高海拔荒漠地区风沙大、降水少，光伏电池表面上大量积尘，严重影响发电效率。电池板表面积尘主要受灰尘自身特性因素和当地气候环境因素的影响。灰尘自身特性因素包括灰尘的粒径、形貌、质量和化学组成等；当地气候环境因素包括温度、降水量、气流、海拔高度等。许多学者就积尘对光伏发电效率的影响做了大量研究。MontoMani指出，表面积尘光伏组件的发电效率相对降低10%—25%，这表明灰尘积累对光伏发电的影响是不容忽视的[1]。Jiang Hai量化了光伏组件上的不同类型积尘对光伏发电的影响，当灰尘密度从零增至22 g/m2时，光伏发电效率的降低从零升至260%[2] ．Kaldellis和Hussein研究了电池板上红壤、石灰石和灰烬3种类型积尘对发电效率的影响：红壤对光伏发电的影响最大，灰烬影响最小[3]~ [4]。Kaldellis认为这主要是由于灰尘本身特性决定的，灰尘的成分、粒径、形貌都会影响光电转化效率，从而影响光伏发电效率[3]。以往的研究表明，不同类型的灰尘对光伏发电效率的影响不同，因此对灰尘特性进行研究是十分必要的。
荒漠地区的光伏电站多用水射流方式进行除尘作业。水射流除尘的费用低、设备简单，在除尘的同时，还降低电池板表面温度而提高光伏发电效率[5]。但是，这种除尘方式耗水量大、易污染光伏组件，尤其是在电池板表面会残留一层难以清除的水垢，形成阴影区，极容易造成二次积尘。Abd-Elhady和Moharram的研究显示，用加入表面活性剂的水来清洗电池板表面，能达到了较好的清洁效果。因此，当使用地下水清洗电池板时，建议添加表面活性剂，使水呈偏酸性，以消除水垢残留，其清洁效果最佳[6]~ [7] 。
1灰尘成分分析
青海省格尔木戈壁荒漠地区，地广人稀，生态环境脆弱。该地区为高原大陆干旱性气候，日照时间长，太阳辐射强，年平均日照时数为3 000 h左右[8]。广阔的地域和充足的日照条件为光伏技术的应用和发展提供了优越条件。然而，荒漠地区昼夜温差大，年平均降水量少，风沙较多，因此光伏板表面的灰尘清洁工作是该地区光伏电站面临的重要问题[9]~ [11] 。
研究积尘的影响和灰尘的清洁问题，首先要了解灰尘自身特性。本文以位于格尔木东约25km，109国道附近的格尔木荒漠光伏产业园区为研究对象，对不同光伏阵列电池板表面灰尘进行收集，并将收集的样品经X-射线衍射仪测试在室温为20℃，相对湿度为45%的条件下，测得的荒漠地区光伏电站各采样点表面灰尘基本化学组成和平均含量列于表1。
由表1可知．电池板表面灰尘主要由石英和硅酸盐矿物质组成，它们表现为偏碱性，呈棕灰色。灰尘颗粒一般带有电荷，可通过加入带电的物质与之产生斥力将其移除电池板表面，还可选用表面活性剂来除尘[6]。[12]。[13]。
目前，多数学者以单位面积上的灰尘质量简称灰尘量，g/m2)作为衡量影响电池板发电
效率的指标之一[14] ．Kaldellis通过对红壤、石灰石和灰烬3种不同成分的灰尘模拟实验得知，不同物质成分的灰尘对电池板发电效率的影响也不同[3] 。
图1给出了格尔木荒漠地区电池板灰尘量对光伏发电效率的影响。图1中的光伏相对发电效率
是电池板积灰后的最大输出功率
与积灰前的最大输出功率
之比[20]：
图1中的拟合曲线为一近似指数变化的曲线，这与文献[15]的研究结果相一致。由图1可知，光伏相对发电效率
随电池板表面灰尘量的增加而逐渐降低；在灰尘量较少时，
的减速较快；随着灰尘量的增多
的变化趋于缓和。图中较为密集的实测点表明，电池板的灰尘量以2~8g/m2较多。由图可知，格尔木荒漠地区的光伏发电相对效率
受灰尘的影响较大，一般降低5%~25%。经测定，电池板的光伏相对发电效率平均降低15%，这与钧石光伏电站的前期测试结果（平均降低10%—20%）相吻合。
2灰尘粒径分析
电池板表面灰尘粒径影响电池板的受光面积，也影响灰尘与电池板间的粘附力，进而影响除尘时的擦除力[15]`~ [17]。对电池板表面灰尘和地表沙土粒径及形貌进行分析，可得出灰尘对电池板的遮挡效果，并为除尘方案的选定提供依据。
首先，对电池板表面灰尘进行显微观察。采用XSP-35TV生物显微镜观察地表细土颗粒及电池板表面灰尘颗粒；采用相应的图像分析软件可得到不同放大倍数下的颗粒微观形貌（图2）。
由图2可见，电池板表面灰尘颗粒粒径数量级数为斗m。通过对地表细沙土颗粒及电池板表面灰尘颗粒的显微镜观察发现，灰尘颗粒较小，呈近似球形。由于灰尘颗粒较小，不能采用筛分法测定灰尘粒径，须通过激光粒度仪测定灰尘粒径。通过MS2000马尔文激光粒度仪的测定，分别给出了格尔木荒漠地区地表细沙土及电池板表面灰尘的粒径分布规律(图3),由图3的粒径分布和累积曲线的走势及范围可知：电池板表面灰尘颗粒较细，粒径小于100um的颗粒所占比例较大：地表细沙土颗粒较大．粒径大于100 um的颗粒所占比例较大，通过激光粒度测得，光伏电池板表面灰尘粒径D为0.252~141.589um。
3 电池板表面灰尘粒径的影晌
3.1对受光面积的影响
灰尘附着在电池板表面，对光线产生遮挡、吸收和反射作用，其中最主要是对光的遮挡。将电池板表面能够接受光子的面积称之为受光面积，也即自由区域；将因被灰尘覆盖而不能吸收光子的电池板面积称之为遮挡面积，也即阴影区域。对于单层灰尘颗粒，不考虑灰尘间的相互干扰，其自由区域的面积计算公式[16]：
式中：Af为自由区域面积，cm2;A为电池板表面某一单位面积，cm2;n为单位面积上灰尘颗粒的数量；r为灰尘颗粒半径，um；
为光线与电池板表
面夹角，(0)。
灰尘数量及半径与灰尘质量的关系：
式中：M为单位面积上灰尘质量，mg/m2;p为灰尘密度，g/cm3。
利用式(2)、式(3)，可以根据测定的灰尘质量和粒径来评估灰尘的遮挡程度。若灰尘颗粒粒径十分接近，则由以上两式得：
式(4)是较为理想状态下的灰尘质量与受光面积的关系，根据该式可测算在一定质量的灰尘遮挡下电池板表面的受光面积：基于以上公式，以光线垂直入射(即=900）的1 Cm2电池板表面区域为例，假设该区域间颗粒紧密接触，则其 分布状态应介于最松散排布和最密集排布之间（图4）。假设灰尘颗粒为均匀球体且不透光．图4(a)为单层灰尘颗粒相互接触时最紧密的排布状态，图4(b)为单层灰尘颗粒相互接触时最松散的排布状态。
Al-Hasan计算得出：图4中最紧密排布时．1 cm2上的受光面积为0.09 Cm2，灰尘遮挡面积比为91%；图4中灰尘最松散排布时，1Cm2上的受光面积为0.215 cm2，灰尘遮挡面积比为7 8.5 %[16] 。进而可得出以下结论：对于单层灰尘颗粒，随着灰尘颗粒半径和灰尘质量（或者数量）的变大，电池板受光面积呈线性减少；当灰尘零散分布（未相互接触）时，其遮挡电池板面积的0~78.5%；当灰尘紧密接触时，其遮挡了电池板面积的78.5%—91%。
由于灰尘颗粒的重叠，一定厚度的多层灰尘颗粒对受光面积的影响较为复杂．Beattie给出了多层灰尘颗粒遮挡的经验公式：
式中：As为灰尘颗粒遮挡的总面积，cm2;A为单颗粒灰尘遮挡面积的总和. 
因为灰尘颗粒间有层叠和覆盖的情况，所以式(5)存在指数关系。由式(3)，(5)，(6)可知，灰尘颗粒与遮挡总面积呈正相关，而受光面积随灰尘质量的增加而减少，其变化为指数变化二具有一定厚度的灰尘对电池板的遮挡相对复杂，有待于进一步地研究。
3.2对擦除力大小的影响
灰尘颗粒大小不但影响灰尘受光面积．还会对灰尘的粘附产生重大影响，进而影响灰尘的清除[17], [18]。法向擦除力与灰尘颗粒半径的关系[18]：
式中：Fr为灰尘与电池板间的粘附力，N;GY为灰尘重力在垂直电池板表面方向上的分量，N；
为灰尘与电池板分子间的作用力（范德华力），N；FE灰尘与电池板间的静电作用力，N。
4灰尘残留分析
目前．格尔木地区对光伏板的清洗大多以水射流方式定期进行=调查发现，用这种粗放的清洁方式清洗之后．电池板表面仍有一层难以祛除的污垢，形成二次残留（图5）。
图5中，电池板表面白色块状和条状的痕迹即为用水冲洗干燥后留下的污垢。经测定，这些物质成分多为碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐。这些污痕长期附着在电池板上，难以清除，不仅遮挡光线，还可能与电池板表面玻璃发生化学反应，进而影响电池板寿命。污垢的产生与残留，与冲洗用水中所含的离子有关。通过检测当地地下水中的各种离子含量，反映了格尔木地下水的特性。表3为格尔木地下水中的离子成分及其质量浓。
经测定，格尔木荒漠地区地下水pH值为7~8.6;水的硬度为3～4 mmol/L，属于硬水：水的矿化度为850～1 000 mg/L。该地下水喷洒到电池板表面，干燥后会形成如图5所示的盐碱垢。
针对电池板表面产生盐碱垢的问题，建议在清洁电池板时，往水中加入一定量的酸性化学试剂和表面活性剂。pH值偏酸性的水可以使电池板表面盐碱垢溶解，预防盐碱垢的产生。加入表面活性剂可以改变灰尘与电池板间的粘附性质，使灰尘颗粒容易与电池板分离[19]，[20]。Moharram在清洁用水中加入阳离子表面活性剂溴代十六烷基吡啶和阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（浓度均为0.5%），并调定为偏酸性(pH<7)，达到了最佳清洁效果阴。因此，用水清洁电池板时，可选取适当的表面活性剂，配以一定浓度，并调节水的pH值呈弱酸性，清除灰尘效果最佳
5结论
对格尔木荒漠地区的地表沙土和电池板表面灰尘成分、粒径、形貌进行了分析，电池板表面灰尘主要组成是石英和钠长石。
灰尘颗粒对电池板有遮挡作用二对于单层灰尘颗粒而言，当灰尘零散分布时．灰尘对电池板的遮挡效果为0—78.5%．当灰尘紧密接触时其遮挡效果为78.5%—91%：对于多层颗粒，灰尘颗粒对电池板的遮挡作用呈现指数变化。光伏电池板表面灰尘粒径D专0.252~141.589um．灰尘颗粒半经的变化和灰尘质量或数量的增加．都会使电池板的受光面积减少。
格尔木地区单块电池板表面灰尘量为2~8 g/m2，使发电相对效率降低50%~25%。随着灰尘量的增多，电池板发电相对效率呈近似指数下降。
灰尘颗粒半径影响灰尘与电池板间的范德华力、静电力和灰尘自身重力，3种力均随灰尘颗粒半径的增大而增大，使灰尘与电池板间的粘附力变大，最终使清除灰尘的擦除力增大。
使用当地地下水冲洗电池板，其表面会产生以盐碱垢为主的二次残留，影响光伏发电效率，而且清除困难。通过地下水成分测定，建议在冲洗水中加入混合型表面活性剂，进行合理配比，使水呈偏酸性，能达到较好的清洁效果。
本文分析了荒漠地区灰尘特性以及对光伏发电效率的影响，提出一种高效、省水的化学清洗方法，为荒漠地区光伏电站太阳能电池阵列的清洗维护、提高光伏产业的效益提供了理论指导。
6摘要：
高海拔荒漠地区光伏电池板表面上往往会积累大量灰尘，严重影响光伏发电效率由灰尘的成分.形貌和粒径等特性不同，导致积灰对光伏发电的影响也不同。文章检测了光伏电池板表面灰尘成分．测定观察了灰尘粒径及形貌，并根据电池板清洗现状分析荒漠地区地下水所含的阴阳离子成分：根据格尔木荒漠地区灰尘成分，给出了灰尘对电池板发电效率的影响曲线；通过灰尘粒径的测定，分析了灰尘粒径对电池板的遮挡影响和对灰尘擦除的影响。文章还分析了光伏电池板清洁用水的成分及特性，结合灰尘自身特点，探讨了往清洗用水中添加化学试剂的方案，为荒漠地区光伏电池板表面的清洁维护提供理论依据。
