粉尘沉积对光伏组件输出性能的影响

粉尘沉积对光伏组件输出性能的影响

在实际应用中，太阳能照明设备受到环境中广泛残留的灰尘的影响。灰尘沉积在光伏组件表面会导致组件前盖玻璃的透光率降低,从而使组件吸收的辐照度低于清洁表面的辐照度,且沉积浓度越大透光率越低,组件吸收的辐照量越低;在其他条件相同的情况下,组件安装倾角越小,则在相同时间积灰越多,组件吸收的辐照度量就越小。由于光伏电池的光电转换效率与辐照强度有关,所以沉积在光伏组件表面的灰尘会导致电池的光电转换效率降低,影响组件的输出性能。因此,研究灰尘对太阳光伏组件输出性能的影响是十分必要的。近年来国内外的一些专家或学者针对灰尘沉积对透光率和光伏组件性能的影响进行了相关研究,其中DirkGoossens等人研究得到了不同风速和灰尘沉积情况下光伏组件短路电流、开路电压和最大功率等特性曲线;HaiJiang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成线性关系的拟合公式;MontoMani等人对灰尘对太阳能光伏性能的影响进行了总结,给出了不同气候带和气候特点条件下光伏系统的清洁周期;陈东兵等通过对蚌埠2MW非晶硅光伏电站进行测试,发现20天的表面积尘使光伏组件串的发电功率减少24%,平均每天降低1.2%。由于组件表面积灰现象比较普遍,而且会显著影响组件的发电性能,探讨不同的积灰程度对组件性能的影响是评估光伏系统发电量的主要因素之一。本文结合AdelA.Hegazy的研究成果,对灰尘沉积对光伏组件输出性能影响进行了仿真研究,得了不同灰尘沉积情况下光伏组件的输出特性曲线;通过搭建实验平台进行日累积发电量的统计、分析,发现在连续积灰的情况下,积灰确实对组件发电性能有较大的影响。1组件表面灰模拟及结果研究结合灰尘沉积对辐照度的影响规律以及相同辐照度、不同积灰情况下光伏电池的输出性能来评估表面积灰对组件性能的影响。1.1日期情况的分析AdelA.Hegazy通过对不同倾角(0°~90°)玻璃进行室外实验,得到了灰尘沉积和透光率降低关系的拟合公式,结合对一个月的实验数据进行分析,得到一个月情况下拟合公式为式中,τclean为干净玻璃的透光率;τ为积灰玻璃的透光率;erf为误差函数。由公式可以看出,积灰较少时灰尘对透光率的影响比较小,随着灰尘沉积的增多,灰尘对透光率的影响也随之增大。1.2太阳电池的特性分析太阳能电池工程用数学模型可以满足绝大多数工程项目进行物理模拟的精度要求,仅采用组件生产商提供的几个技术参数(Isc、Voc、Im、Vm、Pm)就能复现阵列的特性,便于计算机分析,其公式为设Iph=Isc,在最大功率点和开路状态时可分别求出C1、C2,再结合I、V温度系数和光伏电池温度特性,可确定太阳电池在不同辐照度和温度下的I-V及P-V特性曲线。1.3tsm-dca1.05组件由式(1)、(2)建立MATLAB/SIMULINK仿真模型,主要框图如图1所示,图中光伏电池模型模块为光伏组件工程模型,S为辐照度,T为电池温度。本文采用TSM-DC01A.05组件进行研究,主要参数见表1。仿真辐照度和温度分别为1000W/m2和25℃,仿真结果如图2。从图2可以看出,随着灰尘程度的增加,组件的输出功率下降明显,当灰尘沉积浓度从0增加到5g/m2时,输出功率从192.3W下降到147.6W,下降幅度分别为6.76%、11.96%、16.28%、20.07%和23.24%。可见,在辐照度和组件温度确定的情况下,要保证光伏组件有较好的输出特性,影响组件输出性能的主要是组件表面的清洁度。2日累积辐照量计算方法的选择搭建实验平台,在室外自然积灰条件下进行并网实验,对不同辐照度和积灰程度下组件的发电量进行统计、分析,以验证不同积灰程度对组件发电性能的影响程度。实验采用10块组件串联成一个阵列,阵列方位角为0°,倾角为27°,采用SunnyBoy2100TL逆变器,辐照度采集系统为锦州阳光气象科技有限公司的微型自动气象站。实验日期从2011年2月14日到2011年2月25日,2月14号组件表面干净,2月16号有雨把组件表面积灰冲刷干净,其他均为无雨天气。实验所得发电量数据和每天的辐照量数据如表2所示。去掉阴雨天气(即日累积辐照量小于1kWh/m2),在辐照和天气相近的情况下(日累积辐照量以3kWh/m2为分界),对标准小时发电量(即(日累积发电量/标称功率)/日累积辐照量)进行比较分析(符合连续积灰条件)。对日累积辐照量在3kWh/m2以下的情况进行标准小时发电量比较,发现随着积灰的增多,标准小时发电量呈下降趋势,如图3,标准小时发电量分别降低2.61%、4.58%、5.23%和5.78%。对于日累积辐照量在3kWh/m2以上的情况,随着积灰的增多,标准小时发电量亦呈下降趋势,如图4,标准小时发电量分别降低12.26%、16.79%、18.56%和19.09%。可见,在光伏组件实际并网发电情况下,光伏组件表面积灰确实对组件的实际发电性能有影响,且组件表面积灰越多,相同外界条件下组件的输出特性越差,输出效率越低。由于积灰对光伏系统发电性能影响较大,为了减少积灰对光伏系统发电的影响,除了根据光伏组件表面实际积灰情况进行人工清洁或对组件进行周期性清洁之外,一些学者、专家提出了各种自清洁光伏组件技术,以减少积灰对光伏组件发电性能的影响,提高组件实际运行过程中的发电效率。郝玉哲等发明的自净式光伏组件能在雨天自动清洁面板,提高发电效率。CleanFizz公司的自净式光伏组件利用静电原理清洁组件表面积灰,把光度、温度和湿度等传感器配置在组件表面,定期监测组件表面透光率并与初始设置进行比较,综合考虑某一地区的时区、光强度、温度和天气情况对清洁系统进行自动激活,在30s内利用少于光伏组件产生的10%的电量清洁超过90%的积灰,适合应用在沙漠等积灰严重的地区。徐宁等发明的一种纳米自清洁光伏组件,在光伏组件的外封装层设置了纳米级自清洁层,使光伏组件的外表面具有细微且凸凹不平的疏水层,实现了自清洁的效果。已有的自清洁组件技术很多,玻璃表面镀膜技术是最常用的自清洁技术,但仍要结合人工清洁才能完全清洁组件表面自然积灰。绝大部分的自清洁技术由于各种原因而未能在组件生产或光伏系统实际发电过程中得到应用,光伏系统在发电过程中仍然是以人工清洁为主,因此找到一种实用的、经济的、对光伏组件表面自然积灰自清洁效果好的技术仍有待研究,从而达到提高光伏系统实际运行过程中发电效率目的。3光伏组件性能受到影响本文建立了基于MATLAB/SIMULINK仿真环境下的积灰对光伏电池组件的仿真模型,得到了不同积灰条件下的光伏组件输出特性曲线。通过对输出特性曲线进行分析,可以看出光伏组件表面积灰会使组件的输出性能下降,通过实验验证了积灰确实会使组件输出性能下降,且随着积灰的增多,组件性能下降越大,并由此得到如下结论。1)灰尘积累在光伏组件封装材料表面,会使光伏组件表面透光率下降,透光率的下降会导致组件的输出性能下降,且灰尘积累浓度越高,组件输出性能下降越大。2)对于单个组件来说,输出功率下降有限,但对于由成千上万块组件构成的大型、特大型并网光伏系统,总输出的下降将会非常大,由此每年造成的功率损失会很大。3)由于灰尘沉积对光伏组件发电性能影响的普遍性,为了减少人工清扫周期以减少对玻璃面板表面组织的损害以及降低维护成本,研究实用