科普：冬季即将来临，光伏电站如何快速除雪？

光伏电站如何快速除雪?

立冬刚过，近两日，我国多地迎来了初雪，全国各地像是约好了一起下雪。但下雪对于光伏电站来说，可未必是件好事，在持续的低温环境中，如果积雪不能及时清理，很容易形成结冰，这不但会严重影响发电效率，而且极有可能对组件造成不可预估的损害。

合理经济的快速融雪除雪方法不仅有利于提升光伏电站的发电量，减少运营维护工作量及费用，还具有很好的应用价值。如何通过最经济合理简便的方法让冬季光伏电站实现快速融雪除雪的目的？首先，我们需要了解几个概念：

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什么是雪载荷，它有什么影响？

雪荷载 (snow load）建筑学术语，指作用在建筑物或构筑物顶面上计算用的雪压。一般工业与民用建筑物屋面上的雪荷载，是由积雪形成的，是自发性的气象荷载。雪载值的大小，主要取决于依据气象资料而得的各地区降雪量、屋盖形式、建筑物的几何尺寸以及建筑物的正常使用情况等。

目前雪载值，一般占整个屋盖结构自重的10%-30% ，这样大的雪载，往往使得各种屋盖结构产生较大的变形，尤其在严寒多雪地区，大雪之后，屋盖结构不仅产生较大的残余变形，有时还遭致结构破坏。而在屋面低凹处更为严重，由于雪的堆积而形成局部地区很大的超载，且一般屋盖结构安全度偏低，因此在进行结构设计时，应慎重对待，妥善处理雪载取值。

在分布式屋顶光伏电站设计前，一定要仔细核算屋顶在所加恒荷载及风雪荷载的极限值，以免造成屋顶坍塌、威胁建筑物内人员安全及财产损失。

图1-1 屋面积雪分布系数

雪荷载的计算

基本雪压是雪荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出50 年一遇最大值确定。屋面水平投影面上的雪荷载标准值。

Sk= μr x So

式中 Sk—雪荷载标准值(kN/㎡)；

μr—屋面积雪分布系数；

So—基本雪压(kN/㎡)。

由上图的积雪分布系数不难看出，屋面倾角大小与屋面积雪分布系数成反比，即在屋面倾角越大的情况下，屋面所受雪荷载值越小。以此可以推断出，光伏支架安装倾角越大，所受的雪荷载值也就越小。

图1-2 30年平均降雪日数分布图

来源：中国气象报社

全国雪日分布

积雪指由降雪形成的覆盖在地球表面的雪层。它是地面地面气温低于冰点的寒冷地区或寒冷季节的特殊自然景观和天气现象。当观测站视野范围内地表二分之一以上面积被雪覆盖时，才能被认为出现了积雪，该天记为一个积雪日。

中国积雪分布范围广泛，其中新疆、东北和青藏高原是3个大值区，上述几个地区光照资源较好，为一类或二类光照资源区，由此推断，在此区域建设的光伏电站，冬季受积雪所致的发电量损失影响较大。

积雪的危害

在强风的作用下积雪被风刮到房屋一侧大量积聚在女儿墙、高低跨、雨篷等部位导致局部雪荷载大大超过设计值。

当四周设有设女儿墙强风作用会使女儿墙内侧局部雪荷载过大造成结构破坏和倒塌。有局部突出建筑物存在会造成屋面局部积雪过大因此会造成屋面变形或破坏。积雪将严重影响光伏组件发电性能。

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光伏电站常见的除雪方案有哪些？

A.

  人工除雪  

常规情况下，光伏电站只能安排专门的人员利用柔软物品将雪推下，当面对地形复杂的方阵或者距离地面较高的组件时，几乎无从下手，效率低下，同时耗费大量的人力财力。目前大部分光伏电站仍然采用最传统的人工清扫积雪的方法。

图2-1 人工除雪 

此种方法的优点是：方法简单，劳动工具简单。

缺点：工作效率低、成本高，若采用不科学的方法和工具极易刮伤光伏组件表面玻璃。

B.

   基于自清洁纳米膜层的自动除雪除尘组件 

面对积雪难题，使用自清洁纳米膜层将会获得很好的融雪效果，这是因为自清洁纳米膜层具有超强的亲水性。正常天气时，水滴落在玻璃表面后均匀的铺展开，和玻璃表面达到最大接触面积，更易带走大片的污染物，或者用更少的清水或雨水就可以将光伏组件表面的灰尘、沙土清除;而当下雪时，自清洁纳米膜层能够将积雪下层逐渐融化的细小水滴连结形成一层水膜，在重力的作用下，积雪更容易在水膜上滑动，从而实现了更快的融化并滑落。

目前SSG自清洁纳米膜层的自动除雪除尘光伏组件成本稍贵，在部分严寒区域，由于环境温度较低，自清洁纳米膜层很难将积雪下层逐渐融化的细小水滴连结形成一层水膜，因此除雪可靠性有待验证。

图2-2 自清洁纳米膜层组件除雪效果对比图

C.

  清扫机器人除雪 

光伏组件智能清扫机器人，通过智能控制系统，采用无水干式、自动定时清扫，云后台控制，无人值守工作模式；自带光伏组件，自发电储能，无需外部另行提供电源，减少灰尘、积雪等所造成的发电量损失。其缺点是由于是自供电系统，同时配置蓄电池，在下雪天环境温度较低，其表面的光伏组件被遮挡，自供电难以保证，同时低温将导致蓄电池储能性能大幅下降，对严寒多雪地区来说难以清除。同时由于毛刷紧贴与光伏组件，对光伏组件表面已经有一定厚度积雪的情况下，极易发生卡阻，影响其正常工作。

图2-3 光伏组件智能清扫机器人

D.

  跟踪支架自动除雪 

当下雪时将电池组件调至最大倾角可以有效减少组件表面积雪，当无雪后再将电池组件恢复正常的方式。下雪天光伏电站运维人员可以远程控制，将光伏组件倾角转到保护角度，有利于积雪滑落，不易形成积雪。这种方案仅适合于平单轴、斜单轴、双轴跟踪等跟踪支架系统，固定支架难以实现，固定可调支架需要在下雪之前将光伏阵列的角度尽可能的调成最大，此举方可减少积雪对光伏组件的影响。

图2-4 跟踪支架自动除雪技术

E.

  双玻双面组件除雪优势 

图2-5 双面组件发电增益原理

与单面光伏组件相比，采用双玻双面光伏组件除发电量有所提升，还可有效减轻光伏电站每年的除雪压力，并减少除雪方面的费用支出。

雪天过后地表被积雪覆盖，地表反射阳光的能力增强，即组件背面反射率增大，使双玻双面光伏组件背面的发电能力增强。双玻双面光伏组件背面可通过地面上积雪的漫反射实现光电转换从而继续发电，且在转换过程中释放的热量又会使组件正面紧贴组件处的积雪快速融化，形成水层，减少了积雪与组件间的摩擦力，在重力作用下可使组件表面的积雪滑落，减少组件正面被积雪覆盖的面积和被覆盖的时间。双玻双面光伏组件预计约1～3 h 即可将自身组件正面的积雪清理干净。

图2-6  积雪中的双面组件

F.

  基于光伏组件PN结电热原理的融雪技术 

当把光伏组件作为一个负载，有正电压施加在组件正负两极时，由于组件内部的PN结结构，会产生单向导通电流，此时的工作原理类似于发光二极管LED。由于PN结的能级差，以及半导体区电阻的存在，当电子通过时会在光伏组件内部的半导体区域内产生能量转化为热能，从而使组件温度升高，起到融雪的作用。但是在环境温度较低的地区，由于光伏组件都是安装于户外，光伏组件背板散热较快，采用PN结电热原理方案温度提升非常有限，因此采用该方案对融雪效果不明显，存在一定的局限性，同时需要新增外加偏置电源，每1~2个组串配置一个电源，则一个大容量电站要配置多台，投资成本很高，应用受限。

图2-7 基于光伏组件PN结电热原理图

G.

  发热电缆布置 

发热电缆内芯由冷线热线组成，外面由绝缘层、接地、屏蔽层和外护套组成，发热电缆通电后，热线发热，并在40～60℃的温度间运行，埋设在填充层内的发热电缆，将热能通过热传导(对流)的方式和发出的8-13um的远红外线辐射方式传给受热体。分布式光伏电站可以敷设在光伏组件、天沟及落水管周围，有积雪的时候开启加热模式，快速融化积雪。

图2-8 发热电缆组成部分

图2-9 发热电缆屋面融雪布置

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总结：

通过最经济合理简便的方法让冬季光伏电站实现快速融雪除雪的目的，有利于提升光伏电站的发电量，减少运营维护工作量及费用，具有很好的应用价值和社会意义。具体可以根据不同项目的特点，具体可以选择不同的除雪方案。

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