié)論。1)光伏組件表面積灰是長期存在的普遍現(xiàn)象,特別是在秋、冬等雨水較少的季節(jié),長期積灰能夠?qū)夥M件發(fā)電性能產(chǎn)生較大的不利影響。2)