王宗军 孙乐场 戴付伟
[摘要] 根据多年从事屋顶光伏除灰研究的经验，从实践出发，深入浅出，分析分布式屋顶小倾角光伏组件底部的积灰带的危害及形成的根源，自主研发出全自动除灰装置，巧妙利用大气降水同步清除光伏组件底部积灰，实现全自动清除积灰带，替代传统人力劳动。发明专利的应用大幅度的提高了光伏机组发电效能。
[关键词] 分布式光伏 自动 清灰 积灰 光伏运维
0、引言
近几年，分布式光伏产业突飞猛进。由于屋顶光伏的特殊环境状况限制，部分屋顶光伏电站运营效能不佳，未能达到预期经济效益，其中最主要的影响因素之一就是光伏组件面板积灰造成的阴影遮挡。
目前，国内外研究文献均侧重于光伏组件论述表面灰尘密度及局部遮挡对透光率的影响。对于屋顶小倾角光伏组件因受雨水冲刷作用沉积在底部的灰尘，而形成的积灰带造成局部阴影遮挡的严重危害报道甚少。经过历次试验对比总结，此积灰带而形成的局部阴影遮挡是屋顶分布式光伏电站影响发电量、形成热斑效应等危害的主要原因，而表面均匀积灰是次要原因。因为该积灰带形成了不同厚度及宽度的阴影遮光带，对光伏组件形成了不同程度的阴影遮挡。下面从光伏组件积灰带形成根源、危害、解决措施等方面做阐述。
1、光伏组件积灰带成因根源
屋顶带铝边框的小倾角光伏组件电站，发电效率主要受光伏组件上的积灰遮挡影响。积灰主要来自于大气降尘，大气降尘是漂浮于空气环境中的颗粒物，肖洪浪[22]报道的沙坡头降尘的中值粒径为85um，上限为250um，据拜格诺的风洞实验结果，粒径大于300um 的颗粒只能在地面跃移或蠕动而不能在大气中悬浮，粒径70-300um的颗粒也很少被悬浮搬运。大气降尘的粒径一般小于100μm，在重力情况下的自然沉降。光伏组件面板积灰又分为表面均匀积灰、表面均匀积灰加底部积灰带、底部积灰带三种形态。所有的光伏组件底部积灰带均是由不同的大气降水而沉积形成，积灰带成为不同厚度、不同面积的阴影遮挡区域，严重时成为完全遮光带，形成完全阴影遮挡，给屋顶小倾角光伏电站造成严重危害。
1.1、光伏组件表面均匀积灰的试验表明：随着时间的延长表面积灰量增加，功率损失逐渐加大，在江苏徐州地区秋季试验光伏组件表面均匀积灰影响结果为：到第10天，输出功率损失7％左右，第20天，输出功率损失10％左右，第30天，功率损失仅为13％左右。试验表明：一个月之内仅表面均匀积灰对光伏组件造成的功率损失通常不超15%，且不会造成热斑效应。
1.2、分布式屋顶光伏组件大多是沿着厂房彩钢瓦屋面铺设，倾角大多为2度至4度左右，坡度较小。在大气降水的过程中，暴雨及“短时急雨”可以把表面灰尘和底部积灰带基本冲刷掉，但是大、中、小雨时“慢雨”状态下即把光伏组件表面的大气降尘及雨水本身携带大气的灰尘均冲刷到光伏组件底部，由于光伏组件的铝边框高出玻璃面板约3mm，雨水与灰尘在此将受到铝边框的阻挡，加之水具有表面张力的特性，灰水积存最高处可达6mm，形成一个类似“堰塞湖”效应的区域，聚集到此区域的大部分灰尘反而被积存的雨水保护了起来，雨后灰尘仍滞留在光伏组件底部，此区域的雨水被蒸发干之后，滞留的灰尘形成了不同厚度及宽度积灰带。如下图一、图二：
图一 横向敷设倾角3°光伏组件积灰带实况图：
图二 竖向敷设倾角2.5°光伏组件积灰带实况图
2、光伏组件底部积灰带的危害严重性
2.1、光伏组件底部形成的这层积灰带而成为宽窄不一的遮光带，对光伏组件造成不同程度的阴影遮挡，形成不同程度的阴影区。积灰带遮挡区域的光伏组件内部电池晶片由发电原件转变为阻性负载原件，消耗该块光伏组件产生的电能。光伏组件串联或内部串联子串都存在木桶效应，如果单个电池片的遮挡面积为25％，组件功率损失为8．3％；如果单个电池片遮挡面积达到93．5％，该组件功率损失为27．3％。阴影遮挡可使整块光伏组件及整组串光伏组件总输出功率不同程度的严重下降，光伏组件的积灰带是严重影响发电量、产生热斑效应损害、缩短组件寿命的最主要原因！是各家小倾角屋顶光伏电站急需解决的主要问题。
2.2、在倾角2-3度的屋顶光伏电站试验表明，表面均匀积灰在大气降水的作用下由于受铝边框的阻挡一旦形成底部积灰带，功率损失将大大增加。横向布置的光伏组件将会导致功率损失最高可达30%，竖向布置的光伏组件功率损失最高可达70%以上。且极易造成热斑效应损坏光伏组件，缩短光伏组件寿命。可见底部积灰带是影响屋顶光伏发电量的主要因素及造成热斑效应的罪魁祸首。
2.3、图三是徐州地区某光伏电站专对积灰带清洗后提高电量的试验图。光伏组件横向布置、倾角2.2°，人工仅清除底部积灰带实验，电流提升达27.5%。
图三：横向敷设倾角2.2°光伏组件清洗底部积灰带前图片
2.4、图四是某地区某光伏电站专对积灰带清洗后提高电量的实况图。光伏组件竖向敷设布置、倾角2.4°，人工仅清除底部积灰带实验，电流提升达57%。
图四：竖向敷设、倾角2.4°光伏组件清除积灰带前图片
光伏组串仅清除底部积灰带功率提升状况表
支串组件数（块）
组件倾角（度）
积灰带清除前电流（A）
积灰带清除后电流（A）
电流提升
（%）
横向敷设
22
2.2
5.1
6.5
27.5
竖向敷设
22
2.4
3.95
6.2
57.0
说明：试验光伏组件组件功率为270瓦，最大工作电压31.4V，最大工作电流8.6A。表中数据为：试验仅清除光伏组件底部积灰带、保留面板的均匀积灰的状况下，测量的电流提升数值。
经过实地验证发现光伏组件安装倾角2-3°左右：横向敷设安装的光伏组件底部积灰带导致功率损失一般小于30%。而竖向敷设安装的光伏组件底部积灰带导致功率损失最高达70%以上。竖向敷设安装的光伏组件底部积灰带影响发电量比较横向敷设安装的光伏组件底部积灰带导致功率损失成倍增加。
2.5、底部积灰带极易形成热斑效应：光伏组件温度每上升1度，功率输出降低0.5%。热斑效应因温度的上升而降低发电量、损伤光伏组件减少光伏组件寿命，甚至造成火灾。积灰带不仅遮挡光线，较厚的积灰带影响散热使积灰区域温度高于无灰区域。以下图五、图六是同一区域光伏组件积灰带温升对比图片，积灰带区域温度明显高于无灰区域。
图五：雨后形成的积灰带
图六：热成像仪拍摄图五积灰带温升图片
3、光伏组件底部积灰带影响发电量导致功率损失理论分析
3.1、光伏组件容量不同，其内部串并联的电池片也不同，下图为60片电池片组成的光伏组件内部接线原理示意图:
图七：光伏组件内部电池片接线原理图
图七显示，1-20片、21-40片、41-60片各为内部一个电池串电路，共3个电池串电路，3个电池串的首尾分别并联一个旁路二极管。
图八：横向敷设光伏组件底部积灰带示意图
图九：光伏组件等效电路及遮挡电池串示意图
图九中箭头为电流方向，标黑色的为组件内部电池串为遮挡电池串，内部电流形成内部短路形式的环流。其他两个电池串尚可正常输出电能。
图十：竖向敷设光伏组件底部积灰带示意图
国内大多单块组件功率260W至330W左右的光伏组件内部为三个联接旁路二极管的电池串并联而成。横向敷设的光伏组件阴影遮挡仅影响其中一个电池串功率输出，而竖向敷设的光伏组件阴影遮挡则可影响到两个电池串或三个电池串的功率输出。
3.2、光伏组件实际安装方式和积灰带阴影遮挡组件试验如下图：
图十一：横向敷设布置组件常见底部厚积灰带遮挡的4种形态图
图a 图b
图c 图d
3.2.1、试验时间为5月份上旬的晴天，中午11点半至12点半，太阳光辐照度约为1000W/㎡左右，270W光伏组件，倾角约2.6度，横向敷设。积灰带遮挡最宽处约为10cm。实测结果：图a组件功率损失约20%，图b组件功率损失约22%，图c组件功率损失约24%，图d组件功率损失约27%。图a至图d组件上积灰带面积虽然不断增大，而功率损失相差仅为约7%，证实横向敷设安装的组件积灰带仅影响该组件的一个电池串的功率输出。
图十二：竖向布置光伏组件时常见底部积灰带遮挡4种形态图
图e 图f 图g 图h
3.2.2、试验时间为5月份上旬的晴天，中午11点半12点半，太阳光辐照度约为1000W/㎡左右，270W光伏组件，倾角约2.6度，组件竖向敷设。测量仪器：辐照度仪、光伏组件功率测试仪。积灰带最宽处约为10cm。实测结果：图e组件功率损失约21%，图f组件功率损失约37%，图g组件功率损失约49%，图h组件功率损失约63%。图e至图h组件随着积灰带面积（宽度）不断增大，功率损失成倍增加。
光伏组件积灰带不同形态阴影遮挡功率损失对照表
敷设方式
横向敷设
竖向敷设
遮挡形态
无遮挡
图a
图b
图c
图d
图e
图f
图g
图h
输出功率（W）
183
146.4
142.7
139
133.6
144.6
115.3
93.3
67.7
功率损失（%）
—
20
22
24
27
21
37
49
63
3.2.3、积灰带阴影遮挡单块组件试验小结：
横向敷设的光伏组件，底部积灰带仅遮挡一个内部电池串的电池片，该支组串的电流通过串联的旁路二极管形成内部环流，被遮挡的电池片消耗该电池串的功率。尚有两个电池串可以通过端部并联的旁路二极管正常输出电能，功率损失小于或等于组件总功率的1/3。
而竖向敷设的光伏组件，由于左、右侧平整度不同，底部积灰带可遮挡一个或两个甚至三个内部电池片的电池串电路，故竖向敷设的光伏组件的底部积灰带功率损失严重程度是横向敷设组件的1至3倍左右。另外组件倾角的加大，积灰带宽度随着变窄，功率损失相应降低。因此建议屋顶带边框光伏组件安装以横向敷设为主设计，尽可能增大光伏组件倾角，以减少积灰带及其他遮挡的影响功率损失程度。
不同倾角光伏组件积灰带遮挡宽度参照表
光伏组件倾角
（度）
积灰带遮挡宽度
（mm)
最大功率损失
（%）
横向敷设
竖向敷设
横向敷设
竖向敷设
2°
134.6
127.6
30
70
3°
82.1
75.1
28
45
4°
55.8
48.8
15
36
5°
40.1
33.1
12
30
6°
29.6
22.6
10
24
铝边框高出玻璃高度3.5mm，加水的表面张力效应增高2.5mm，灰水总高度达6mm。横向敷设组件去除边框宽度及晶片间隔距离18mm，竖向敷设组件去除边框宽度及晶片间隔25mm，积灰带宽度为实际覆盖组件内部电池片宽度的测量值。
以上是以组件功率270W、面积1650mm×992mm组件积灰带数据，组件内部电池片尺寸156mm*156mm，其他光伏组件规格不同会有差异。例如330W的光伏组件由于面积较大，在倾角和雨量一致的情况下，底部积灰带面积小于270W组件的积灰带面积。雨量的大小与缓急程度不同造成的积灰带宽也不同。
4、分布式屋顶光伏电站单元逆变器组串遮挡试验
4.1、组件横向敷设遮挡试验
该组串24块组件，组件功率270瓦，组件面南朝向倾角2.6度，光辐照度1260w/㎡，遮挡组串编号PV1-3，对比组串编号PV1-1。遮挡组件方式：按照上图a遮挡8块，图b遮挡10块、图c遮挡4块、图d遮挡2块，模拟底部积灰带的遮挡形式。对比结果：逆变器显示端电压409.5V，遮挡组电流7.6A，对比组电流9.8A，遮挡组功率损失22.45%。
4.2、组件竖向敷设遮挡试验
该组串24块组件，组件功率270瓦，组件面南朝向倾角2.4度，光辐照度1140w/㎡，遮挡组串编号PV4-3，对比组串编号PV4-2。遮挡组件方式：按照上图e遮挡8块，图f遮挡10块、图g遮挡4块、图h遮挡2块，模拟底部积灰带的遮挡形式。对比结果：逆变器端电压592.9V，遮挡组电流3.6A，对比组电流7.4A，遮挡组功率损失51.35%。
4.2.1、遮挡组串其中一个组件上的下部6片电池片
光辐照度605w/㎡，逆变器显示电压606.9V，遮挡组串PV4-3电流4.1A，对比组串PV4-2电流4.3A。遮挡组串功率损失4.65%，功率损失约为该组串的1/24。即该组串有23块组件功率正常输出。
4.2.2、遮挡组串其中一个组件上的一侧10片电池片
遮挡一块组件上的一侧10片电池片，逆变器显示屏未见功率损失。因为逆变器显示数字精确度为1/10，实际功率损失应为该组串总功率的约1/72。即组串24块组件，每块组件内部由3个旁路二极管并联的3个电池串电路，遮挡该电池串，该电池串输出电流为零，该组件仍有2/3的功率输出。因为组件内接有旁路二极管，此时旁路二极管导通，所以有效的降低或规避了热斑效应及“木桶效应”的发生。
4.3、屋顶光伏组串遮挡试验小结
通过遮挡试验数据对比分析，发现阴影遮挡造成的功率损失与组串的每块组件内部二极管电池串上的透光度大小、面积的总和相关。
4.3.1、 横向敷设的组串遮挡阴影仅影响每块组件内部的一个电池串电量，仅对该电池串的功率造成损失。即该组串共24块组件，每个组件内有3个二极管电池串，共72个二极管电池串，即使每块组件的底部一排10片电池完全遮挡，该组串最大损失功率为24/72=33.3%。
4.3.2、竖向敷设的组串阴影遮挡，与该组串的每块组件内部的电池串上的遮挡阴影的透光度、面积的总和相关，随着遮挡每块组件上的电池串的透光度降低及遮挡电池串数量增加，功率损失逐步加大。竖向敷设24块组件组成的组串，阴影遮挡可影响到每块组件内部的一个、二个甚至三个电池串，当其中一块组件的下部6片电池完全遮挡时，该块组件的功率输出为零，这时该组串尚有23块组件功率正常输出。若对该组串的24块组件的下部6片电池片都进行完全遮挡，即该组串72个二极管并联电池串都没有功率输出，该组串的功率输出为零。可见底部积灰带阴影遮挡对竖向敷设的光伏组件的严重危害性。
5、全自动清除积灰装置运行原理及效果：
针对上述底部积灰带遮挡造成的诸多危害，徐州阳洁缘新能源有限公司自主研发出一款价格低廉、安装方便、全天候无人值守、全自动高效的“灰水自动清除器”，实现随着每次大气降水自动清洗，每年可随着雨水自动清洗几十次之多。于2019年3月获得国家专利。
5.1、该装置清灰原理
该装置安装于光伏组件最低处的组件下边框处，在降雨时，雨水能够将灰尘带到组件的底部铝合金下边框处，随着灰水接触自动清除器之后，受到水的表面张力、灰水自动清除器内外压差的毛细及虹吸的共同作用，灰水自动清除器将灰水快速引流到光伏组件之外。
该灰水自动清除器的端头部具有倾斜向下的吸灰水端，吸灰水端倾斜向下延伸至组件面板的上表面，需要说明的是，此处的吸灰水端的截面呈若干导水通道分布的形式，因此当吸灰水端同光伏组件的上表面贴合设置时，两者围合后能够形成若干截面较小的吸水孔，因此当吸灰水端接触到水时，可利用水的张力而产生的毛细现象中液体上升原理及虹吸现象的共同作用而实现自动吸收灰水的作用。
在降雨或存在较大露水时，雨水或露水能够将灰尘带到光伏组件的底部铝合金下边框处，随之形成的灰水将在吸灰水端的作用下流入各个导水通道中，从而最终排除出灰水自动清除器之外，达到快速清除光伏组件上积灰的目的。。
5.2、 运行效果：
5.2.1、本灰水自动清除器导灰水速度约500g/分钟，而目前光伏组件上的灰水存量大约是在50g-400g左右，因此该装置可在1分钟之内快速将光伏组件上的灰水混合物清除导出，除灰效率较高。
5.2.2、 灰水自动清除器能够实现对于光伏组件表面灰尘的自动清除，无需外加任何动力，无需人工值守，可大幅降低光伏电站的运维成本。
5.2.3、该装置面世之后，分别在江淮地区9个屋顶光伏电站投入运行，发电效率提升分别为6%至60%以上，效果显著、经济效益明显。
5.2.4、装置采用亲水耐腐蚀合金制造，该装置因无转动机构，所以运行寿命达20年以上，无需对光伏组件作任何改造，后期几乎零维护。灰水自动清除器的结构简单，安装快速方便，能够广泛应用于屋顶分布式小倾角光伏电站内，推广应用前景广泛，提高经济效益显著；是小倾角屋顶光伏电站用于清除底部积灰带、提高发电量的首选装置。
5.2.5、我国每年4月下旬大面积飘落杨絮柳絮，该装置在吸水端装有防堵网，能有效阻止堵塞，并能实现借助雨水自清洁。
6、传统清洗和本装置除灰比较
6.1、人工清灰周期损失测算：
a、10MW光伏电站人工清洗时段与不宜清洗时段发电量损失测算：根据光伏电站经济测算，积灰影响电量损失小于15%时不宜清洗。每年共清洗6次，每次清洗周期间隔约为20天。7-9月份雨季不需清洗，其余9个月里，积灰影响电量大于15%时的6次清洗之外，还有约7个不宜清洗时段，共约155天积灰影响电量小于15%的时段，人工清洗得不偿失。如全年按1100h/MW发电小时计算，不宜清洗时间段内电量损失按10%计算，155天共损失电量达46.71万KWh。即损失4.671万元（1元/KWh）。人工清洗费最低2000元/MW/次，年清洗费用共需1.2万元/MW。合计相当于损失5.87万元/MW/年。
b、10MW光伏电站每次清洗周期内电量损失：电量损失达15%时开始清洗，6人每日仅能清洗2MW，清洗周期长达5天。一个清洗周期损失电量折合为30MW容量的一天电量的15%。即清洗周期内电量损失为9.0411万度×15%=1.3562万度/次，每次清洗周期损失为1.3562万元/次（1元/KWh），全年按清洗6次计算，相当于损失8.1372万元。折合0.81万元/MW年。
c、人工清洗通常在影响发电量15%以上时进行。本装置在天气降雨的同时同步自动清除积灰带，把因积灰带造成的发电量损失15%以下的损失大部分挽回过来。以10MW光伏电站为例，按照全年平均挽回发电量8%的天数折算为150天，即挽回发电量为32万度，折合3.29万元/MW年左右。
d、10MW容量电站人工清洗综合费用测算：全年6次清洗周期损失电量折合8.14万元/年、人工清洗费18万元/年、踩踏屋顶等间接损失10万元/年、人工不宜清洗8%的损失32万元，10MW光伏电站年综合成本相当于68万元以上。折合费用6.8万元/MW/年以上。根据历年来统计，每年人工清洗6次平均提高电量率仍小于4%。
6.2、目前市场上常见的“清洗机器人”投资较大、运行成本高、寿命短、也仅对人工清洗的劳动强度有所减少，尚属于人工清洗的范畴。而人工清洗面临许多安全隐患，例如高空作业，踩踏屋顶等，而且在黑天、大风、高温、下雨等天气环境下无法作业。当积灰影响功率输出小于15%时人工清洗往往是得不偿失，且人工清洗周期长。由于人工清洗受条件限制、清洗周期损失的影响，所以年综合提高经济效益率仅为2-3%左右。所以许多屋顶光伏电站的人工清洗是得不偿失。
6.3、本自动清灰装置巧妙地利用大气降水同步清除组件底部积灰带，真正实现利用大气降水全自动、全天候运行，只要大气降雨一次就同步自动清洗一次，真正实现无人化清洗。用于横向敷设方式的光伏组件提高功率输出最大可达30%，竖向敷设的光伏组件提高功率输出最大可达60%以上，使用该装置综合经济效益高于人工清洗5%以上。
7、结语
创新是企业生存的理由，创新是企业的挑战，从企业实际出发，大胆创新，把握创新主动性，把握技术机会，始终使企业保持旺盛生机，不断取得新的进展。应不断学习总结，大胆创新，勇于实践，积极尝试应用新技术。把新技术尽快应用于生产，真正使新技术转化为生产力，为国家新能源事业创造更高的社会效益及经济效益，是光伏企业每个层级做企业管理的人员应尽的责任。
作者简介:王宗军，男，1966年1月出生，工程师，西安电力高等专科学校电力系统及发电专业毕业，现任徐州阳洁缘新能源有限公司执行董事，从事屋顶光伏研究工作。
二零一八年八月
