Kipp & Zonen 白皮书
污染物对光伏电站的性能造成了很大影响。在尘土飞扬的地区,如果不及时清理模块,可能会造成20%以上的产量损失。因此, 污染物对PV项目的投资回报率(ROI)有着重要的影响,污染物到底是什么?他是如何影响PV电厂的性能和产量的损失呢?如何处理污染物?
  • 1. 太阳能模块污染简介
  • 2. 什么是污染物?
  • 3. 污染物类型和颜色对传输损失的影响
  • 4. 粉尘在一天时间内造成的影响
  • 5. 粉尘对不同太阳能技术的影响
  • 6. 污染物的测量与措施
  • 7. 结论
  • 1. 半干旱气候的挑战与机遇
  • 2. DustIQ已加入巴西圣保罗大学交互技术跨学科研究中心
  • 3. 采用DustIQ进行监测的MET Dunai太阳能园区
  • 4. DustIQ安装在美国Midway III项目中

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太阳能模块污染

简介

风、雨和模块温度等环境因素均会影响光伏电厂的性能,但在许多环境中,PV模块的污染对性能造成的影响最大。沙土、粉尘和其他颗粒堆积物会遮盖PV模块的玻璃表面并阻止电池接收太阳能辐射,每年因此类污染而导致的能源产量损失常高达20%。

根据美国可再生能源国家实验室 的分析所述,污染物是一个复杂的太阳能产业问题,它会增加电厂监测和性能的不稳定性,并通过能源产量损失、O&M成本增加和更高的融资利率抬高LCOE。

因地理位置不同,污染最为严重的情况发生干旱和半干旱环境中,在经空气传播的污染条件下以及在倾斜角度较小的模块上。在上述条件下,若未对模块进行定期清洁,堆积的污染物将导致每月25%的产量损失,如图1所示。长期的污染物累积(尤其是胶结)可导致100%的产量损失 。

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图:不同清洁频率下的能量损失(来源:DNV GL)

报告中将这一发电量损失称为污染率(SR),即被污染的PV模块与同一型号的干净模块测量所得的功率输出之比 。

低至5°的倾斜角就会造成粉尘堆积的增加。通常情况下,将由污染造成的能量损失预估值假设为3%-5%,可这会导致不必要的过度设计 。

什么是污染物?

污染物是指覆盖在太阳能模块表面上的一层薄薄的粉尘,粉尘通常因具体位置和周边环境导致,且颗粒直径小于25µm 。地面上的粉尘以许多方式通过空气传播;例如风、人和动物、车辆流动、农业和火山喷发等。随着时间的流逝,特别是在潮湿或露水凝结条件下,粉尘会形成一个水泥般的不透明硬层,且难以清除。

对总交付能量造成影响的PV模块表面上堆积的粉尘量自然可按小时、日、月、季度和年度的时间单位进行测量。2014年,Sanaz Ghazi在世界上的不同地区对粉尘分布模式进行调查,并发现世界上粉尘堆积最严重的区域位于非洲的中东部和北部地区 。

污染通常由粉尘造成,而造成能量产额减少的原因则包括许多环境和自然因素;例如落在模块表面的沙土、海岸附近的盐类沉积、鸟粪、花粉、雪或雾,以及其他物质。

2014年,Zaki Ahmad等人对找到的15种粉尘变体类型进行研究;包括红土、水泥、灰、钙、石灰岩、硅土、碳酸钙、沙、粘土、土、泥、空气传播的粗粉尘以及哈麦丹风或撒哈拉沙尘 。其中六种对PV模块的影响最为明显;即灰、钙、石灰石、土、沙和硅土。

这些物质可以不同的组合和形态存在于空气中及模块上;由此形成的遮光类型可被分为‘软’或‘硬’遮光。

烟雾颗粒可形成软遮光,如模块上的烟雾或轻尘会减少照射到太阳能电池的总太阳辐照度。更为牢固的粉尘或颗粒则形成硬遮光,以清晰且可界定的形状遮蔽太阳光线 。

以上两种遮光类型会产生不同的影响。软遮光影响PV模块生成的电流,但电压保持不变。在硬遮光情况下,模块的性能则取决于光线被遮蔽的电池数量及其在模块中的位置,还会影响所产生的电流和电压。

污染物类型和颜色对传输损失的影响

由于污染是由范围广泛的物质(如粉尘、沙和花粉)导致且污染物的颜色也因地区有所差异,其对传输损失的影响也有所不同。

图:黑色和白色粉尘分别导致最高和最低的污染传输损失

由于污染物质的颜色因具体地区有所差异,污染物监测设备须对本地的粉尘特征具有敏感性。Kipp & Zonen DustIQ的出厂校准为标准的亚利桑那试验粉尘,可对其进行简单的现场再校准使其适用于现场粉尘颜色。

粉尘在一天时间内造成的影响

受来自太阳的直接辐射角度作用,由污染物造成的能量损失也会随着一日的时间进程而变化。当太阳位于天空较低处时,太阳光线以低角度接触到受污染的PV模块,这会造成较大的光线反射,从而导致较少的能量捕获。日落和日出时的捕获损失最大,太阳正午时则最小。太阳正午是指太阳位于天空最高处,且因时区和夏令时变化,其所指的并非当地‘时钟’的正午。

Deift晴朗天气条件下因人为污染造成的SR(随时间进程)

图3:一日内的污染率变化

以晴朗的天空为主的天气条件下,PV园区的最大发电量出现在太阳正午时段。因此,虽然在日出和日落时损失较大,但仅占全天能量产量的一小部分。

在指定地区,污染还会受到每日湿度和降水循环的影响。研究显示至少需要20毫米的降雨量才能清洁PV模块表面,否则土沉积将留存。胶结颗粒通常是无法清除的,这将导致模块电力输出的一个固定减少量,并可能对模块玻璃造成永久性损害。污染的现场研究显示地理和当地的降雨决定了较大的结果差异。

例如,加利福尼亚的一个2001年的研究发现在数日无降雨情况下平均每日PV模块的效率减少为0.2%。该研究发现,根据PV电厂的不同位置,由雨水缺少造成的年污染损失范围为1.5% 至6.2%。

亚利桑那州立大学的研究员们在近期的一次研究中发现,亚利桑那道路粉尘(ISO 12103-1,A2超细试验粉尘)对州内太阳能电池板的污染显示了年损失在无雨时期高达15%。

2018年Kipp & Zonen在西班牙和摩洛哥的一次研究发现每日污染率达0.4%。研究员使用DustIQ监测系统可检测到小于 1% 的小污染变化。如夜晚数据显示了模块上的露水累积可持续至清晨。

在春末夏初时节的摩洛哥,每日大约有 0。3% 至0。4% 的污染量增加,从而导致了92% 的SR。在西班牙,试验场地的年污染物堆积将近为 2。5%,即 97。5% 的污染率。每年的大多数时间,自然降雨会清洁模块,但在少雨的西班牙夏日,积累的损失则超过 20%。

R. R. Cordero等人于2018年在智利阿塔卡马沙漠的研究发现,若整年无清洁,高沉积率和较少降雨在沙漠北边的沿海区域可导致高达39%的年能量损失。与此相反,在海拔较高的场地以及沙漠的南部却测量到3%或更少的年能量损失。

减少上述损失的技术尚在开发中;防尘涂层、耐磨涂层和新的除尘技术已相继出现,通过研究,我们注意到其中一些措施可能已经对污染率产生了影响。研究员们宣称,目前暂无验证上述缓解措施有效性的标准方法。

图:全球范围粉尘强度变化

粉尘对不同太阳能技术的影响

考虑粉尘积累会造成较大的能量损失,可以理解PV电厂性能取决于三个主要因素:辐射、模块温度与污染物。对于透射表面(包括固定和跟踪PV模块以及CPV系统)和反射表面(如集中火力发电系统的日光反射装置或镜面),污染都是一个关键的性能问题。

在PV模块中,光线被遮蔽的电池所形成的区域会阻碍未污染电池生成的电流。光线被遮蔽的电池温度将因此升高,成为热点并最终损坏模块和导致故障。

由于风穿过电池板的不同以及前排模块的作用,电池板周边与中心部位的污染有所不同。因此,若PV模块为单列连接,则污染物对单个PV模块造成的软遮光影响通常与该列模块相同。然而在多列串连PV阵列的情况下,因一列遮光造成的电流不平衡可通过通用变频器影响与之平行的其他列。

单列PV阵列表面的硬遮光粉尘能减少该列的电压,但通常情况下,变频器会检测到这一变化并立即进行调整。然而,若在平行的不同列上有不平均的硬粉尘,则会发生电压错配。这样的情况被称为部分遮光,此时连接至同一变频器的不同平行列交付不同的电压。这让变频器很难将电压调整至可交付最大电力的最佳电压点。

图:DustIQ能进行高度细节的点监测

测量与措施

对污染状况进行细节监测是为了确认最具成本效益的太阳能模块清洁时间。O&M可利用这一信息与股东们就最佳清洁时间安排以及在特定事件(从微事件至沙尘暴)发生后触发措施的时间达成协议。

了解整个PV电厂的污染信息可明确给出模块清洁的具体时间和位置,而非采用会造成不必要清洁成本的固定计划表。

Kipp & Zonen DustIQ采用光学污染测量(OSM)技术来确定传输损失,在报告中被称为污染率。其使用了两个传感器,其中一个蓝色脉冲LED和光电二极管用于测量由DustIQ玻璃盖顶部散射回来的光线。

玻璃和框架结构与世界上安装的大多数PV模块相似。DustIQ还包括一个小PV电池,使用户能根据当地粉尘特征进行单位校准。系统无需维修,可与相邻模块一同清洁。

DustIQ的一个独有特征是无需任何外部辐射便可运行污染测量,它无需依赖太阳位置和天空条件。DustIQ每分钟提交一次SR,全日无休,从早到晚且无需进行任何太阳位置校正。

阿布扎比酋长国的气候条件非常干燥且伴随沙尘暴,在与之相似的环境中每日进行模块清洁可能具有一定的经济意义。在半干旱条件下,可要求每周清洁一次;而在大部分的美国市场中,每周或每月清洁两次便已足够。

清洁大型PV装置最常用的方法是将水运至现场进行人工冲洗和干燥处理。但一个位于沙漠的100MW级别太阳能电厂在其使用期限内需要的水量估计可超过5000万加仑。在美国西南部,考虑到两次清洁之前的污染所生成的清洁成本和生产损失,相关的长期成本可高达7000万美元。

圣戈班公司的PV太阳能清洁方案01号是一个为商业和公用事业级别太阳能农场设计的节水清洁系统,其特征是专为清除玻璃表面上的粉尘、灰尘、碳和其他碎屑而设计的高性能分散剂 。表面活性剂技术能在不损伤玻璃的情况下,渗透并清除含油和有机残留物,如石油污染物和鸟粪。

该公司宣称PV太阳能清洁方案01号可降低表面张力且具有润滑能力,这能在使用海绵或给水清洁杆进行的接触性擦洗中保护玻璃不受损害。其独特的化学剂可与所有类型的水混合进行有效清洁,包括去离子水、软水、井水或市政自来水。

Ecoppia E4是一个无水的模块清洁机器人,每晚可清洁多达1200个模块。E4使用强力且柔软的超细纤维和可控气流将模块上的粉尘颗粒向下清除。E4沿着刚性构架移动,不会在模块表面上产生任何负重,且经证明对模块和抗反射涂层是完全安全的。

图7:Ecoppia是第一个无水机器人太阳能模块清洁解决方案

另一个来自SunPower公司的机器人解决方案声称能以比人工方法快20倍的速度清洁模块;且能对污染问题形成快速反应。将机器人安排在晚上工作可最大程度减少对能源生产的影响以及运行所需的水量;对位于水资源有限或水费昂贵地区的项目,这是一项不错的选择。

专为MENA地区开发的Nomadd配有两个直驱电机,且没有暴露在外的齿轮、滑轮、电缆或电力传输组件。该机器可通过自动改变角度‘漂浮’于不对称的轨道之上,还能补偿模块安装固定和由此导致的起伏不平。整个系统悬挂于底架之上,对模块不施予任何重量,其设计旨在配合规格为600毫米的悬挂式模块使用。

结论

被粉尘和其他物质遮蔽的太阳能模块可对发电量造成非常重大的影响,根据现场发现,损失率可高达30%。虽然在经常降雨的地区,清洗频率无需像干燥环境下一样密集,还是要对所有PV电厂进行污染损失的监测,而收集的数据也应被纳入符合所有者和运营商目标的维护计划。

为达成最佳的PV电厂监测和维护计划,粉尘监测系统(如Kipp & Zonen的DustIQ)可提供关键性输入,用于优化产量损失和清洁成本之间的财务平衡和目标性能比的保持。

半干旱气候的挑战与机遇

发布日期:2019年4月17日,星期三

“污染物,是对ROIs和O&M造成影响的一个具体问题。”在基地位于摩洛哥的绿色能源公园(以下简称为“GEP”)负责气象与太阳能材料退化的研究和开发的Ahmed Alami Merrouni博士如是说,“特别是在摩洛哥,PV项目在此面临着挑战与机遇。”

半干旱气候的挑战和机遇

由于GEP位于半干旱气候条件下,PV在此遇到的主要挑战是污染物和温度。这两个参数会使PV模块退化,同时也会对电力生产效能造成巨大影响。GEP的平均污染率(以下简称为“SR”)测量大约为96.3%。

另一方面,该地区的平均GHI(全球水平辐照度)值为2100 kWh/m²,这为太阳能发电提供了巨大的潜能。

污染物对PV电厂造成的影响

由于尘土的存在和水分的缺失,辐射记录较高的地区通常位于沙漠地带。这增加了OPEX和O&M成本,因此,对PV电厂建设候选场地的SR值进行长期评估(至少两年)和测量对所有项目开发商而言都是至关重要的。

我们评估了污染物对PV电厂生产和O&M成本造成的影响。根据长期的SR测量和一些技术和经济方面的特定参数,我们正在开发旨在运行不同的清洁方案以及为特定场地提供最佳选择的软件。

GEP场地上的DustIQ和总辐射表

我从科学界得知了Kipp & Zonen这个品牌以及他们所生产的具有高准确度和可靠性的传感器。多年来,我在气象和太阳能资源评估工作中采用了该公司出产的总辐射表,并且获得了很好的使用体验。

全新DustIQ 系统是一个非常实用的灰尘监测系统。与其他同类监测系统相比,该系统非常便于安装,且可被安装在PV园区内的任意位置。此外,该系统采用了一种光学方法进行SR测量,使其优于仅代表一种特定技术的双模块测量方法。

该系统可同时提供夜间测量,并能够检测到特定现象,例如夜间发生的红雨或沙尘暴。这点对于电厂运营商来说是非常有帮助且至关重要的。运营商可采纳最佳的智能和主动清洁策略,从而降低O&M成本并提高PV电厂效能。我认为这一特性使DustIQ成为可供电厂运行和试运行阶段PV项目研究使用的优选污染物监测设备。

关于绿色能源公园

绿色能源公园(简称为“GEP”)通过Kipp & Zonen公司研究团队的实地测试为DustIQ的开发提供了支持。自2018年2月起,便已在GEP场地内安装了DustIQ进行现场污染率的监测。

绿色能源公园(简称为“GEP”)位于摩洛哥中南部一个名为本格里(Ben Guerir)的绿色都市,是由IRESEN(太阳能和新能源研究所)创立的一个研究中心、培训平台和测试机构。截至目前, 该园区采用了不同技术的250kWp民用PV装机容量。

以上评价来自于在太阳能和新能源研究所(简称为“IRESEN”)负责气象与太阳能材料退化研发的Ahmed Alami Merrouni博士

圣保罗大学光伏系统的DustIQ部分

发布日期:2019年6月20日

DustIQ已加入巴西圣保罗大学交互技术跨学科研究中心(CITI-USP)的实验性5.85 kWp光伏系统。该系统被用于执行科学研究以及评估对光伏系统性能进行监测和优化的新设备。

CITI-USP是位于圣保罗大学中央校区的一个平台,被本大学科学社团和合作科研机构广泛使用于多学科项目。测试设置分为三张独立的台面,并将可调倾角度设为10-40度。

对每张台面上的逆变器的AC和DC电气参数(电流、电压和功率等)进行监测,在模块一角安装有Kipp & Zonen公司生产的一台RT1智能型屋顶监测系统,用于测量倾斜平面内的辐射以及PV模块的温度。另外,每张台面均安装有一个DustIQ灰尘监测系统。同时也对光伏系统现场的其他参数进行了监测,如风速、大气压力、降雨、气温和湿度。

本次研究的目的为:

• 对巴西较大都市中的污染物进行表征

• 研究遮光对于在城市环境下进行光伏能源发电的影响

• 结合人工智能(AI),通过现场数据对光伏系统进行管理的新应用开发

• 为故障模式和异常行为识别提供解析,从而提高光伏系统在可用寿命期间内的可用性和性能

我们通过使用DustIQ测量研究地区内的污染模式,用于未来科学论文和新技术开发。

我们特意在每张台面的边缘处留了额外30cm金属支撑杆用于PV模块,由此便可安装DustIQ,使用随货提供的安装固定装置使安装过程非常简便。通过Campbell Scientific CR1000X 数据记录器进行的DustIQ数据整合简单且方便。

购买DustIQ的原因在于,该传感器是世界首台无需使用两台参考光伏模块(一台需保持清洁,另一台则用于污染物堆积)便可进行污染物测量的传感器。DustIQ在现场实验中更具操作灵活性。

DustIQ的理念非常有趣,并承诺能为较大光伏系统中的O&M执行方式带来巨大改变。目前,我仍未通过PV分析仪和IV波形记录器对每个字符串进行测量以确定光伏模块清洗程序后因污染物造成的能量损失,并通过DustIQ中记录的读数变动进行对比。

由于污染物在光伏系统中并非平均堆积,因此对DustIQ的校准能力大有益处,并有助于在若干个点上提高测量的准确率。

我们能通过本地校准将出厂设置默认的亚利桑那试验粉尘校准(简称为“ATD”)改为本地的粉尘标准。

然而,我能想象在某些环境中要达到校准所要求的5% 最小传输损失更加困难。如果初始选项中有其他与当地情况更接近的粉尘状况则会有所帮助。例如,在一次对圣保罗坎皮纳斯市CPFL Energia Tanquinho电厂的参观中,我见到来自场地附近种植园的一团尘烟堆积在电厂的PV模块上。这种粉尘情况与ATD完全不同。

DustIQ非常适合我们的项目,而我也很可能将其推荐给从事太阳能有关工作的同仁。

以上评价来自于USP(圣保罗大学)的研究人员Cesar Biasi de Moura

采用DustIQ进行监测的MET Dunai太阳能园区

发布日期:2019年4月17日,星期三

根据MET集团的任务分配,Solarpro在匈牙利设计并修建了一个21MW太阳能项目,采用了位于不同两处的DustIQ对MET Dunai园区进行监测,以评估灰尘级别。

该“园区”是匈牙利境内最大的光伏发电厂之一,由Solarpro Holding AD (简称为“Solarpro”)重新设计和修建,该公司是CEE和MENA PV行业交钥匙EPC的领先企业之一。“园区”为整合后的欧洲能源公司MET集团所有,其总部位于瑞士,经营活动主要为与天然气、电力和石油相关的多商品批发、贸易和销售,以及能源基础设施和工业资产。

该21 MW项目采用了来自于协鑫集成科技股份有限公司(简称为“GCL-SI”)的MW Poly Perc模块,该公司是一家领先的一站式解决方案供应商。Solarpro不仅完成了“园区”的设计和修建,还提供了一个基于网络且可生成性能分析、趋势和报告的SCADA系统用于监督和控制,该系统还可通过电子邮件、SMS和屏幕发送报警信息。

作为一个测量工具, DustIQ传感器被用于预估PV模块上的灰尘级别,并被纳入于SCADA系统中。Solarpro同时负责“园区”的运行和维护,当DustIQ传感器测量到的灰尘量达到一定级别时,该公司还需负责PV模块的清洁工作。结果的测量和记录间隔为5分钟。

客户要求在此项目中添加DustIQ,这也是我们第一次进行该系统的安装。如手册所描述,安装过程非常简单,说明书也提供了我们所需的一切细节。在Kipp & Zonen公司支持团队的帮助下,我们改变了默认设置并调整了Modbus速度使其适合于我们的SCADA系统。

DustIQ刚刚完成安装,目前显示了 99-100% 的污染率。因清洁计划仍是根据经验来安排,我们还是期待能获得准确的数值。

根据我们的初始经验且因市面上还未出现可比的系统,我们推荐在太阳能项目中(特别是在灰尘较多的区域)安装DustIQ。对于此类区域中规模较大的系统,我们建议使用约8个DustIQ。但这可能不适用于规模小于2 MW的系统。

关于Solarpro

Solarpro Holding创办于2007年,是欧洲东南部PV行业的领先企业之一。我们在5个国家拥有超过80名员工,可提供范围广泛的智能型能源系统和解决方案。我们从超过100 MW的装机容量以及33个运行中的PV电厂的工作中获得了建造、安装、运行和维护PV系统(并网、离网和混合电网)的重要经验。

DustIQ安装在美国Midway III项目中

若客户要求进行污染物测量,我们将推荐DustIQ

发布日期:2019年4月17日,星期三

“Nor-Cal是第一家在美国安装了新DustIQ 灰尘监测系统的公司。作为Midway III项目(位于加利福尼亚州卡利帕特里亚市的一所30 MWPV电厂)的一部分,我们在整个场地的三处不同场所安装了3个DustIQ。在将其安装至卡利帕特里亚市之前,我在实验室环境下对DustIQ的首批模块之一进行了测试。”

作为一名自动化工程师,我负责帮助设计和开发现场RTU和SCADA系统之间通讯的建立,以及配置SCADA和PLC系统以实施公用事业规模的太阳能发电厂的自动化和控制解决方案。我还参与了气象站的定制设计,在这项工作中也使用了DustIQ。

我们在实验室大约用了两周时间对最初版本的DustIQ进行测试。我们将其安装于户外,并使用提供的安装硬件以建立一个现场设置环境并提取数据进行评估。

最初的实验室测试是为了对系统进行评估以及为现场安装提供全力支持。受时间限制,我采用了人工方法观察了不同颜色的污染物所产生的影响。测试证明了根据当地不同颜色的污染物条件,可对传感器进行重新校准以测量具体的污染物量。

DustIQ的物理安装非常简便。我们根据手册引导完成了整个设备快速的安装。手册善意提醒,因风力载荷可能会引发的问题,不建议进行单侧安装(例如在一个面板电池板顶部或在一排的边缘处进行水平安装)。若无法在两个带框架的模块之间进行安装,则推荐采用额外的支撑物。

我一定会推荐采用DustIQ进行污染物测量。业内的其他污染物监测工作站均带有一些活动的零件。DustIQ则没有,这是一个很大的优势。该产品与您能放置在现场的任何其他传感器一样,也可使用开放的MODBUS协议读取数据。这使其更易使用,另外DustIQ还自带软件接口,可根据要求更改设备的参数设置。

关于Nor-Cal Controls

Nor-Cal Controls ES, Inc.(简称为“Nor-Cal”)是一家控制和自动化系统集成商,为太阳能光伏行业提供开放式架构的DAS和SCADA解决方案,该公司为全国光伏发电厂集成气象传感器和总辐射表,拥有丰富的经验。

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