國內(nèi)光伏組件除塵專利技術(shù)比較研究

韓 濤，龔恒翔，周康渠，李江華，朱新才

(重慶理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.物理實(shí)驗(yàn)中心，重慶 400054)

太陽能是太陽輻射到地球的輻照能的總稱。太陽能儲量近乎無限，是一種綠色清潔能源，在世界能源日益緊張的今天，受到人們越來越多的關(guān)注。光熱、光電、光化學(xué)和光生物方式是目前利用太陽能的4種基本技術(shù)途徑。其中光電方式利用太陽能的潛力更大，技術(shù)也更成熟［1］。根據(jù)我國國家能源局公布的最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2014年上半年，全國新增光伏發(fā)電并網(wǎng)容量330萬千瓦，比去年同期增長約100%，光伏發(fā)電累計(jì)上網(wǎng)電量約110億千瓦時，同比增長超過200%［2］。可見，我國對光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)出直線上升的趨勢。規(guī)模化商用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)在我國也是近幾年的事，故在技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)方面尚有欠缺，對系統(tǒng)長時間運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題預(yù)計(jì)不足［3］。例如在大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中忽視光伏組件上灰塵的積累導(dǎo)致光伏組件電能輸出量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。據(jù)調(diào)查［4］，陜西榆林的一家20 MW太陽能光伏電站，總投資高達(dá)2億元。最初設(shè)計(jì)年發(fā)電量2000多萬千瓦時，按照國家每千瓦時補(bǔ)貼1元的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)年收益可達(dá)2000萬元以上。但由于光伏面板的灰塵覆蓋，光伏組件的實(shí)際發(fā)電效率由15%～18%下降到10%左右，造成每年損失至少200萬元，嚴(yán)重影響光伏電站的生產(chǎn)效益。

鑒于灰塵積累給光伏發(fā)電帶來的巨大損失，有必要探討這種灰塵污染的機(jī)理。光伏組件灰塵效應(yīng)一般描述為:源自空氣攜載的固態(tài)微米量級灰塵顆粒物覆蓋光伏組件表面，降低光伏組件光通量，進(jìn)而導(dǎo)致光伏組件電能輸出量降低［5］。有研究者從灰塵積累模型的微觀角度出發(fā)，指出重力、范德瓦耳斯力、靜電場力均對灰塵積累有貢獻(xiàn)［6］。居發(fā)禮［7］從宏觀角度對灰塵積累做了部分闡述，指出灰塵積累就是自然與人為因素產(chǎn)生的灰塵顆粒物相互作用，吸附于重力降塵和大氣飄塵，并在一定條件下降落到地面或光伏面板。鮑官軍等［8］指出大氣灰塵在光伏面板上的累積效應(yīng)主要受到面板傾角、風(fēng)速風(fēng)向、灰塵性質(zhì)、環(huán)境濕度等因素影響。

灰塵覆蓋不僅導(dǎo)致光伏組件電能輸出量降低，而且會導(dǎo)致局部腐蝕、絕緣性降低和熱斑效應(yīng)等問題［9－10］，因此近年來受到學(xué)者和工程技術(shù)人員普遍的關(guān)注，相關(guān)研究報(bào)道和專利技術(shù)逐年增多。

光伏組件除塵就是通過某種特定的原理和裝置，把光伏組件通光光伏玻璃表面降低光通量的覆蓋物驅(qū)除，提高通光量，增加發(fā)電量［11］。常見的有4種除塵方式:①自然除塵法，即利用大自然的降雨、風(fēng)力、冰雪融水等實(shí)現(xiàn)光伏面板的自潔;②人工清潔法，也就是雇傭清潔工人，借助清掃工具對光伏組件表面進(jìn)行擦洗，這是小規(guī)模光伏電站常用的除塵方式;③光伏表面蓋板應(yīng)用新型材料或?qū)ζ浔砻孢M(jìn)行涂層處理，從根源上提高光伏組件抗污增透能力;④自動化除塵法，即借助自動化機(jī)械除塵設(shè)備進(jìn)行清潔作業(yè)。此外，還有其他除塵技術(shù)，例如電簾除塵技術(shù)、激光除塵技術(shù)等［12－13］。

1 除塵裝置

對于灰塵效應(yīng)問題，技術(shù)上要么阻止或者盡可能減少灰塵的沉積過程，要么對已經(jīng)沉積的灰塵進(jìn)行驅(qū)除。前者不太現(xiàn)實(shí)，不可知和不可控因素較多，較為可行的是從驅(qū)除的角度出發(fā)解決灰塵覆蓋導(dǎo)致的光伏發(fā)電損失問題，開發(fā)針對光伏組件的除塵技術(shù)和裝置。

智能化的外置機(jī)械式除塵裝置是目前解決光伏組件灰塵效應(yīng)問題實(shí)際可行的技術(shù)手段。為了設(shè)計(jì)一種具有使用價(jià)值的光伏除塵結(jié)構(gòu)，本文從控制、傳動和執(zhí)行3個方面對國內(nèi)近年來公開的光伏組件除塵專利技術(shù)進(jìn)行了比較分析研究。

1.1 控制部分

國內(nèi)光伏組件除塵專利采用的控制方式主要有車載移動控制、普通自動控制、反饋調(diào)節(jié)控制等3種方式，其比較分析結(jié)果如表1所示。

從技術(shù)水平和綜合經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)大多采用比較經(jīng)濟(jì)的普通自動控制方式。但對于大規(guī)模的光伏發(fā)電廠，其需要除塵的光伏組件數(shù)量巨大，必然要保持除塵裝置長期高效的工作狀態(tài)，減少其維修維護(hù)成本。從長期的效益來看，現(xiàn)有的反饋調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)由于其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和先期投入成本較大的缺陷，尚不能達(dá)到規(guī)?；茝V程度，故關(guān)于該控制機(jī)構(gòu)的性能研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化將是光伏除塵研究者的努力方向。

表1 控制部分專利技術(shù)比較分析結(jié)果

1.2 傳動部分

該部分常用滑軌傳動、絲杠傳動、齒輪齒條傳動、連桿傳動、帶傳動5種方式，其比較分析結(jié)果如表2所示。

這5種傳動機(jī)構(gòu)都具備傳動效率較高且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，理論上都可以作為光伏除塵裝置的傳動機(jī)構(gòu)。在戶外實(shí)地的傳動工作過程中，可能會遇到由于機(jī)械故障等意外因素造成整個除塵動作發(fā)生卡停的狀況，亦或在清除較厚粘性積灰層時除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生卡住的情況，此時若驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)工作，會對整個除塵裝置造成一定破壞，故要求傳動機(jī)構(gòu)最好有過載保護(hù)的功能。表2中前4種傳動方式屬于剛性傳動［22］，無法實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能;而屬于柔性傳動的帶傳動，在出現(xiàn)上述故障時，傳送帶與帶輪之間會發(fā)生的“打滑”現(xiàn)象［23］，從而避免了強(qiáng)行的傳動作業(yè)對整個除塵裝置造成的結(jié)構(gòu)性損壞。對于傳動帶使用壽命較短的缺陷，可通過改善傳送帶的合成材料、加工工藝或?qū)ζ浔砻娓采w一個保護(hù)性外殼等方式來彌補(bǔ)，故帶傳動可作為光伏組件除塵裝置理想的傳動方式。

表2 傳動部分專利技術(shù)比較分析結(jié)果

1.3 執(zhí)行部分

光伏組件除塵專利執(zhí)行機(jī)構(gòu)對光伏組件上灰塵的清除方式主要有干刷式、刷洗式、噴氣式、超聲波式4種，其比較分析結(jié)果如表3所示。

當(dāng)前光伏除塵領(lǐng)域?qū)σ环N理想的實(shí)用型除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求如下:①結(jié)構(gòu)簡單，零部件越少越好;② 除塵效率高，能量消耗少;③ 狀態(tài)穩(wěn)定，振動小，噪音低。噴氣式除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要空氣壓縮機(jī)等設(shè)備輔助工作，并且實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)與直線動作時需要多個電機(jī)協(xié)調(diào)完成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴氣除塵過程中還面臨對相鄰面板造成二次污染的問題，這些缺陷決定其無法規(guī)?；耐茝V與應(yīng)用［30］。新型的超聲波除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)初期投入較大，受外部環(huán)境因素(諸如雨露、雷電、冰雹等氣候因素)干擾，無法保證正常工作。此外，其性能和工作狀態(tài)對環(huán)境敏感度高，很難保持長期穩(wěn)定除塵作業(yè)。從目前光伏組件除塵實(shí)地作業(yè)情況來看，采用干刷式和刷洗式的除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)可滿足實(shí)用性要求。圖2為某一典型刷洗式機(jī)構(gòu)底面。

表3 執(zhí)行部分專利技術(shù)比較分析結(jié)果

圖1 噴氣式除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖

圖2 刷洗式除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作底面簡圖

目前，我國甘肅、青海等地光伏電站均遭遇到“水危機(jī)”。以一個10兆瓦(MW)太陽能電站清洗一遍的用水量為例，如果用移動水車直接沖洗光伏陣列，一遍大約需要100 t水;如果在光伏陣列上鋪設(shè)水源管道，像澆草坪一樣進(jìn)行噴淋，一遍大約需要60～70 t水;如果采用移動水車用水刷進(jìn)行刷洗，一遍大約需要50 t水［31］。由此可見，不受水限制的除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)才可能大規(guī)模推廣，故干刷式除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)才是未來大規(guī)模光伏組件除塵作業(yè)的發(fā)展方向。

在干刷式除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，復(fù)合式干刷除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性灰塵分類并徹底清潔，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)3種清除不同種類灰塵的執(zhí)行工具處于工作狀態(tài)時，可依次對光伏面板施加擦拭作用，將其表面的灰塵顆粒由大到小進(jìn)行清除?？梢?，該除塵執(zhí)行機(jī)構(gòu)理論上達(dá)到了可推廣應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。但其面臨無水化作業(yè)能量消耗過大的問題。故可以簡化該除塵執(zhí)行結(jié)構(gòu)，將重點(diǎn)放在清障鏟構(gòu)造的研究上，尤其是對其鏟刃、鏟面及其與光伏面板接觸狀態(tài)的分析與改進(jìn)。例如，可將清障鏟鏟面、鏟刃進(jìn)行離散化［32－33］，不僅在很大程度上降低了鏟結(jié)構(gòu)制造的工藝難度，而且可以顯著提高除塵效果。因此，可以預(yù)見清障鏟結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)將是未來光伏組件清潔技術(shù)的研究重點(diǎn)。

圖3 復(fù)合式干刷執(zhí)行結(jié)構(gòu)簡圖

2 裝置應(yīng)用的思考

一種理想的光伏組件除塵裝置，要實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模的推廣應(yīng)用，在內(nèi)部各個機(jī)構(gòu)優(yōu)化的同時也要實(shí)現(xiàn)裝置整體在結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)化［34］。

1)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以某電站為例［35］，其大約有5000到幾萬塊光伏面板，如果每塊光伏面板上都安裝一套完整的除塵裝置，那么會造成極大的成本壓力。故可采用化整為零的方法，安裝分塊式除塵裝置，原理如下:就每塊光伏面板的除塵動作而言，除塵裝置的傳動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不可或缺的。對于一定距離內(nèi)的光伏面板，由于其外部環(huán)境等因素相似，故其灰塵沉積情況也基本一致，那么這些光伏面板的外置機(jī)械式除塵裝置可以共用一個系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少了成本。

2)整體性能優(yōu)化。重要方式之一是保持各機(jī)構(gòu)在性能上的“均勻性”，從而達(dá)到“一同上崗，一同下崗”的目的。機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一安裝與更換可極大減少對裝置中單個機(jī)構(gòu)的人工維護(hù)成本。在規(guī)?；a(chǎn)一種光伏組件除塵裝置時，對于其中不同功能的機(jī)構(gòu)應(yīng)選擇相同或?qū)傩韵嘟牟牧?，并盡可能采用類似的工藝。

3 結(jié)束語

光伏組件灰塵效應(yīng)是光伏發(fā)電技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用中遇到的關(guān)鍵技術(shù)難題之一，設(shè)計(jì)一種可以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的光伏除塵裝置是業(yè)界的迫切期望。本文首先對國內(nèi)光伏組件的控制、傳動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同專利技術(shù)進(jìn)行比較分析，指出了國內(nèi)現(xiàn)有的光伏組件除塵專利技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然后根據(jù)節(jié)能、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)、可規(guī)?；茝V的原則，并結(jié)合各個機(jī)構(gòu)的橫向比較分析，從結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化的角度，對如何設(shè)計(jì)并改進(jìn)這3部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行了方向性預(yù)測。結(jié)果表明:一種基于反饋調(diào)節(jié)控制、采用新型帶傳動、執(zhí)行離散鏟式除塵的裝置設(shè)計(jì)方案具有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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