淺談光伏組件清潔方法與展望

汪繼偉　徐立軍　黃鵬

【摘 要】針對(duì)光伏組件表面積塵的清潔問(wèn)題，綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果。介紹了研究光伏組件清潔的必要性，闡述了光伏組件清潔的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前應(yīng)用較為廣泛的光伏表面除塵方法，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)及光伏組件清潔領(lǐng)域的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】光伏組件；積塵；除塵

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)光伏電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏組件表面積塵的清潔問(wèn)題日益突出，已成為光伏發(fā)電企業(yè)急需解決的難題，制約著光伏發(fā)電企業(yè)的電能轉(zhuǎn)換效率。據(jù)NASA研究表明，每平方米范圍內(nèi)僅4.05克塵埃將造成太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能比例降低高達(dá)40%[1]。光伏電站業(yè)主只有做到定期清洗，才能為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定提供保障。就當(dāng)前光伏電站光伏組件表面清潔次數(shù)而言，對(duì)于空氣相對(duì)于清潔而潮濕的內(nèi)蒙古每一年達(dá)到五次。而對(duì)于我國(guó)西部嚴(yán)重缺水的青海、甘肅、新疆等較干旱地區(qū)，部分電站每年需要清理多達(dá)數(shù)十次，極大地提高了光伏電站運(yùn)維成本?？蓮膬煞矫嬷纸鉀Q以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能光伏組件表面的清潔研究主要體現(xiàn)在機(jī)械除塵方面，而電簾除塵技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)廣泛推廣，僅應(yīng)用在要求更高的航空航天領(lǐng)域。

1 國(guó)內(nèi)光伏組件清潔現(xiàn)狀

我國(guó)光伏電站一般位于自然環(huán)境較為惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，沙塵天氣相對(duì)較多。尤其對(duì)于我國(guó)西北地區(qū)的大型地面電站而言，多數(shù)位于周邊植被非常稀少，風(fēng)沙天氣頻率較高的荒漠地區(qū)。該地區(qū)的光伏電站不僅臨著遠(yuǎn)離水源地，降水量較少，而且地下水也十分匱乏，通過(guò)雨水自然沖刷和消防水車難以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件及時(shí)有效的清洗。光伏電站的裝機(jī)規(guī)模主要分布在數(shù)十兆瓦乃至數(shù)百兆瓦之間，其占地面積通常達(dá)數(shù)平方千米，電池板數(shù)量更是高達(dá)上萬(wàn)塊乃至數(shù)十萬(wàn)塊，即便有充足的水源、設(shè)備和人力，要完成一次如此大規(guī)模的全面清洗，其龐大的工作量也難以想象[2]。

針對(duì)光伏組件表面積塵的清潔問(wèn)題，國(guó)內(nèi)主要采用是機(jī)械除塵的方法，又可將其分為人工清潔、高壓水槍清潔和專業(yè)清潔設(shè)備等方式。根據(jù)三種不同清潔方法，本文分別從設(shè)備成本、人工成本、消耗水量、清潔效率等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 人工清洗

（1）人工、設(shè)備成本：據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，1兆瓦光伏組件約6600平方米，每人每天可清洗100平方米，一位工作人員需要66天。按每人每天80元估算，1兆瓦組件清洗一次的人工費(fèi)用為5280元。按1個(gè)月清洗3次估算，1兆瓦每年的人工費(fèi)用高達(dá)19萬(wàn)元。

（2）優(yōu)點(diǎn)：用水量與費(fèi)用相對(duì)較低，1兆瓦每次清洗的用水量約1噸，并能夠解決部分人員的就業(yè)問(wèn)題。

（3）缺點(diǎn)：不易實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多人員的管理；難以保證清潔效果的一致性；清洗效率偏低；對(duì)光伏組件表面有磨損，對(duì)透光率和壽命產(chǎn)生一定影響。

1.2 專業(yè)清洗設(shè)備

（1）人工、設(shè)備成本：清潔設(shè)備一次性投入資金過(guò)大。

（2）優(yōu)點(diǎn)：1兆瓦每次清洗用水量約5噸，相對(duì)節(jié)水；清洗效率高，清洗效果好。

（3）缺點(diǎn)：對(duì)光伏電站地面要求較高，否則移動(dòng)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)清潔；若清潔車輛非直線運(yùn)動(dòng)，組件收到的壓力大小不均，可能損壞組件，故需要配備專業(yè)的人員完成操作。

2 國(guó)外光伏組件清潔發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)光伏組件表面的積塵問(wèn)題，國(guó)外從多方面著手研究，目前在電簾除塵和機(jī)械除塵方面，已經(jīng)取得一定的成果。

2.1 電簾除塵

電簾除塵技術(shù)在火星、月球等領(lǐng)域的研究，主要集中在美國(guó)日本以及歐洲地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)。截止目前，該項(xiàng)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)已經(jīng)得到成功應(yīng)用。例如，2010年，NASA研究小組在火星空間任務(wù)原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功研制出一款具備自動(dòng)除去太陽(yáng)板表面灰塵的太陽(yáng)能電池板[3]。該電池板不但能夠提高光能發(fā)電效率，而且能夠完成表面的自動(dòng)清潔，很大程度上減少了大型太陽(yáng)能電池板清潔的維護(hù)費(fèi)用，不僅清潔效率較高，而且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)水化清潔，尤其適用于地處我國(guó)西北荒漠戈壁地區(qū)光伏電站。但應(yīng)用該技術(shù)總體成本較高，目前難以應(yīng)用在在大規(guī)模光伏電站。

2.2 機(jī)械除塵

光伏組件表面機(jī)械除塵方面， 2013年，日本未來(lái)機(jī)械公司提出能夠清除灰塵與顆粒的方案，該方案由未來(lái)機(jī)械公司與香川大學(xué)共同研制出的一種清理沙塵機(jī)器人，該清掃裝置重約10.9千克，對(duì)角線長(zhǎng)度約0.56米，充滿電可持續(xù)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電刷進(jìn)行清潔工作兩小時(shí)，在干旱地區(qū)的清潔效果可達(dá)到人工清潔程度。2013年11月，美國(guó)太陽(yáng)能公司Sun-Power為解決旗下電站清洗耗水的問(wèn)題，專門收購(gòu)了一家制造清洗機(jī)器人公司，據(jù)稱該機(jī)器人可減少大約90%的用水量。

2014年3月，日本Sinfonia Technology公司研制的新型清潔機(jī)器人，不僅具備可將光伏組件表面自動(dòng)清潔干凈的優(yōu)點(diǎn)，而且擅長(zhǎng)清潔角落處沉積的沙塵。該清潔機(jī)器人將紡板刷、刮刀與內(nèi)部的洗滌劑儲(chǔ)存器實(shí)現(xiàn)巧妙組合，清洗灰塵的效果十分理想，而且每小時(shí)清洗面積高達(dá)304.8平方米。該機(jī)器人甚至太陽(yáng)能面板自動(dòng)傾斜至30度時(shí)實(shí)現(xiàn)清洗。但其僅可以應(yīng)用在差距小于50.8cm的跨度，實(shí)現(xiàn)從一塊光伏組件面板爬到另一塊面板上，完成清潔工作[4]。采用這種先進(jìn)的清掃方式，可清除光伏組件表面沉積的沙塵量的99%。但以上幾種光伏組件表面清掃機(jī)器人無(wú)法滿足我國(guó)多數(shù)光伏電站光伏組件不在同一平面安裝的需要。

3 展望

隨著太陽(yáng)能光伏電站規(guī)模不斷擴(kuò)大，針對(duì)太陽(yáng)能光伏組件表面清掃技術(shù)的研究力度也會(huì)不斷加強(qiáng)。近年來(lái)我國(guó)也取得了一定成果，例如2014年9月，青島昱臣智能機(jī)器人企業(yè)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首個(gè)無(wú)水清潔太陽(yáng)能光伏電板的智能機(jī)器人，體積十分龐大外形與挖掘機(jī)相似。該智能機(jī)器人每小時(shí)能清潔8000平方米，其效率約是人工清潔的十倍，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外光伏清潔領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[5]。相信今后不斷會(huì)有新的技術(shù)、新的清掃機(jī)器設(shè)備，加入到光伏組件的清掃行列中來(lái)。經(jīng)綜合分析可知，比較理想的光伏組件清潔設(shè)備應(yīng)具有良好的清潔效果、清潔過(guò)程中不會(huì)損壞光伏組件并不傷害操作人員、噪音低且不會(huì)再次產(chǎn)生粉塵漂浮、清潔能力強(qiáng)且體積小、電量消耗少、針對(duì)光伏組件材料而開(kāi)發(fā)。太陽(yáng)能光伏組件的清潔，綜合來(lái)講今后將會(huì)朝向智能化、專業(yè)化、無(wú)水化、低功耗、小體積等方向發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的光伏發(fā)展速度處于世界前列并已初具規(guī)模，國(guó)家政策支持及時(shí)到位，為大力發(fā)展我國(guó)光伏事業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。針對(duì)現(xiàn)階段光伏發(fā)展所面臨的問(wèn)題，給出以下建議：首先政府要繼續(xù)為光伏發(fā)展提供切實(shí)可行政策支持。其次要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電裝置國(guó)產(chǎn)化及自主研發(fā)能力，為光伏發(fā)電的順利進(jìn)行掃清技術(shù)障礙。三是要引進(jìn)技術(shù)，因地制宜，結(jié)合我國(guó)的具體情況針對(duì)不同的地區(qū)選擇與之相適宜的建設(shè)規(guī)模。四要根據(jù)光伏電站的實(shí)際情況，研制出能夠解決光伏組件表面的積塵問(wèn)題。以上問(wèn)題的有效解決，更有助于我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]岑先富，朱超林.光伏組件積塵對(duì)發(fā)電量的影響及自動(dòng)清潔經(jīng)濟(jì)效益研究[J].太陽(yáng)能，2013（21）：45-48.

[2]魏宇平.魏宇平的光伏電站清洗大“路演”[J].太陽(yáng)能發(fā)電，2013（9）.

[3]高凌云.太陽(yáng)能電池板除塵新技術(shù)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2010（5）：52.

[4]孫青青.Sinfonia新型機(jī)器人清潔工 自動(dòng)清潔太陽(yáng)能面板[OL].中國(guó)清潔門戶，2013（3）.

[5]婁花.青島研制出清潔太陽(yáng)能發(fā)電板的機(jī)器人[OL].中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng)，2014（9）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]