光伏組件表面積塵智能清掃機器人的研究

張 冰 ， 王 莉 胡國武

（1.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室， 甘肅 酒泉 735000；2.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 酒泉 735000）

1 積塵對光伏系統(tǒng)發(fā)電的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件就是光伏組件，也就是光伏電池板。光伏組件是利用光伏電池的光生伏特效應(yīng)來發(fā)電的，而當光伏組件表面積塵，就會對光伏面板的發(fā)電量產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致電池的效率降低，影響光伏發(fā)電系統(tǒng)整體的發(fā)電效果；灰塵主要對光伏組件表面接收太陽輻照度和影響電池板散熱有直接關(guān)系，光伏組件表面的灰塵具有反射、散射和吸收太陽輻射的作用，可以將太陽的通過率降到最低，減少面板吸收過多的太陽輻射，輸出功率也會減少很多。這一作用主要是將灰塵的累積厚度控制在正比值的范圍內(nèi)。與此同時，灰塵吸收太陽輻射的大小也會影響到光伏面板的升溫情況，灰塵本身含有部分腐蝕性強的化學(xué)成分，這也是為什么光伏的光電轉(zhuǎn)換效率會比正常運作情況下低很多的原因，而且不同地區(qū)的積塵指數(shù)不一樣對光伏組件的影響也存在較大差異[1]。

根據(jù)知名服務(wù)機器人企業(yè)科沃斯公司的實驗數(shù)據(jù)，其蘇州總部的屋頂電站在沒有降雨的情況下，僅僅連續(xù)8天沒有對電池板進行清潔工作，就導(dǎo)致發(fā)電量損失高達14.3%。若按一年的普通灰塵沉積量預(yù)測，損失預(yù)計達40%，如為油性灰塵將可能造成高達60%的損失。在工業(yè)污染相對嚴重的北方以及風(fēng)沙大、雨量少的一些地區(qū)，灰塵導(dǎo)致的發(fā)電量損失將會更大。因此，光伏電站后期運維工作中，清潔工作對于提高電站發(fā)電量，提高收益，增加光伏組件壽命都是一個重要的工作。

2 光伏組件表面積塵清潔現(xiàn)狀

我國光伏電站多數(shù)位于自然環(huán)境較為惡劣的偏遠地區(qū)，惡劣天氣例如沙塵暴等相對較多。偏遠地區(qū)除了容易受到惡劣天氣的影響外，偏遠地區(qū)周邊植被非常少，這對于我國西北地區(qū)的大型地面電站而言，不僅會受到風(fēng)沙天氣頻率高的影響還面臨著遠離水源地，降水量較少，而且地下水也十分匱乏，通過雨水自然沖刷和消防水車難以實現(xiàn)對光伏組件及時清洗的問題。光伏電站的裝機規(guī)模一般分布在數(shù)十兆瓦甚至數(shù)百兆瓦之間，大規(guī)模的光伏電站占地面積通常達數(shù)萬平方米，電池板數(shù)量更是高達上萬塊乃至數(shù)十萬塊，所以即便處在擁有充足的水源以及設(shè)備和人力，想要完成一次完整且徹底的清洗，不管是人力還是物力都是極其龐大的工作量[2]。目前，光伏組件表面積塵的清潔主要有以下幾種方式。

1）人工方式。部分中小型光伏電站由于條件與經(jīng)濟有限只能選擇采用人工清潔的方式對光伏電站進行清理。人工清潔組件主要可以分為干洗和水洗兩種方式。人工干洗通過利用長柄絨拖布配合專業(yè)的光伏面板清潔劑進行清洗，其中還需借用油性靜電吸塵劑，運用靜電吸附原理對光伏面板上的灰塵以及沙粒進行吸附，增強清潔的去污能力，能夠很好地避免清掃過程中灰塵顆粒飛揚，不僅妨礙了清潔人員的打掃效率，也會對清潔人員的身體健康造成傷害但是人工清潔全部靠的是人力，由于光伏面板使用時間長，表面殘留物多，如果清潔人員過于用力清洗可能會導(dǎo)致組件受力不均最后變形的情況。這個時候可以考慮壓縮空氣吹掃，吹掃通過專門的吹掃工具吹出已被壓縮過的空氣，利用空氣對組件進行清洗。但是壓縮空氣吹掃效率低，且存在很大的灰塵高速摩擦組件的問題，一般光伏電站人員很少使用，僅限于水源匱乏的地區(qū)。人工水洗的方式主要是將水車上的噴頭對向光伏面板進行高壓噴洗，進而達到清洗面板的作用。

2）半自動機械方式。人工清洗方式僅適用于中小型光伏電場，大型光伏電站利用人工清洗難度大，在結(jié)合電場實際的運轉(zhuǎn)狀況以及經(jīng)濟情況后一般都會選擇半自動機械清潔的方式。半自動機械是利用高壓水槍，將內(nèi)部的水加壓后形成水汽混合物，將光伏面板表面進行沖洗。半自動化機械比人工清洗效果更好；但是機械清潔存在一個很大的缺點，對水電的需求大，需要大功率的電以及大量的水提供支撐，清潔過程中容易產(chǎn)生大量的污水與廢渣物，如果沒有及時進行清理，對環(huán)境會造成很大的污染，且機器和人員的工資是一筆很大的支出。雖然有以上的不足之處，但是對面板幾乎沒有損傷，效率較高，且不會對光伏發(fā)電系統(tǒng)造成損壞，但對光伏組件陣列的高度、寬度、陣列間路面狀況的要求較為苛刻。

3）全自動方式。較常見的自動清潔方式是將清洗裝置安裝在光伏組件陣列上，通過程序控制電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)裝置對光伏組件的自動清洗。另外就是智能清潔機器人，主要區(qū)別于普通自動清潔設(shè)備的就是以自動定期清掃，無人值守為基本要求的智能化清潔。

3 光伏組件表面積塵清潔機器人的功能分析

光伏組件電池板的發(fā)電效率每提升一個百分點都需要企業(yè)耗費大量的資金進行維修與清理，而塵埃阻擋了太陽光照射到光伏組件更會影響到硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效果，導(dǎo)致發(fā)電的整體效率降低，尤其是大型光伏電站多處在人煙稀少的地區(qū)，所以推廣清潔機器人清潔光伏組件表面是科技發(fā)展的必然趨勢。

光伏組件表面積塵智能清掃機器人可以設(shè)計成有水式或無水式、地面行走或光伏組件表面行走、軌道式運動或無軌道式運動等幾種。由于我國大規(guī)模光伏電站多地處西北地區(qū)，考慮戈壁荒漠地區(qū)地勢較崎嶇，地面行走不方便，而且西北地區(qū)干旱少雨，水資源缺乏，因此可采用光伏組件表面行走無水清潔且不加軌道的設(shè)計思路[3]。

光伏組件表面積塵智能清掃機器人在設(shè)計時應(yīng)考慮體積小、重量輕，攜帶方便且操控方便，不損傷光伏組件，續(xù)航時間長。應(yīng)配備防掉落傳感器，保障機器人清潔工作。采用柔性履帶式設(shè)計理念，對組件壓強小、無損害?？梢詫崿F(xiàn)組件間前后、高低跨越、長距離跨串清潔工作，結(jié)合機器人搬運車，實現(xiàn)跨排清洗功能，能平穩(wěn)快速的在前后組件間移動。在解決清潔困難問題的同時，盡可能降低機器人投入數(shù)量，節(jié)省投入成本。

4 結(jié)語

光伏組件智能清掃機器人仍然是一個較新的事物，需要一段時間不斷完善，以達到市場規(guī)?；?。但隨著人們環(huán)保理念的不斷提升，新能源應(yīng)用不斷推廣，人們生活水平的持續(xù)提升，必將對光伏組件智能清掃機器人有越來越多的需求，光伏組件智能清掃機器人的推廣，不僅解決了光伏組件傳統(tǒng)清潔的問題，在很大程度上保證光伏組件的正常的運作，提高工作人員的工作效率，從而不斷助推我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。