污秽致光伏电源功率折损的测量方法及应用配置修正方法

摘要

本发明公开了一种污秽致光伏电源功率折损的测量方法，步骤包括：步骤1、搭建光伏电池板的表面覆污秽实验场景；步骤2、对光伏电池板进行表面覆污秽；步骤3、测量光伏电池板的输出功率及覆灰密度；步骤4、计算污秽致光伏电池板的输出功率折损率。本发明还公开了一种污秽区的光伏装置应用配置的修正方法，以不同覆灰密度对输出功率造成的输出功率折损率τ作为覆灰的表征量，其中，τ的取值根据当地的气候及建筑环境确定，对于干旱、风沙、重工业地区取较大值，对于植被丰富气候湿润地区取较小值。本发明的方法，简便易行，准确率高。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能发电监测及光伏电池板运行维护技术领域，涉及一种污秽致光伏电源功率折损的测量方法，本发明还涉及污秽区光伏装置应用配置的修正方法。

背景技术

面对化石燃料短缺和生态环境严重污染的局面，各国致力于改变能源消费结构，大力发展可再生能源。其中太阳能光伏发电由于其技术优势日益受到重视。我国太阳能资源丰富，大部分地区光照条件好，光伏产业发展前景较好。根据供电对象的不同，光伏发电系统可以分为为电网及大区域负载供电的并网光伏系统及为路灯、监测装置等供电的独立光伏系统。

多数独立光伏系统由于安装在户外运维不便，长期工作后其表面受到环境影响无法保持洁净，由于光伏电池板的发电量依赖于其透过表面玻璃面板所能接收到的太阳辐射量，聚集的灰尘降低了其接收到的太阳辐射，对输出功率造成折损。正常使用情况下，光伏电池板寿命约为10到20年，铅酸蓄电池设计浮充寿命为5到8年。但据现场安装情况反馈，按照行业经验公式配置规格的光伏电源系统安装后无法达到预期寿命，往往在两年内甚至更短时间就出现老化加速、供电不足及电源故障等问题，无法满足装置连续的数据采集与监测要求，故障后更换成本较高且十分不便。

因此对污秽导致的光伏电源功率折损进行测量，并根据现场污秽及覆灰情况对应改进经验光伏应用配置方法，显得十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种污秽致光伏电源功率折损的测量方法，在对电池板表面污秽影响因素归一化的情况下，考虑到环境的多样性，对污秽导致的功率折损进行定量描述。

本发明的另一目的是提供一种污秽区光伏装置应用配置的修正方法。

本发明所采用的技术方案是，一种污秽致光伏电源功率折损的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、搭建光伏电池板的表面覆污秽实验场景，

步骤2、对光伏电池板进行表面覆污秽，

步骤3、测量光伏电池板的输出功率及覆灰密度，

步骤4、计算污秽致光伏电池板的输出功率折损率。

本发明所采用的另一技术方案是，一种污秽区的光伏装置应用配置的修正方法，以不同覆灰密度对输出功率造成的输出功率折损率τ作为覆灰的表征量，覆污秽光伏电池板的输出功率P，安装地点有效日照时长为t，太阳能电池板转换效率为η_pv，安全容量系数K_c，如式(4)所示：

其中，τ的取值根据当地的气候及建筑环境确定，对于干旱、风沙、重工业地区取较大值，对于植被丰富气候湿润地区取较小值。

本发明的有益效果是，包括以下几个方面：

1)风沙、雾霾等会导致空气中颗粒物浓度升高，一定程度上加重了光的散射。此外，灰尘与污秽在潮湿环境中会腐蚀部件，缩短组件寿命，长期的污秽覆灰会造成组件表面温度分布不均，甚至产生“热斑效应”，损坏光伏组件。因此探究污秽在光伏电池板表面的积累规律与影响机理对其在户外现场的长期应用具有重要意义。

2)在电源配置公式中将灰尘的影响纳入考虑，并认为灰尘造成的透光率折损带来的入射辐射减少体现在等效日照时长上，使衰减系数折算日照时长，以确保更合适的配置规格。

附图说明

图1光伏电池板表面覆污秽实验平台；

图2覆灰密度与输出功率折损率关系图。

图中，1.精密电子秤，2.氙灯电源，3.电源启动按钮，4.脉冲触发按钮，5.氙灯，6.光源室调节旋钮，7.光路逆转器，8.光伏电池板，9.电池板摆放台，10.实验桌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明污秽致光伏电源功率折损的测量方法及应用配置修正方法，针对户外光伏电池板表面的污秽及灰尘覆盖对电源输出造成的影响进行测定评估与修正。

如图1所示，是本发明方法采用的光伏电池板表面覆污秽实验平台，该实验平台包括放置在实验桌10上的精密电子秤1和氙灯5，氙灯5设置有光源室调节旋钮6，氙灯5连接有光路逆转器7，光路逆转器7光线输出口与下方的光伏电池板8对应，氙灯5放置在实验桌10边缘，以便光路逆转器7的输出光束垂直照射下方的光伏电池板8，光伏电池板8搁置在电池板摆放台9上；氙灯5配置有氙灯电源2，氙灯电源2设置有电源启动按钮3和脉冲触发按钮4。

氙灯5经电源线连接至专用的氙灯电源2，氙灯电源2连接220V电压进行供电。按下电源启动按钮3后等待几秒，再按下脉冲触发按钮4，持续按下，当有光束从光路逆转器7中照射出时立刻松开脉冲触发按钮4。当触发点灯不成功，系统会禁止点灯，避免长时间连续频繁点灯，造成触发器和灯泡损坏。由于氙灯5的高强度紫外线辐射可能损害眼角膜、水晶体和视网膜，氙灯5点亮前，应戴好防护眼镜。点灯成功后，微调光源室调节旋钮6，使光源输出平行光的光斑直径达到最大。同时，调节电池板摆放台9与光路逆转器7的距离，使氙灯光斑垂直照射在光伏电池板8表面。

基于上述的结构，本发明污秽致光伏电源功率折损的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、搭建光伏电池板8的表面覆污秽实验场景，

现有的研究表明，在户外，光伏电池板8的输出功率主要受到工作温度及所接收到的太阳辐照度的影响，因此测量污秽覆盖对光伏电池板8输出的影响时，需尽量控制其他影响功率的因素不变，

1)控制实验室内的室温保持在25℃，正负误差不超过1℃；

2)由于自然条件下阳光的辐照度不稳定，使用型号为GLORIA-X500A的氙灯5作为太阳模拟器，提供辐照度为800W/m²的模拟光照射；氙灯5能发出紫外到可见光范围的平稳连续谱线，是性能卓越的宽带光源，具有与太阳相近的相关色温(约5800K)，多用来模拟日光。

3)风速会影响并改变表面灰尘及污秽的分布，在无长期均匀自然风的情况下，应使用无风的密闭实验室进行测定；

4)使用型号为XB220A的精密电子秤1测量灰尘重量，该电子天平的精度为0.001g；

5)自然状态下灰尘成分具有地区差异，不同成分的灰尘对光照的反射、折射及遮挡效果不同；根据现有成分分析，积累的灰尘主要由石英、方解石及少量的白云石和矿物黏土组成，其他成分占比较低可以忽略，同时该四种主要成分的差异带来的光照影响差异较小，因此收集普通灰尘即可。

6)由于氙灯照射面积为直径3mm到50mm连续可调，因此光伏电池板8的面积过大会导致存在无法获得有效辐照区域，导致输出功率降低。因此选用面积较小的低功率3W单晶太阳能光伏板作为测量对象，使用阻值为100Ω的水泥电阻作为负载连接在光伏电池板8的输出引线两端。

综合上述因素，光伏电池板表面覆污秽实验平台如图1所示，氙灯电源2为氙灯5供电，二者均放置在实验桌10上。按下电源启动按钮3后等几秒持续按下脉冲触发按钮4，待光源启动后释放脉冲触发按钮4。微调光源室调节旋钮6，将照射面积调整到直径50mm，使氙灯5发出的光源通过光路逆转器7照射在实验桌10下方放置在电池板摆放台9上的光伏电池板8。

步骤2、对光伏电池板8进行表面覆污秽，

目前应用较广泛的晶体硅光伏组件的结构从上到下依次为上面板、EVA胶膜、电池片、EVA胶膜及背板。组件工作时，阳光首先通过上面板，才能被电池片吸收。目前普遍采用透光率高的钢化低铁玻璃、聚丙烯酸类树脂或透明聚酯制作上面板，并利用透明光干涉形成减反射膜以降低入射光的反射损耗。由于光伏电池板8上面板光滑且具憎水性，进行人工覆灰时使用超细水雾将光伏电池板8上面板覆盖一层微小水珠后，将光伏电池板8水平放置，使用面积与光伏电池板8接近或稍大的100目聚乙烯细筛网将采集的灰尘尽可能均匀筛漏到光伏电池板8上面板。较细的灰尘覆盖在超细水雾表面，等待约5分钟，水雾晾干并将灰尘粘在光伏电池板8上面板。将光伏电池板8缓慢移动到电池板摆放台9上水平放置。注意防止移动过快导致灰尘飘散。

步骤3、测量光伏电池板8的输出功率及覆灰密度，

灰尘覆盖完毕后，启动氙灯5照射光伏电池板8。实施例中，使用电压为6V额定功率为3W的单晶光伏电池板与阻值为100Ω的水泥电阻连接，使用万用表测量光伏电池板8的输出电压及输出电流，完成覆污秽光伏电池板8的输出功率P的测量并记录数据；

使用精密电子秤1，接通电源后，按下开关键；在感应器上放入一张垫纸，关闭置物箱两侧的玻璃门，按下清零按钮静止等待屏幕显示0.0000g后，使用细刷将光伏电池板8上面板的灰尘轻轻刷到垫纸上，关闭玻璃门，静置待读数稳定后读取灰尘重量M；

实施例中，使用直尺量取光伏电池板8的长度l与宽度w，计算其面积S＝l×w，进一步计算覆灰密度ρ＝M/S；由于人工筛灰制造的覆灰无法定量控制，因此将数据进行整理，按照覆灰密度整理排序记录。下表1为大量实验中得到的10组数据：

表1、输出功率及覆灰密度测量数据表

步骤4、计算污秽致光伏电池板8的输出功率折损率，

进行功率折损计算首先要获得无污秽覆灰情况下的正常输出，在不对光伏电池板8覆灰的情况下按照步骤3的流程测定其正常输出P_N，则光伏电池板8的输出功率折损率τ(％)按照下式计算：

将覆灰密度及相比清洁面板的功率折损率数据绘制成曲线，如图2所示，使用幂函数对数据点进行拟合，得到函数：

τ＝10.75ρ^0.2605-2.968>

式中，ρ为覆灰密度，单位是g/m²；τ(％)为光伏电池板8的输出功率折损率。函数整体拟合效果较好，可以看出，覆灰密度越大，输出功率的下降越多，随着覆灰密度进一步增大，曲线的变化逐渐趋于平坦。

本发明涉及的另一技术方案是，在考虑污秽覆灰造成的功率折算的情况下对光伏电源的传统配置方法进行修正，过程如下：

大部分监测装置是全年日平均耗电量相同的均衡性负载，可设监测装置连续采集情况下平均功率为P_t，安装地点有效日照时长为t，太阳能电池板转换效率为η_pv(通常为60％)，安全容量系数K_c取1.1-1.5，根据行业经验公式，得到常规光伏电池板8的配置功率P_s为：

目前安装的光伏电源的监测系统中，诸如污染监测、放射监测、输电线路监测等装置，由于安装位置或安全问题的局限性，人力清洁或安装成本高昂的自清洁装置的可行性较差。而图2显示，当覆灰密度达到约12g/m²时，会引起光伏电池板8的输出功率下降约17.5％。因此当光伏电池板8长期无法得到清洁时，灰尘覆盖对光伏电池板8输出功率的影响理应纳入设计考虑。覆灰情况与安装地点周围的环境有关，高空悬浮微粒环境、土壤及灰尘成分、风速、降水及工业区分布等都对灰尘程度有一定影响。安装在重工业污染区的光伏电池板8可能几周就能达到安装在植被丰富空气清洁地区一年的覆灰量。因此研究角度、成分及覆灰速度等对广泛分布的户外监测装置而言不具有普遍性，相比而言，研究不同覆灰密度下对功率造成的折损更有意义。对户外监测装置进行光伏电源配置时，多采用式(3)计算得到光伏电池板8的规格。虽然考虑到了装置耗能、日照时长及光伏效率，但是从运行实况来看，即使在容量估计公式中引入了安全系数，由于冬季辐照度偏低、长期灰尘积累等，仍会导致光伏电池板8的输出功率降低，监测装置自身的光伏电源无法按照设计参数进行供电。进一步地，监测装置自带的蓄电池在完全放电后易持续处于欠充状态，长期造成酸分层化，使极板底部腐蚀，长期工作在低荷电状态下，其放电深度加大，寿命降低，最终造成电源无法持续工作导致监测装置失效。

灰尘沉降速度的地区差异性较大，难以给出一个固定的影响参数。本发明考虑以不同覆灰密度对输出功率造成的输出功率折损率τ(％)作为覆灰的表征量。在时间尺度上，认为灰尘造成的透光率折损带来的入射辐射减少体现在等效日照时长上，在公式(3)中给日照时长t乘衰减系数(1-τ)，如式(4)所示：

设计电源时可以根据当地的气候及建筑环境对τ进行取值，即对于干旱、风沙、重工业地区取较大值，对于植被丰富气候湿润地区取较小值。该修正配置公式在一定程度的覆灰情况下能够保证监测装置的连续运作及蓄电池的及时充电。