廣州博展園中屋頂光伏組件表面清洗方式的 研究與實(shí)踐

張?jiān)?，楊吉洲，魏啟?qiáng)

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340；2. 徐聞粵水電能源投資有限公司，湛江 524100)

0 引言

我國整體的太陽能資源豐富，但存在分布不均的情況，總體呈現(xiàn)出西北地區(qū)的太陽能資源最豐富，東南、東北地區(qū)的太陽能資源較豐富，四川盆地的太陽能資源較一般的特征。從全國清潔能源電力的消納情況來看，其消納程度的分布基本與太陽能資源豐富程度的分布呈相反的情況，廣東省等沿海地區(qū)因經(jīng)濟(jì)工業(yè)發(fā)達(dá)，清潔能源電力的消納情況最好。隨著清潔能源補(bǔ)貼政策的退坡及光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的來臨，原有的有補(bǔ)貼的光伏電站相較于平價(jià)上網(wǎng)的光伏電站，現(xiàn)金流優(yōu)勢凸顯。以屬于太陽能資源Ⅲ類地區(qū)的廣東省為例，該地區(qū)中于2016年“630”前發(fā)電的光伏電站享受補(bǔ)貼后的上網(wǎng)電價(jià)為1元/kWh[1]，而廣東省當(dāng)前光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的電價(jià)為0.453元/kWh[2]，因此在同樣裝機(jī)容量的情況下，于2016年“630”前發(fā)電的有補(bǔ)貼的光伏電站的現(xiàn)金流是2020年后平價(jià)上網(wǎng)光伏電站的現(xiàn)金流的2.21倍。因此，在相同的裝機(jī)容量下，原有的有補(bǔ)貼的光伏電站的運(yùn)營效益提升空間較大。

在光伏電站的發(fā)電量消納良好的前提下，處于運(yùn)營期的光伏電站提質(zhì)增效的手段主要有以下2種：一是提高設(shè)備的完好率，保證光伏電站能夠持續(xù)發(fā)電；二是提高光伏組件表面玻璃面板的清潔度，以增加其接收的太陽輻射量。其中，提高光伏組件表面玻璃面板清潔度的關(guān)鍵在于光伏組件表面的清洗。

本文以廣州博展園屋頂分布式光伏電站中的光伏組件為研究對象，分別對化學(xué)清洗方式、單人半機(jī)械清洗方式、頑固污垢條帶紋清除方式等光伏組件表面清洗方式進(jìn)行了研究分析。

1 項(xiàng)目概況

1.1 建設(shè)概況

廣州博展園位于廣東省廣州市黃埔經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，其屋頂分布式光伏電站分別由位于東區(qū)東樂路1號的博展物流園A區(qū)的建筑屋頂上的分布式光伏電站和位于筆崗新村大街22號的博展物流園B區(qū)的建筑屋頂上的分布式光伏電站組成。其中，博展物流園A區(qū)中有6棟鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦建筑，博展物流園B區(qū)中有7棟鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦建筑。

整個(gè)屋頂分布式光伏電站共安裝有35094塊多晶硅光伏組件，總裝機(jī)容量為9425.11 kW。其中，位于博展物流園A區(qū)的屋頂分布式光伏電站(下文簡稱“光伏電站A區(qū)”)安裝的是功率為270 W的多晶硅光伏組件，共計(jì)16192塊，裝機(jī)容量為4371.84 kW；位于博展物流園B區(qū)的屋頂分布式光伏電站(下文簡稱“光伏電站B區(qū)”)安裝的分別是功率為265 W和270 W的多晶硅光伏組件，共計(jì)18902塊，裝機(jī)容量為5053.27 kW。由于所有光伏組件均豎向平鋪于屋頂?shù)牟输撏呱?，因此光伏組件的安裝傾角與屋面的傾斜度保持一致，小于等于4°。

上述3種不同功率的多晶硅光伏組件的面積均相同，每塊光伏組件的面積約為1.6 m2，因此整個(gè)屋頂分布式光伏電站中光伏組件表面的總清洗面積約為56150.4 m2。

在上述屋頂分布式光伏電站運(yùn)行期間，廣州博展園的屋頂與地面之間通過垂直爬梯進(jìn)行連接，市政供水接駁至屋頂相應(yīng)的用水點(diǎn)。

1.2 污染情況

1.2.1 污染源

廣州市的大氣污染主要由工業(yè)廢氣、二氧化硫、煙(粉)塵等組成[3]。自2013年全面實(shí)施GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中環(huán)境空氣污染物二級濃度限值以來，廣州市的環(huán)境空氣質(zhì)量得到持續(xù)改善。2019年廣州市的環(huán)境空氣質(zhì)量6項(xiàng)指標(biāo)中，二氧化硫、一氧化碳、PM10和PM2.5的濃度均達(dá)標(biāo)，而二氧化氮的濃度超標(biāo)0.12倍，臭氧的濃度超標(biāo)0.11倍[4]。

廣州博展園內(nèi)的屋頂分布式光伏電站地處廣州市城區(qū)，光伏電站A區(qū)的西南方向建有已投產(chǎn)運(yùn)營的鞍鋼聯(lián)眾(廣州)不銹鋼有限公司，如圖1所示，因此，該區(qū)域的光伏電站除了會受到常規(guī)的城市污染外，還會受到較嚴(yán)重的來自工礦企業(yè)的重金屬化學(xué)污染；光伏電站B區(qū)的周邊環(huán)境主要為倉庫區(qū)和建設(shè)用地，如圖2所示。

圖1 光伏電站A區(qū)與周邊環(huán)境的相對位置圖Fig. 1 Photo of relative location between A region of PV power station and surrounding environment

圖2 光伏電站B區(qū)與周邊環(huán)境的相對位置圖Fig. 2 Photo of relative location between B region of PV power station and surrounding environment

另外，由于整個(gè)屋頂分布式光伏電站中的光伏組件安裝傾角很小，因此自然降雨對光伏組件表面污染的清洗效果很小，且污染物極易在光伏組件表面積留。

1.2.2 污染在光伏組件表面的表現(xiàn)形式

光伏組件表面的污染形式主要為粉塵整體污染和頑固污垢條帶紋污染。這2種污染形式均存在于該屋頂分布式光伏電站中，如圖3、圖4所示。

圖3 被粉塵整體污染的光伏組件表面的實(shí)景圖Fig. 3 Actual view on surface of PV modules polluted by dust as a whole

圖4 光伏組件表面的頑固污垢條帶紋污染Fig. 4 Stubborn dirt stripe contamination on surface of PV modules

粉塵整體污染主要包括城市大氣中的汽車尾氣污染、建筑運(yùn)輸揚(yáng)塵污染、燃燒煙塵污染等，其表現(xiàn)形式是在光伏組件表面形成均勻分布的顆?；蚱瑺畹幕覊m積垢污染物。頑固污垢條帶紋污染會造成光伏組件表面玻璃面板的鍍膜層被腐蝕破壞，其形成原因是降雨后匯集于光伏組件表面底部的污垢與雨水在高溫、高濕條件下產(chǎn)生水解，水解生成的氫氧化鈉會腐蝕污垢所在部位玻璃面板的鍍膜層，同時(shí)水解生成的硅酸凝膠會附在玻璃表面；另外，太陽紫外線對鍍膜中物質(zhì)部分離子鍵有較大的破壞作用。上述因素在工礦企業(yè)污染排放的催化劑下同時(shí)作用，加劇了光伏組件表面積水積垢區(qū)鍍膜層的損傷，反復(fù)多次后形成了頑固污垢條帶紋污染。

1.2.3 清洗的制度性安排

光伏組件必須及時(shí)清洗，根據(jù)GB/T 38335—2019《光伏發(fā)電站運(yùn)行規(guī)程》中第6.3.1部分b)條款的要求：光伏組件表面的清洗方式，不應(yīng)采用腐蝕性溶劑沖洗或利用硬物擦拭，冬季等特殊環(huán)境下應(yīng)采用節(jié)水方式清洗[5]。針對上述要求，采用何種光伏組件表面清洗方式是本文論述的重點(diǎn)。

因此，光伏電站的運(yùn)營單位應(yīng)制定光伏組件定期清洗制度，并開展清洗技術(shù)的研究，以保障在光伏電站的運(yùn)營期內(nèi)光伏組件的發(fā)電量可維持在較高水平。

2 清洗方式及方法步驟

本文以廣州博展園屋頂分布式光伏電站中的光伏組件為例，研究了光伏組件表面的清洗方式。清洗方式主要包括化學(xué)清洗方式、單人半機(jī)械法清洗方式、頑固污垢條帶紋清除方式3種，下文將對這3種清洗方式分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 化學(xué)清洗方式

化學(xué)清洗方式主要是采用市場上普遍在售的弱酸性溶劑對光伏組件進(jìn)行抹擦清洗，無論是普通污垢還是頑固污漬及較長時(shí)間積淀的污垢，都需要通過人工抹擦清洗。該清洗方式的缺點(diǎn)是需要的人工量大、工作強(qiáng)度高[6]、安全防護(hù)要求高，且采用化學(xué)清洗方式產(chǎn)生的廢水會對周圍環(huán)境造成污染。

化學(xué)清洗方式的具體清洗方法為：首先按1:10的比例對弱酸性MJ-956光伏組件清洗劑加水進(jìn)行稀釋，然后將稀釋后的溶液人工噴灑至光伏組件表面，待組件表面濕潤后，用常規(guī)的棉布拖把進(jìn)行組件表面的擦洗。在清洗劑的溶解下，光伏組件表面的普通污垢較容易清除，但頑固污垢條帶紋上的灰白色頑固污垢無法清除；而且該清洗方式最為不利的一點(diǎn)是，由于無法解決清洗后的廢水收集問題，部分清洗廢水會流淌至屋頂?shù)牟输撏呱?，而廢水為弱酸性液體，會腐蝕鐵質(zhì)彩鋼瓦的保護(hù)層，縮短屋頂彩鋼瓦的壽命。被弱酸性廢水腐蝕后的鐵質(zhì)彩鋼瓦的保護(hù)層如圖5所示。

圖5 被弱酸性廢水腐蝕后的鐵質(zhì)彩鋼瓦的保護(hù)層實(shí)景圖Fig. 5 Photo of protective layer of iron color steel tile corroded by weak acid wastewater

2.2 單人半機(jī)械清洗方式

單人半機(jī)械清洗方式主要包括電動刷洗法和電動滾抹法。

2.2.1 電動刷洗法

電動刷洗法是采用單人手持雙頭衡動力清洗機(jī)進(jìn)行清洗作業(yè)，在分布于屋頂各點(diǎn)的市政水源點(diǎn)接駁供水。由于本屋頂分布式光伏電站采用的是生產(chǎn)生活混合性水源，水壓及來水量受倉庫區(qū)用水量的影響較大，所以采用該清洗方式時(shí)雖然前端采用了高壓泵加壓，但后端用水時(shí)的水壓、水量依然差強(qiáng)人意。

單人手持雙頭衡動力清洗機(jī)的電源采用人工背負(fù)式1200 Ah鋰電池供電，通常是利用非上班時(shí)間在地面的房間內(nèi)對鋰電池充電，然后將其背至屋頂作業(yè)地點(diǎn)供使用。該清洗機(jī)采用雙輪電動滾刷，由2臺24V/150W直流電機(jī)驅(qū)動，采用人工手持式作業(yè)方式，手持設(shè)備的最大重量為4 kg。清洗機(jī)的作業(yè)模式可選無水刷掃法或帶水刷掃法。無水刷掃法適用于安裝傾角較大的光伏組件表面的清洗，粉塵清掃后可脫離玻璃面板，在自重的作用下滑至光伏組件表面底部的鋁合金邊框處；帶水刷掃法適用于類似水平安裝等緩坡的光伏組件表面的清洗，粉塵可伴隨水流流至低處并溢出光伏組件表面的鋁合金邊框，如圖6所示。

圖6 采用帶水刷掃法時(shí)的現(xiàn)場作業(yè)圖Fig. 6 On-site operation photo when using brush sweeping method with water

在實(shí)際清洗作業(yè)過程中，可以將上述2種作業(yè)模式相結(jié)合，一般先采用無水刷掃法，然后再采用帶水刷掃法，這樣可以在節(jié)約用水的同時(shí)達(dá)到較好的清洗效果。

2.2.2 電動滾抹法

電動滾抹法采用手持電動滾抹清洗設(shè)備進(jìn)行清洗作業(yè)，其供水、供電方式與采用電動刷洗法時(shí)設(shè)備的供水、供電方式相同，滾動電機(jī)采用單機(jī)24V/250W直流電機(jī)，其作業(yè)范圍的直徑為2～8 m，當(dāng)在8 m直徑的條件下，手持設(shè)備的最大重量為5 kg。

電動滾抹法時(shí)滾動電機(jī)的作業(yè)模式是帶水作業(yè)，利用百潔布容易清洗頑固污垢的特性，采用電動驅(qū)動清洗機(jī)的滾輪，滾輪上的帶水百潔布與光伏組件表面的玻璃面板接觸，從而清除玻璃面板上的粉塵、污垢等，部分污垢順?biāo)鞒龉夥M件的邊框，部分雜質(zhì)進(jìn)入百潔布里面。因此，采用該清洗方式時(shí)，百潔布體需根據(jù)清洗情況進(jìn)行不定期地拆解清洗。采用電動滾抹法時(shí)的現(xiàn)場作業(yè)圖如圖7所示。

圖7 采用電動滾抹法時(shí)的現(xiàn)場作業(yè)圖Fig. 7 Oh-site operation photo when using electric rolling method

2.3 頑固污垢條帶紋清除方式

光伏組件表面的底部由于污垢長期殘留造成的頑固污垢條帶紋無法采用電動刷洗法或電動滾抹法予以清除，因此，清洗現(xiàn)場需要采用頑固污垢條帶紋清洗方式。

頑固污垢條帶紋清除方式主要包括人工干式打磨法和長桿平面水磨法。

2.3.1 人工干式打磨法

人工干式打磨法采用角磨機(jī)搭配特種纖維打磨片進(jìn)行光伏組件表面污垢的人工干式打磨清除。在清除作業(yè)過程中，清洗人員站在或蹲在可移動工作平臺上，手持打磨機(jī)進(jìn)行近距離作業(yè)。人工干式打磨法中的角磨機(jī)如圖8所示。該方法打磨過程中會存在粉塵飛揚(yáng)的情況，因此打磨完成后需要對光伏組件表面進(jìn)行沖水清洗并進(jìn)行檢查。

圖8 人工干式打磨法中的角磨機(jī)Fig. 8 Angle grinder in manual dry grinding method

2.3.2 長桿平面水磨法

長桿平面水磨法是采用加長桿設(shè)計(jì)的自吸式平面打磨機(jī)進(jìn)行人工站立打磨。該方法包括2個(gè)操作步驟：第1步為干磨吸塵法，即先用P300砂紙把光伏組件表面粗糙的玻璃面板表面打磨平整，可同步清除頑積污垢(見圖9)；第2步將打磨砂紙更換為P1200砂紙，進(jìn)行精細(xì)化水磨，從而恢復(fù)光伏組件表面玻璃面板的光潔。

圖9 采用長桿平面水磨法清除頑固污垢條帶紋的現(xiàn)場圖Fig. 9 On-site operation photo of removing stubborn dirt strips by long rod plane water mill method

3 不同清洗方式的評價(jià)

采用各種清洗方式對該屋頂分布式光伏電站中的光伏組件進(jìn)行工藝性清洗試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)各種清洗方式既有其獨(dú)特性又有相似性。比如，電動刷洗法和電動滾抹法雖然可以采用2～8 m伸縮桿進(jìn)行操作，但受限于長桿操作時(shí)機(jī)具工作部位的重量輕的客觀情況，存在清掃時(shí)摩擦力較小且不能通過長桿實(shí)現(xiàn)加壓的現(xiàn)象。因此，各種清洗方式單獨(dú)采用時(shí)均不能完全解決光伏組件表面污染的清洗問題，需要組合使用。

3.1 化學(xué)清洗方式

采用化學(xué)清洗方式時(shí)，常規(guī)的弱酸性化學(xué)清洗劑僅能夠清除普通污漬，且其廢水具有腐蝕性，因此不適合用于鋼結(jié)構(gòu)屋面上的光伏組件清洗，但對混凝土結(jié)構(gòu)屋面上的光伏組件清洗可以在做好保護(hù)工作的前提下適當(dāng)應(yīng)用。進(jìn)行化學(xué)清洗作業(yè)前，應(yīng)對清洗人員技術(shù)交底并強(qiáng)調(diào)個(gè)人防護(hù)和環(huán)保意識。

3.2 電動刷洗法

電動刷洗法能夠清除一些非頑固性污漬，尤其適合清洗光伏組件表面玻璃面板上的粉塵類污染，在粉塵嚴(yán)重時(shí)可以先清掃再刷洗，耗水量指標(biāo)可以控制在0.9 m3/MW；由于耗水量跟污染程度呈正相關(guān)，因此先清掃再刷洗不僅可以節(jié)約用水，還可以提高工作效率。另外，該清洗方式是單人單機(jī)在安全電壓下獨(dú)立作業(yè)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低。

3.3 電動滾抹法

電動滾抹法可以清除一些較頑固污漬，其可以作為輔助方法配合電動刷洗法使用，先清除易清除的大面積污垢后，再進(jìn)行局部頑固污垢的清除。該清洗方式在保證安全作業(yè)的同時(shí)可節(jié)水、省力，能達(dá)到事半功倍的效果。

3.4 頑固污垢條帶紋清除法

無論是采用人工干式打磨法，還是采用長桿平面水磨法進(jìn)行頑固污垢條帶紋的清除，都屬于物理破壞性方法，雖然長桿平面水磨法采用高目砂紙與水配合精細(xì)打磨玻璃面板表面可以達(dá)到近似鏡面的效果，但這2種方式都必然會對光伏組件的玻璃面板造成破壞，使其透光率下降。但該后果與由頑固污垢條帶紋形成后產(chǎn)生的光斑所帶來的組件安全隱患及壽命縮短風(fēng)險(xiǎn)相比，不如采用該清洗方式來對頑固污垢條帶紋進(jìn)行清除以提高光伏組件發(fā)電量。針對如何解決由于污水長期積聚造成的頑固污垢條帶紋這一問題，可嘗試在光伏組件表面最低處的鋁合金邊框上開小槽進(jìn)行排水，或在項(xiàng)目的光伏組件招標(biāo)階段就提出在光伏組件出廠時(shí)需帶排水孔的要求。

4 幾種清洗技術(shù)的效益比較

研究人員于2019年11月13日-12月25日，采用上述幾種清洗技術(shù)對廣州博展園屋頂分布式光伏電站的光伏組件進(jìn)行了全面清洗，總成本為22.5萬元。清洗后，2020年1-5月，該屋頂分布式光伏電站的發(fā)電量為278.2萬kWh，而2019年同期(未清洗時(shí))的發(fā)電量為207.7萬kWh。按含補(bǔ)貼的光伏電價(jià)為1.13元/kWh計(jì)算，清洗后該屋頂分布式光伏電站的收益增加了57.1萬元。

5 結(jié)論

本文以廣州博展園屋頂分布式光伏電站中的光伏組件為研究對象，對光伏組件表面的清洗方式進(jìn)行了研究分析，并對比了化學(xué)清洗方式、單人半機(jī)械法清洗方式、頑固污垢條帶紋清除方式3種清洗方式的清洗步驟及清洗效果。研究結(jié)果表明：

1)廣州市屬于較重污染地區(qū)，該地區(qū)的屋頂分布式光伏電站中光伏組件經(jīng)清洗后發(fā)電量有顯著提高，發(fā)電量維持較高水平可覆蓋光伏組件的清洗成本。

2)單一的清洗工具和清洗方式不能滿足城區(qū)范圍內(nèi)屋頂分布式光伏電站中的全部光伏組件表面清洗，要因地制宜地結(jié)合現(xiàn)場污染情況，選擇合適的清洗方式，并需要通過工藝性試驗(yàn)來驗(yàn)證所選工具和清洗方式的適用性。

3)目前國內(nèi)屋頂分布式光伏電站中光伏組件的清洗工具、設(shè)備和方法研究的較少，需要進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，提高工具、設(shè)備的適用性和通用性，以達(dá)到合理選擇、使用清洗工具的目的；針對頑固污垢條帶紋的清除，目前尚無較好的方法，本文介紹的清洗方式只是過渡性替代方法。