光伏組件積塵智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究*

柳一鳴，鄭思思，方曉敏

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學院，浙江 衢州 324000；2 衢州市工程技術(shù)學校，浙江 衢州 324000）

2019 年全國光伏發(fā)電量累計裝機容量20430 萬千瓦，2019 年全國光伏發(fā)電量達2243 億千瓦時，同比增長26.3%。光伏組件長時間暴露于空氣中，灰塵容易沉積在光伏組件的表面，導(dǎo)致組件表面能夠接收到的光照強度下降，引起組件輸出功率下降，最終降低光伏電站的發(fā)電量。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有研究表明，長時間的積灰能夠使光伏組件的峰值輸出功率降低最高達到40%左右，為了減少灰塵遮蔽光伏組件導(dǎo)致發(fā)電量降低的影響，需要不定期的對組件進行清洗。而清洗的效益由當前發(fā)電量下降、未來天氣情況和清洗成本所決定；清洗時機合理清洗效益可以最大化，而清洗時機不合理，清洗甚至會出現(xiàn)負收益。對于一些小型分布式光伏電站，如家庭、學校等光伏電站，缺少具備相關(guān)專業(yè)知識人員，很難合理的選擇清洗時機。

當前階段的光伏電站采用的比較典型的清洗時間計算方法可以歸納為以下三種：

（1）周期性頻次清洗策略。研究者主要通過記錄T 時間段內(nèi)的發(fā)電量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，當清洗成本達到發(fā)電收益的一定比例時，確定清洗周期，光伏組件將在每個周期時間到達時立即清洗。這樣的研究方案是不可靠的，因為研究者無法確定每個清洗后的光照條件，同時也不能確定積灰導(dǎo)致的發(fā)電量損失與清洗成本之間的關(guān)系，清洗后，光照變差，將會導(dǎo)致收益下降，造成發(fā)電損失。

（2）計算輸出功率損失率的清洗策略。通過伏安曲線檢測儀來測試光伏電站中某一光伏方陣的伏安曲線，然后將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過轉(zhuǎn)換到標準測試條件下的功率值，計算其與標準功率的差值比例，再通過計算該方陣的發(fā)電損失與清洗成本的臨界關(guān)系，從而確定清洗時間。此種方法中，由于研究者所使用的伏安曲線檢測儀多為直接購買，且目前市場上還沒有能夠用于在并網(wǎng)狀態(tài)下進行工作的伏安曲線掃描儀，研究者只能在離網(wǎng)狀態(tài)下對光伏組件進行測試，減少了光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電時間，造成發(fā)電損失，實際操作性不高，需要配備專業(yè)的操作設(shè)備和技術(shù)人員，同時該方法沒有考慮到收益，容易造成清洗后收益降低。

（3）對比發(fā)電量損失率清洗策略。研究者通過建立兩個對比的光伏方陣，分為參比方陣與實測方陣，在較短的時間內(nèi)執(zhí)行對參比方陣進行清洗，對實測方陣不進行清洗的方法，來對比這兩個光伏方陣在一定時間內(nèi)的發(fā)電量，當兩個方陣的發(fā)電量差值達到預(yù)期的設(shè)定值時，便對整個光伏電站進行清洗。此種清洗方法存在不足，其忽略了發(fā)電量損失是已經(jīng)客觀存在的事實，并不能因為此次清洗，損失的發(fā)電量還能夠收回。而應(yīng)該考慮的是，清洗之后，電站的發(fā)電量能夠提升多少，比較固定時間段增加的發(fā)電收益與清洗成本的關(guān)系確定清洗策略。

圖1 光伏組件及檢測原理圖A

圖2 光伏組件清潔度檢測原理圖B

綜上所述，開發(fā)低成本、易實施、無需專業(yè)人員維護的光伏組件積塵智能監(jiān)測系統(tǒng)，為光伏電站的合理清洗提供依據(jù)，對于提高光伏電站經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 積塵檢測原理

將通過比對的方法來得到積灰組件與清潔組件之間輸出功率的比值，并以此數(shù)值來定義清潔度。這樣，用戶可以直觀的得到積灰導(dǎo)致的發(fā)電量下降比例，或者說是對組件進行清洗，發(fā)電量可以提高的比例；該數(shù)值可以為清洗時間的選擇提供依據(jù)。

光伏組件的輸出功率除了與光照、溫度有關(guān)，還與自身的轉(zhuǎn)換效率、衰減有關(guān)。為了提高檢測的精度，本文采用將一塊小型光伏組件放置在高透光玻璃（光伏組件專用玻璃）下面，玻璃一半暴露在外面，與光伏電站的組件保持一樣的清潔度，另一半則在暗箱中保持清潔狀態(tài)。首先測量圖1 位置時小型光伏組件的輸出功率，然后電動推桿通電將清潔的玻璃推到左側(cè)，如圖2 所示，再次測量小型光伏組件的輸出功率。將兩次測量結(jié)果進行比對就可以得到光伏組件因積灰導(dǎo)致輸出功率下降的比例。系統(tǒng)還設(shè)置了自動清洗裝置，當光伏電站進行組件清洗后，本系統(tǒng)也要進行清洗，從而保持與光伏電站中組件的清潔度一致。清洗系統(tǒng)包括水箱、液位傳感器、進水電磁閥、水泵和噴頭。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文的硬件系統(tǒng)如圖3 所示。小型光伏組件通過控制單元向蓄電池充電，蓄電池為整個系統(tǒng)提供電能。因此小型光伏組件在系統(tǒng)中即發(fā)揮檢測元件的功能，也發(fā)揮了發(fā)電的功能，保證本系統(tǒng)可以不需要外接電源?？刂茊卧獙崟r檢測小型光伏組件的輸出功率，在達到預(yù)定測試條件（可以從時間、光照強度進行設(shè)置）時啟動對比檢測，即啟動電動推桿，使玻璃運動到圖2 所示位置，并檢測小型光伏組件的輸出功率。由單片機完成數(shù)據(jù)的處理后進行存儲，并通過無線通信模塊發(fā)送給用戶，當然用戶也可以通過系統(tǒng)自帶的顯示模塊進行查詢。同時控制單元還采集液位傳感器的信號，控制進水電磁閥的開關(guān)來保持水箱水位。在用戶啟動自動清洗功能時，控制器啟動水泵和電動推桿，利用噴頭和光伏組件專用玻璃的移動來實現(xiàn)自動清洗。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)每天定時檢測發(fā)電量下降程度，并通過網(wǎng)絡(luò)獲取天氣數(shù)據(jù)，然后計算出當前清洗能產(chǎn)生的效益，最后把結(jié)果發(fā)送到用戶手機上。采用“YY天氣”天氣數(shù)據(jù)接口API，可以獲取7 天的天氣預(yù)報。每個城市設(shè)定了編碼，如衢州為CH2110，如圖5 所示。

4 關(guān)鍵部件選型

4.1 小型光伏組件選型

現(xiàn)有光伏電站要采用單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，針對這種情況，項目中小型光伏組件也將選用單晶硅和多晶硅兩種。本文采用的光伏組件如圖6、圖7 所示，主要參數(shù)為：電壓18V，功率5W，經(jīng)過穩(wěn)壓以后可以為12V蓄電池充電。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖5 城市編碼

圖6 小型單晶硅光伏組件

圖7 小型多晶硅光伏組件

4.2 電動推桿選型

電動推桿在本系統(tǒng)中主要用于改變玻璃的位置，本文采用的電動推桿如圖8 所示，該推桿采用12V 電源，推力6000N，形成50mm-1000mm 可選，正負極互換控制推出和收回。

圖8 電動推桿

4.3 無線通信模塊選型

本文采用的無線通信模塊為SIM900 GPRS/gsm 無線傳輸模塊，如圖9 所示。該模塊4 頻模塊全球可用，支持各類單片機，具備發(fā)送SMS 短信，打電話，GPRS 等功能，廣泛應(yīng)用于遠程控制設(shè)備開發(fā)，無線抄表，智能家電，超遠距離控制等。

5 結(jié)論

圖9 無線通信模塊

針對光伏電站無法合理安排清洗時間，最終導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電收益因積塵下降的問題，設(shè)計了一種光伏組件積塵智能監(jiān)測系統(tǒng)。光伏組件積塵問題采用小型光伏組件作為發(fā)電量檢測元件，分別測試清潔玻璃和積灰玻璃下的發(fā)電量來獲得光伏組件發(fā)電量因積灰導(dǎo)致的下降程度。該方法檢測的是同一塊光伏組件的輸出功率，避免了對比測試中因光伏組件本身差異而導(dǎo)致的測量誤差。同時小型光伏組件還為系統(tǒng)中的蓄電池充電，保證系統(tǒng)可以不需要外接電源。系統(tǒng)通過無線模塊獲取網(wǎng)絡(luò)天氣資源，并據(jù)此進行當前效益分析，并發(fā)送到用戶手機上，用戶可以直觀的了解到光伏電站當前發(fā)電量損失以及當前的清洗效益，可以合理的安排好清洗時間，提高清洗的經(jīng)濟效益，提高光伏電站的收益。