本發(fā)明涉及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，是一種光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與清洗周期優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

我國西北、華北和東北，俗稱“三北”地區(qū)太陽能資源豐富、輻射強(qiáng)度大，大型集中式光伏電站得到快速發(fā)展。然而，這些區(qū)域也是典型的風(fēng)沙大、揚(yáng)塵多、缺水地帶，長時間運(yùn)行后灰塵覆蓋在光伏電池板面形成積灰。積灰給光伏電站的運(yùn)行帶來了多重危害，首先，導(dǎo)致電池板透光率降低，光電轉(zhuǎn)換效率，簡稱效率下降，同等氣象條件下發(fā)電量降低。早在1942年美國學(xué)者提出大氣懸浮顆粒物沉積將導(dǎo)致太陽能設(shè)備效率下降，并且還需耗費(fèi)額外的清洗費(fèi)用，研究表明積灰密度與效率降低值呈線性關(guān)系，并且在30～60天灰塵沉積逐漸達(dá)到漸進(jìn)值，其年累計(jì)平均可降低輸出電功率10～25％，沙塵暴對電池板的影響更嚴(yán)重，1個小時板面沉積的積灰可使效率降低70～80％。其次，積灰破壞了光伏電池板面熱平衡，導(dǎo)致板面局部地區(qū)過熱，容易產(chǎn)生燒結(jié)熱斑。最后，大氣懸浮顆粒物主要由1nm～100μm的膠體組成，沉積的積灰具有酸堿特性，與水汽結(jié)合生成酸、堿性物將侵蝕鋼化玻璃表面。所以電池板積灰的狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，并及時清洗對光伏電站具有顯著的安全、經(jīng)濟(jì)效益。

盡管清洗可有效的去除積灰，但是電池板積灰到何種程度開始清洗仍無法定量確定，主要有兩個方面的問題有待解決。一是電池板積灰程度暫無有效的評估方法和在線檢測裝置，目前主要研究結(jié)果在于說明積灰的密度與效率的關(guān)聯(lián)度。如學(xué)者指出積灰密度達(dá)到50、150、250g/m²時，其效率可分別降低10、30、70％。并且由于區(qū)域環(huán)境和天氣條件的影響，造成不同的研究結(jié)果差異較大，對工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義不大。二是缺乏可操作的積灰費(fèi)用與清洗費(fèi)用分析與優(yōu)化模型。有學(xué)者依據(jù)光伏電站廠址地的平均溫度、年降水量和緯度給出了個清洗周期推薦值，未考慮電站的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)場運(yùn)維人員依靠經(jīng)驗(yàn)，通過現(xiàn)場人為觀測來決定是否清洗，或是采用90、30d的固定清洗周期。清洗周期對光伏電站運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性的影響在于：如果清洗頻次高(即清洗間隔小)，積灰較少，光伏電池板因積灰造成的電量損失費(fèi)小，但是清洗維護(hù)費(fèi)較高，清洗裝備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差；如果清洗頻次低(即清洗間隔大)，清洗維護(hù)費(fèi)較低，但是積灰嚴(yán)重，光伏電池板因積灰造成的電量損失費(fèi)高，光伏電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明構(gòu)思的基礎(chǔ)是，針對現(xiàn)有光伏電池板積灰狀態(tài)定量評估與清洗時間確定存在的不足，1)本發(fā)明實(shí)時采集光伏電池板運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境氣象參數(shù)，構(gòu)建光伏電池板發(fā)電效率實(shí)時計(jì)算模型，將其與清潔狀態(tài)光伏電站發(fā)電效率比較分析，建立積灰對電池效率影響的動態(tài)特性預(yù)測模型；2)本發(fā)明基于積灰造成電量損失的預(yù)測模型，從積灰造成電量損失費(fèi)和清洗維護(hù)費(fèi)兩個方面來建立積灰經(jīng)濟(jì)損失評估算法，以年運(yùn)行中電量損失費(fèi)與清洗維護(hù)費(fèi)之和最小化來確定最佳清洗周期。

本發(fā)明的目的是，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時性好、精確度高、可實(shí)施性好的光伏電池板積灰狀態(tài)發(fā)電效率監(jiān)測系統(tǒng)，并提供其科學(xué)合理，使光伏電池板積灰造成的電量損失費(fèi)和清洗設(shè)備的清洗維護(hù)費(fèi)之和最小，提高光伏電池板使用壽命的清洗周期確定方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案之一是：一種光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：它包括環(huán)境溫濕度傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集器第一輸入端連接，太陽能總輻射傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集器第二輸入端連接，電池組件背板溫度傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集器第三輸入端連接；電池組件背板溫度傳感器嵌在光伏電池板陣列的電池組件背板上，光伏電池板陣列的輸出端與匯流箱輸入端連接，匯流箱輸出端與直流柜輸入端連接；直流柜第一輸出端通過電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器第四輸入端連接，直流柜第二輸出端通過電壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器第五輸入端連接，數(shù)據(jù)采集器輸出端與工控機(jī)連接；直流柜第三輸出端與逆變器輸入端連接，逆變器輸出端與變壓器輸入端，變壓器輸出端與輸配電網(wǎng)連接。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案之二是，一種光伏電池板積灰的清洗周期優(yōu)化方法，其特征在于：光伏電池板兩次清洗的間隔為清洗周期，依據(jù)年運(yùn)行時間內(nèi)積灰造成的電量損失費(fèi)和清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)之和最小化為目標(biāo)，其所對應(yīng)的清洗間隔為光伏電池板的最佳清洗周期，整個最佳清洗周期由下述方程組定量描述：

積灰狀態(tài)下電池額定工作溫度工況光伏電池板發(fā)電效率

積灰狀態(tài)下光伏電池板電功率損失率

積灰增長造成的電量損失費(fèi)

ed＝p·ηpl·td·ce(3)

清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)

ec＝f·cc(4)

單個清洗周期中清洗間隔內(nèi)積灰增長產(chǎn)生的電量損失費(fèi)用

單個清洗周期中清洗時間內(nèi)積灰清洗產(chǎn)生的清洗維護(hù)費(fèi)用

ec＝p·ec(6)

年累計(jì)積灰造成的電量損失和清洗維護(hù)的總經(jīng)濟(jì)損失

其中，tb為光伏電池板背板溫度，tr為光伏電池板額定工作溫度，ptc為光伏電池板功率溫度系數(shù)，pm為積灰狀態(tài)下光伏電池板輸出電功率，ai為光伏電池板面積，pin為太陽能總輻射度，ηon為積灰狀態(tài)下電池額定工作溫度工況光伏電池板發(fā)電效率，η為清潔狀態(tài)下電池額定工作溫度工況光伏電池板發(fā)電效率，ηpl為積灰工況下光伏電池板電功率損失率，tci為清洗間隔，ed為積灰增長造成的電量損失費(fèi)，p為光伏電站裝機(jī)容量，td為平均每天利用小時數(shù)，ce為上網(wǎng)電價，ec為清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)，f為單位容量光伏電站電池板面積，cc為單位面積光伏電池板清洗維護(hù)費(fèi)，ed為單個清洗周期中清洗間隔內(nèi)積灰增長產(chǎn)生的電量損失費(fèi)用，ec為單個清洗周期中清洗時間內(nèi)積灰清洗產(chǎn)生的清洗維護(hù)費(fèi)用，e為年累計(jì)積灰造成的電量損失和清洗維護(hù)的總經(jīng)濟(jì)損失，t為年累計(jì)光伏電池板積灰清洗設(shè)備運(yùn)行時間；

運(yùn)行中，監(jiān)測積灰工況下光伏電池板輸出電功率、光伏電池板背板溫度和太陽能總輻射度，聯(lián)立式(1)和(2)確定光伏電池板電功率損失率與積灰時間的定量關(guān)系，由光伏電站裝機(jī)容量、利用時間和上網(wǎng)電價，聯(lián)立式(3)確定積灰造成的電量損失費(fèi)，聯(lián)立式(4)確定積灰清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)，再聯(lián)立式(5)、式(6)和式(7)確定年累計(jì)積灰造成的電量損失和清洗維護(hù)的總經(jīng)濟(jì)損失，其最小值對應(yīng)的清洗周期為最佳清洗周期。

本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：一是實(shí)時檢測環(huán)境溫濕度、太陽能總輻射度和光伏電池板背板溫度，通過積灰工況下光伏電池板發(fā)電效率計(jì)算模型實(shí)時計(jì)算分析發(fā)電效率；二是依據(jù)太陽能總輻射度和光伏電池板背板溫度對發(fā)電效率的影響規(guī)律，將積灰工況的發(fā)電效率統(tǒng)一折算到光伏電池板額定工作溫度條件下，將其與清潔工況額定工作溫度條件下的發(fā)電效率對比分析，獲得積灰對光伏電站發(fā)電量損失的影響；三是可設(shè)置光伏電池板清洗報警閾值，實(shí)時監(jiān)測的光伏電池板發(fā)電效率達(dá)到清洗閾值時，發(fā)出報警，提醒工作人員及時清洗光伏電池板積灰；四是結(jié)構(gòu)簡單、合理，造價低廉，無特殊要求設(shè)備，可實(shí)施性好，更重要的是實(shí)時監(jiān)測了光伏電池板積灰的影響，定量分析積灰導(dǎo)致的發(fā)電量損失，節(jié)能、環(huán)保效果佳。

本發(fā)明的光伏電池板積灰的清洗周期優(yōu)化方法是依據(jù)該光伏電池板積灰清洗設(shè)備運(yùn)行時間內(nèi)最佳清洗間隔來確定清洗周期，調(diào)整積灰清洗間隔，可維持光伏電站積灰造成電量損失費(fèi)和清洗維護(hù)費(fèi)之和最小化，其方法科學(xué)合理，能夠提高光伏電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、提高光伏電站版使用壽命。

附圖說明

圖1為光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖；

圖2為光伏電池板發(fā)電效率與太陽能總輻射度、光伏電池板背板溫度關(guān)聯(lián)圖；

圖3為光伏電池板最佳清洗周期優(yōu)化模型示意圖；

圖4為50mw光伏電站清洗周期優(yōu)化狀態(tài)示意圖。

圖中：1環(huán)境溫濕度傳感器，2太陽能總輻射傳感器，3電池組件背板溫度傳感器，4光伏電池板陣列，5匯流箱，6直流柜，7電流傳感器，8電壓傳感器，9數(shù)據(jù)采集器，10工控機(jī)，11逆變器，12變壓器，13輸配電網(wǎng)。

具體實(shí)施方式

下面利用附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參照圖1，本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括環(huán)境溫濕度傳感器1輸出端與數(shù)據(jù)采集器9第一輸入端連接，太陽能總輻射傳感器2輸出端與數(shù)據(jù)采集器9第二輸入端連接，電池組件背板溫度傳感器3輸出端與數(shù)據(jù)采集器9第三輸入端連接；電池組件背板溫度傳感器3嵌在光伏電池板陣列4的電池組件背板上，光伏電池板陣列4的輸出端與匯流箱5輸入端連接，匯流箱5輸出端與直流柜6輸入端連接；直流柜6第一輸出端通過電流傳感器7與數(shù)據(jù)采集器9第四輸入端連接，直流柜6第二輸出端通過電壓傳感器8與數(shù)據(jù)采集器9第五輸入端連接，數(shù)據(jù)采集器9輸出端與工控機(jī)10連接；直流柜6第三輸出端與逆變器11輸入端連接，逆變器11輸出端與變壓器12輸入端，變壓器12輸出端與輸配電網(wǎng)13連接。

參照圖1和圖2，實(shí)施環(huán)境氣象參數(shù)和光伏電池板運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時采集與光伏電池板發(fā)電效率的實(shí)時分析，環(huán)境溫濕度傳感器1采集的環(huán)境氣溫和濕度參數(shù)、太陽能總輻射傳感器2采集的總輻照度、電池組件背板溫度傳感器3采集的光伏電池板運(yùn)行溫度參數(shù)分別送入數(shù)據(jù)采集器9第一、二和三輸入端；積灰工況下光伏電池板陣列4輸出電能進(jìn)入?yún)R流箱5匯集，匯流箱5將各陣列電能匯集后送入直流柜6，直流柜6第三輸出端的直流電進(jìn)入逆變器11逆變?yōu)榻涣麟姡孀兤?1出口的交流電進(jìn)入變壓器12升壓，變壓器12出口的高壓交流電送入輸配電網(wǎng)13供電負(fù)荷用戶使用；直流柜6內(nèi)安裝電流傳感器7，將實(shí)時檢測的光伏電池板陣列4輸出電能的電流值通過直流柜6第一輸出端送入數(shù)據(jù)采集器9第四輸入端；直流柜6內(nèi)安裝電壓傳感器8，將實(shí)時檢測的光伏電池板陣列4輸出電能的電壓值通過直流柜6第二輸出端送入數(shù)據(jù)采集器9第五輸入端，數(shù)據(jù)采集器9將實(shí)時采集的參數(shù)送入工控機(jī)10內(nèi)，依據(jù)積灰工況下光伏電池板發(fā)電效率計(jì)算模型實(shí)時計(jì)算發(fā)電效率。

參照圖3和圖4，本發(fā)明的光伏電池板積灰的清洗周期優(yōu)化方法，依據(jù)年運(yùn)行時間內(nèi)積灰造成的電量損失費(fèi)和清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)之和最小化為目標(biāo)，其所對應(yīng)的清洗間隔為光伏電池板的最佳清洗周期，整個最佳清洗周期由下述方程組定量描述：

積灰狀態(tài)下電池額定工作溫度工況光伏電池板發(fā)電效率

積灰狀態(tài)下光伏電池板電功率損失率

積灰增長造成的電量損失費(fèi)

ed＝p·ηpl·td·ce(3)

清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)

ec＝f·cc(4)

單個清洗周期中清洗間隔內(nèi)積灰增長產(chǎn)生的電量損失費(fèi)用

單個清洗周期中清洗時間內(nèi)積灰清洗產(chǎn)生的清洗維護(hù)費(fèi)用

ec＝p·ec(6)

年累計(jì)積灰造成的電量損失和清洗維護(hù)的總經(jīng)濟(jì)損失

其中，tb為光伏電池板背板溫度，tr為光伏電池板額定工作溫度，ptc為光伏電池板功率溫度系數(shù)，pm為積灰狀態(tài)下光伏電池板輸出電功率，ai為光伏電池板面積，pin為太陽能總輻射度，ηon為積灰狀態(tài)下電池額定工作溫度工況光伏電池板發(fā)電效率，η為清潔狀態(tài)下電池額定工作溫度工況光伏電池板發(fā)電效率，ηpl為積灰工況下光伏電池板電功率損失率，tci為清洗間隔，ed為積灰增長造成的電量損失費(fèi)，p為光伏電站裝機(jī)容量，td為平均每天利用小時數(shù)，ce為上網(wǎng)電價，ec為清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)，f為單位容量光伏電站電池板面積，cc為單位面積光伏電池板清洗維護(hù)費(fèi)，ed為單個清洗周期中清洗間隔內(nèi)積灰增長產(chǎn)生的電量損失費(fèi)用，ec為單個清洗周期中清洗時間內(nèi)積灰清洗產(chǎn)生的清洗維護(hù)費(fèi)用，e為年累計(jì)積灰造成的電量損失和清洗維護(hù)的總經(jīng)濟(jì)損失，t為年累計(jì)光伏電池板積灰清洗設(shè)備運(yùn)行時間。

運(yùn)行中，監(jiān)測積灰工況下光伏電池板輸出電功率、光伏電池板背板溫度和太陽能總輻射度，聯(lián)立式(1)和(2)確定光伏電池板電功率損失率與積灰時間的定量關(guān)系，由光伏電站裝機(jī)容量、利用時間和上網(wǎng)電價，聯(lián)立式(3)確定積灰造成的電量損失費(fèi)，聯(lián)立式(4)確定積灰清洗設(shè)備造成的清洗維護(hù)費(fèi)，再聯(lián)立式(5)、式(6)和式(7)，確定年運(yùn)行期間內(nèi)積灰造成的電量損失和清洗維護(hù)的總經(jīng)濟(jì)損失，其最小值對應(yīng)的清洗周期為最佳清洗周期。

本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，定量評估積灰對光伏電池板發(fā)電效率及光伏電站發(fā)電量的影響，可克服的缺點(diǎn)如下：①光伏電池板積灰對發(fā)電效率的影響和光伏電站發(fā)電量的影響無法定量評估，積灰的清洗依靠現(xiàn)場運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，通過運(yùn)維人員人為觀測，依靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來決定是否清洗，或是完全依靠自然降雨清洗；②光伏電池板積灰采用固定的清洗周期，清洗周期對光伏電站運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性的影響在于：如果清洗頻次高(即清洗間隔小)，積灰較少，光伏電池板因積灰造成的電量損失費(fèi)小，但是清洗維護(hù)費(fèi)較高，清洗裝備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差；如果清洗頻次低(即清洗間隔大)，清洗維護(hù)費(fèi)較低，但是積灰嚴(yán)重，光伏電池板因積灰造成的電量損失費(fèi)高，光伏電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差。

本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時檢測環(huán)境氣象參數(shù)(包括環(huán)境溫濕度、太陽能總輻射度)和光伏電池板運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(包括光伏電池板陣列輸出電壓、電流及電池組件背板溫度)，依據(jù)光伏電池板發(fā)電效率與太陽能總輻射度、光伏電池板背板溫度的關(guān)聯(lián)曲線，修正太陽能總輻射度與背板溫度對光伏電池板發(fā)電效率的影響，在計(jì)算積灰對光伏電池板發(fā)電效率和光伏電站發(fā)電量損失的影響時，可以避免太陽能總輻射度與背板溫度參數(shù)的干擾。

本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以具體的數(shù)值作為光伏電池板積灰程度的參考，可實(shí)時量化評估光伏電池板積灰造成影響的各項(xiàng)指標(biāo)，從而當(dāng)積灰達(dá)到一定程度時，即所設(shè)置報警閾值，發(fā)出報警，提醒光伏電站現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員及時清洗光伏電池板積灰。

本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對揚(yáng)塵多的“三北”地區(qū)的風(fēng)沙，或是工業(yè)生產(chǎn)污染物排放造成的光伏電池板積灰進(jìn)行量化分析，避免由于清洗不及時導(dǎo)致的電量損失費(fèi)用大或發(fā)電量不滿足負(fù)荷要求；對于多雨地區(qū)或者多雪地區(qū)，可以避免采用固定清洗周期帶來的不必要的清洗費(fèi)用。

本發(fā)明的光伏電池板積灰清洗周期優(yōu)化方法，以光伏電池板發(fā)電量損失費(fèi)用與清洗維護(hù)費(fèi)用之和作為經(jīng)濟(jì)型參考指標(biāo)，針對不同地區(qū)、不同容量的光伏電站優(yōu)化確定最佳積灰最佳清洗周期，光伏電站總經(jīng)濟(jì)損失為單個清洗周期內(nèi)電量損失費(fèi)與清洗維護(hù)費(fèi)的和與清洗次數(shù)的乘積，如果清洗間隔小，單個清洗間隔內(nèi)電量損失費(fèi)小，但是清洗頻次高；反之，則電量損失費(fèi)大，清洗頻次低，采用積灰清洗周期優(yōu)化方法確定的最佳清洗周期，能最大化地降低積灰造成的總經(jīng)濟(jì)損失，同時避免現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員依據(jù)人為觀測來決定是否清洗，或是采用固定的清洗周期，可為現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員提供清洗指導(dǎo)。

本發(fā)明的光伏電池板積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與清洗周期優(yōu)化方法，采用50mw光伏電站為例，如圖4所示，光伏電池板積灰造成的電功率損失隨時間的變化符合漸進(jìn)型曲線，結(jié)合現(xiàn)場觀測表明積灰對電功率影響隨時間變化遵循一定的漸近型時變特性，電功率損失與積灰時間的預(yù)測模型為ηpl＝22.85*(1-e^-θ/30.08)/100。光伏電池板積灰經(jīng)濟(jì)損失由光伏電站發(fā)電量損失費(fèi)和清洗維護(hù)費(fèi)構(gòu)成，50mw電站清洗周期按照現(xiàn)場運(yùn)行90d工況下年累計(jì)積灰總經(jīng)濟(jì)損失1019.8萬元，單位容量機(jī)組經(jīng)濟(jì)損失20.4萬元·mw^-1·a^-1，占設(shè)計(jì)年均發(fā)電收益的16.5％。通過清洗周期優(yōu)化，最佳清洗周期為21.5d，年累計(jì)積灰總經(jīng)濟(jì)損失可降為667.9萬元，單位容量機(jī)組經(jīng)濟(jì)損失為13.4萬元·mw^-1·a^-1，約占設(shè)計(jì)年均發(fā)電收益的10.8％，與90d清洗一次比較，年均可節(jié)約351.9萬元，單位容量機(jī)組節(jié)約7萬元·mw^-1·a^-1。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)，截至2016年底，我國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量77420mw，全國累計(jì)積灰經(jīng)濟(jì)損失可由120億元/a降至80億元/a。引入清洗優(yōu)化周期辦法能評估最適宜清洗的工況，使光伏電站的電量損失費(fèi)大幅度降低。

本發(fā)明所用元件、器件均為市售產(chǎn)品，容易實(shí)施。工控機(jī)10的監(jiān)測控制程序編制是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式已對本發(fā)明的內(nèi)容作出了說明，但不局限本具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的啟示所做的任何顯而易見的改動，都屬于本發(fā)明權(quán)利保護(hù)的范圍。