光伏组件清洁技术研究与分析综述

光伏组件清洁技术研究与分析综述

霍旭文 王艳芳

河北工业大学人工智能学院，天津， 300000

摘要：随着光伏产业的蓬勃发展,光伏电站的后期维护和提高光伏发电效率的问题逐渐成为人们关注当日焦点。光伏电池板积灰会显著降低光伏电池板的发电效率。为了提高光伏电站发电效率，针对灰尘会降低光伏电池板发电效率的问题，分析了灰尘的来源以及灰尘附着对光伏组件发电效率的影响。综合阐述了国内外现有的光伏组件清洁方式，并对各种方式优缺点进行对比分析。最后指出目前光伏清洁行业还存在的问题，对光伏组件清洁的发展方向及趋势进行了探讨。

【关键词】光伏组件；清洁技术；研究；分析

2018年全球光伏新增装机达到109GW，成为全球增长速度最快的能源品种。截至2018年5月，中国并网光伏装机容量已经超过1.4亿千瓦，光伏发电在推动中国能源转型发展中发挥了重要的作用。

随着全球太阳能光伏装机容量不断增大，后期运维问题逐渐凸显。由于气候、环境等因素的影响，光伏组件表面容易积灰，而“灰尘”是影响太阳能光伏发电系统效率的一个重要的因素，波士顿大学的马勒·马札姆达博士研究发现，每平方米若有4.05g的灰尘层就会使光伏组件的光电转换效率下降40%。资料显示，每年一个300兆瓦的太阳能发电厂因尘土覆盖的损失至少达360万美元。光伏组件积灰，严重影响发电效率，产生热斑效应，缩短组件寿命。

随着光伏电站容量的飞速增长，智能运维已是光伏电站由高速发展转向高质量发展的关键，提高光伏电站的发电效率以及使用寿命将对企业的经济效益有重要影响。而对光伏电池板进行清洁是提高光伏电站发电效率的最有效方法。本文从灰尘对光伏组件的影响出发，对国内外现有的光伏电池板的清洁方式进行了总结与分析。

光伏组件灰尘附着的影响

大气灰尘是影响太阳能发电效率的关键因素之一，灰尘污染会大幅降低光伏电站发电量,估计每年至少在5%以上。如按照2020年全球装机量预计将达到500GW左右计算,每年因灰尘降低发电量而造成的经济损失将高达50亿美元。随着光伏电站容量不断增长,这一损失会愈发严重—2030年全球装机总量约1400GW时,灰尘造成的经济损失预计将高达130亿美元。

灰尘来源及特性分析

灰尘是由悬浮在空气中的微粒所组成的不均匀分散体系。灰尘颗粒的直径一般在百分之一毫米到几百分之毫米之间,灰尘按粒径的大小大致可分为两种:粉尘和凝结固体烟雾。粉尘是由于物体粉碎而产生和分散到空气中的一种灰尘;凝结固体烟雾是物质在燃烧、升华、蒸发和凝聚等过程中形成的。

灰尘颗粒其粒径一般在0.1~1μm。小于10μm的悬浮粒子(PM10),即被认定有害于人体;小于2.5μm的细颗粒物(PM2.5),可穿透肺泡直达血液。大气灰尘的来源和组成因所处的地理位置、气候条件、季节和人类活动等不同而差异较大,如沙漠地区的大气灰尘主要来源于沙土、红土和沙粒,而城镇环境中的大气灰尘则含有大量的来自于建筑材料的石灰石、汽车尾气排出的碳化物以及织物纤维。人类活动对颗粒物的贡献巨大,空气流动是颗粒物扩散和迁徙的动力,也是光伏组件灰尘效应发生的重要动力学因素。

1.2 灰尘对光伏发电的影响

1.2.1遮挡影响

当灰尘落在光伏组件上，会对光线产生遮挡、吸收和反射等作用。其中最主要的是对光伏组件的遮挡作用。灰尘对光伏组件的遮挡作用会影响光伏电池板对光的吸收，从而影响光伏发电效率。有研究显示在相同条件下,清洁的电池板组件与积灰组件相比,其输出功率要高出至少5%,且积灰量越高,组件输出性能下降越大。

1.2.2温度影响

目前光伏电站大部分使用硅基太阳电池组件,该组件对温度十分敏感。灰尘积累在光伏组件表面，将会增大光伏组件的传热热阻,成为光伏组件上的隔热层,影响其散热。研究表明当太阳能电池温度上升1℃时,输出功率将会下降约0.5%。且电池组件在长时间阳光照射下,被遮盖的部分升温速度远大于未被遮盖部分,致使温度过高产生烧坏的暗斑，这种现象也称之为“暗斑效应”。在正常照度情况下,被遮盖部分电池板会由发电单元变为耗电单元,被遮盖的光伏电池会变成不发电的负载电阻,消耗相连电池产生的电力,此过程会加剧电池板老化,减少出力,严重时会引起组件烧毁。

1.2.3腐蚀影响

光伏面板表面大多为玻璃材质,玻璃的主要成分是二氧化硅和石灰石等,当湿润的酸性或碱性灰尘附在玻璃盖板表面时,玻璃的成分物质将会与酸或碱反应。随着玻璃在酸性或碱性环境里的时间增长,玻璃表面就会慢慢被侵蚀。玻璃表面将会形成坑坑洼洼,导致光线在盖板表面形成漫反射,在玻璃中的传播均匀性受到破坏。光伏组件玻璃板越粗糙,折射光的能量越小,实际到达光伏电池表面的能量减小,导致光伏电池发电量减小。并且粗糙的、带有粘合性残留物的黏滞表面比更光滑的表面更容易积累灰尘。而且灰尘本身也会吸附灰尘,一旦有了初始灰尘存在,就会导致更多的灰尘累积,加速了光伏电池发电量的衰减。

2． 国内外现有清洁方式

2.1 人工手持自动化设备清洁

人工清洗多采用手持清洁设备如电动滚刷、高压水枪等对屋顶的或者地面的光伏发电板进行清洗。此方法的优点是操作简单，无需购买昂贵设备。但缺点是此方法清洁效率不高，据估算，每人每天清洁面积约为500m²左右，清洁耗水量巨大，不适用于缺水或者取水不方便地区，且随着人工费用越来越高，人工清洗费用也不断上涨；另外，此方法并未解决山坡、屋顶等危险系数较高的作业环境不适合人工作业的问题。

2.2 车载移动式清洁

车载移动式清洁方式的工作过程如下：

驾驶员启动控制装置，使机械臂展开，然后通过清洗头上面装配的气缸将机械臂倾斜到指定的角度，使清洗刷头与太阳能板贴合。

启动喷水电机，为清洗过程进行供水。同时电机带动清洗刷头在光伏组件上上下移动，完成小面积光伏组件的清洁。

在毛刷与喷水环节配合进行清洗的同时，驾驶员控制汽车缓慢前行，完成大面积光伏组件的清洁。

我国的西部地区是大型光伏电站的主要建造地区，大多数光伏电站太阳能板都采用固定式倾角安置，但是西部地区普遍水资源匮乏，沙尘较大，自然条件比较恶劣，而且光伏电站所在地一般比较偏远，车载移动式清洁方式被广泛使用。车载移动式清洁光伏组件具有动力大、效率高的优点，相较于人工手持自动化设备清洁方式用水量较少，不必耗费大量的人力，清洁成本相对较低。但此种清洁方式用水量仍然十分可观，清洗成本高，不适合缺水及取水不便的地区。对于位于山区地区，清洁难度大，行驶难度高的光伏电站，该清洁方式存在一定局限性。

2.3 固定式喷淋清洁

固定式喷淋清洁是指在每排光伏组件上周围安装固定式喷淋设备，通过喷淋方式完成光伏组件的清洁。此种方式优点为作业方式简单，在前期安装完成喷淋设备后，后期工作方式简单。但安装固定式喷淋系统进行清洁前期成本投入过大，用水量巨大，不适用于缺水地区和取水不方便地区，成本较高、设备易损坏；

2.4 移动式光伏清洁机器人

国内现有的小型光伏清洁机器人主要为轮式清洁机器人，具有清洁速度快，清洁效率高的优点。但该清洁方式具有适用范围较小的缺点（轮式清洁机器人最大工作仰角为15度）。其重量较大，对壁面压强大，易损坏光伏组件。

随着科技的不断发展，涌现出了大量的智能化光伏清洁机器人，智能化机器人搭载视觉识别、路径规划等功能，并与气象数据相结合，合理规划作业时间，将会大大提高作业效率。但智能化光伏清洁机器人研发成本较高，且技术尚未成熟，尚未大面积投入适用。

另外，值得一提的是，在移动式光伏清洁机器人发展的过程当中，无水化清洁方式得到了极大的发展，通过利用毛刷辊实现光伏组件的清洁，将会解决目前大部分作业方式不适用于缺水或者取水不便地区的问题。

表1：各种清洁方式优缺点对比分析

3.行业现存问题

如何高效清洁光伏组件成为行业难题，目前光伏组件清洁行业仍有许多问题亟待解决：

1.清洁能耗高：现有清洁方式大多采用有水清洁，浪费大量水资源且作业方式不适合缺水地区。另外，在强光下光伏组件遇水易产生隐裂，直接威胁光伏电站的经济效益；

2.清洁成本高：对大型光伏电站的清洁需要耗费大量的人力物力。据估算，一个1MW机组每年的人工清洁总成本约为5.3万元。

3.清洁难度大：对于青海、甘肃等地区光伏组件安装角度较大，自动清洁装置难以实现大仰角作业，只能依靠人工进行清洁，存在一定安全隐患。

4.智能化程度低：对运维作业缺乏科学有效的管理，依靠人工主观判断清洁检测的频率及时间，缺乏一定的科学性，造成人力物力浪费。

4. 展望

随着光伏电站规模不断扩大，针对光伏组件表面清扫技术的研究力度也会不断增加，经过综合分析，未来光伏组件表面清扫技术将主要朝着以下几个方向发展。

1.无水化

我国西部地区是光伏电站主要建设地区，但是西部地区普遍水资源匮乏，沙尘较大，现有清洁方式大都要求有足够的水资源，难以满足西部地区的作业要求。有水清洁方式除了需要大量水资源，清洁成本较高外，在强光下光伏组件遇水易产生隐裂，会进一步导致光伏电站经济效益下降。

2.智能化

随着人工智能技术的不断发展，光伏组件清洁方式的智能化也将成为未来的一个发展趋势。目前，已有很多学者提出了如光伏电站智能运维系统、基于环境采集的清洗时间决策方法等概念。通过人工智能技术与光伏组件清洁技术的结合，未来，光伏组件清洁将会向着科学化、智能化继续发展。

3.低功耗

通过清洁光伏组件以提高光伏电站的经济效益。清洁功耗同时也是一个不可忽略的存在。从人工清洁到车载移动式清洁、到固定化喷淋清洁方式以及移动式光伏清洁机器人。清洁的成本、功耗都变得越来越小。以后，光伏组件的清洁将继续会朝着低功耗、低成本方向发展。

5.参考文献

[1]孟广双. 荒漠光伏太阳能电池板表面灰尘作用机理及其清洁方法研究[D]. 青海大学, 2015.

[2]江平, 高德东, 孟广双, et al. 荒漠地区太阳能电池板表面灰尘粘附接触力学分析[J]. 可再生能源, 2018, 36(8).

[3]罗奥. 光伏板无水除尘清扫车液压系统设计[D].

[4]邢朝路. 基于环境采集的光伏电站清洗预警系统设计与研究[D].

[5]马瑞林, 阚斌. 关于光伏电站太阳能板清洁技术的研究[J]. 电子制作, 2016(10X):34-34.

[6]孙卫红, 覃剑戈, 岳云涛. 煤矿塌陷区光伏电站太阳能电池板清洁机器人的研究[J]. 中国煤炭, 2018, v.44;No.501(04):145-150.

[7]师小伟, 马薇, 郝禹齐. 太阳能电池板清洁机器人智能交互技术研究[J]. 信息记录材料, 2019, 20(04):147-150.