光伏組件清洗無人船系統(tǒng)在水上 光伏電站中的應(yīng)用

楊詠林，張?zhí)毂?，桂小宇，邵宇平，?剛，潘瑞蕾

(1. 四方智能(武漢)控制技術(shù)有限公司，武漢 430014；2. 安徽省國家電投和新電力技術(shù)研究有限公司，合肥 230088； 3. 安徽省瑞鼎電子技術(shù)有限公司，合肥 230088)

0 引言

光伏電站通常建設(shè)在地域開闊、陽光充足的露天環(huán)境，運行一段時間后，光伏組件表面會累積大量灰塵、落葉、鳥糞等污物，這些都會嚴重影響光伏組件對太陽能的吸收和電能轉(zhuǎn)化，不同的污物累積對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率造成的損失可達5%～24%[1-3]。在這些影響光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的污物中，頑固灰漬、鳥糞及雨水灰印等遮擋物會在光伏組件上形成局部陰影，導(dǎo)致其局部產(chǎn)生溫升，形成熱斑效應(yīng)，使光伏組件的實際使用壽命至少減少10%[4-5]。

隨著光伏行業(yè)新政的推行，光伏電站步入精細化運營階段，必須使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率最大化，才能在最短時間內(nèi)收回投資成本并創(chuàng)造最大收益，因此，定時、及時對光伏組件進行清洗是提升光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的有效途徑之一。

目前國內(nèi)外已有的針對在運地面光伏電站中光伏組件的清洗方式，按照其自動化水平大致可分為3類：人工清洗方式、半自動清洗方式和自動清洗方式[6]。其中，人工清洗方式包括干洗方式和水洗方式；但人工清洗方式的清洗效率低、清洗周期長、人力成本高，并且存在人身安全隱患。半自動清洗方式以工程車輛為載體，設(shè)備功率大、清洗效率較高，但該清洗方式對光伏陣列的高度、寬度，以及陣列間路面狀況的要求較為苛刻。自動清洗方式采用清洗機器人進行清洗，與前2種清洗方式相比，該清洗方式具有清洗效率高、人工費用低、安全性好等諸多優(yōu)勢[7]。

對于水上光伏電站中光伏組件的清洗，目前尚未見采用自動清洗方式的報道，一般是通過自然降雨的方式來完成光伏組件的清洗，因此清洗時間和效果不可控；也有水上光伏電站采用人工清洗的方式來完成光伏組件的清洗，但清洗效率較低、人力成本高、清洗操作不方便且存在安全風(fēng)險。

無人船(unmanned surface vessel，USV)是一種新型的水上自動化作業(yè)平臺，是依托小型船艇，利用導(dǎo)航定位、環(huán)境感知和自主決策控制技術(shù)，根據(jù)水上作業(yè)的需要搭載各種應(yīng)用載荷的水上自動化作業(yè)平臺，可以進行遙控或者全自主航行。目前，無人船已在水文測繪、水下搜索、水環(huán)境監(jiān)測及軍用等多個領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用[8]，但將無人船應(yīng)用于水上光伏電站中光伏組件的自動清洗，目前國內(nèi)外尚未見相關(guān)報道，是無人船應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要創(chuàng)新。采用無人船自動清洗光伏組件不僅可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，還可以延長光伏組件的使用壽命，可為水上光伏電站創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

本文針對水上光伏電站中光伏組件的清洗作業(yè)需求，介紹了一種光伏組件清洗無人船系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)在國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站中開展的實際應(yīng)用進行了分析，然后對采用與未采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)清洗的光伏陣列區(qū)的發(fā)電量進行了對比試驗，以驗證光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的清洗效果及可用性。

1 光伏組件清洗無人船系統(tǒng)介紹

本文介紹的無人船系統(tǒng)為四方智能(武漢)控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光伏組件清洗無人船系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載了噴淋系統(tǒng)、激光雷達、水深傳感器、溫度傳感器和PH值傳感器等設(shè)備。

光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的硬件由2個部分組成，分別為岸基集控中心和清洗無人船；軟件采用岸基集控軟件。

1)岸基集控中心部署在光伏電站監(jiān)控大廳，通過公網(wǎng)與清洗無人船上的4G電臺進行雙向通信，傳輸現(xiàn)場圖像、狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令。

岸基集控中心由操作臺、控制手柄、臺式機、顯示器和通信網(wǎng)關(guān)組成，并安裝有岸基集控軟件，可集中管理20個清洗無人船，實時顯示清洗無人船的經(jīng)緯度、航速、航向、電量和實時視頻，并可以顯示光伏組件的清洗狀況。水上光伏電站作業(yè)人員可通過集控中心向清洗無人船下發(fā)控制指令，比如：設(shè)定清洗無人船的航線和航速、調(diào)整噴淋機構(gòu)的噴射高度和噴射角度等，還可以通過操作臺的控制手柄遠程遙控清洗無人船的航行。

2)清洗無人船為光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的主要組成部分，可實現(xiàn)自主航行并執(zhí)行光伏組件清洗任務(wù)。

清洗無人船由鋁合金船體、動力電池及電池管理系統(tǒng)(BMS)、推進器、主控制器、噴淋系統(tǒng)、感知設(shè)備及水體監(jiān)測傳感器組成。其中：動力電池采用安全性能較高的磷酸鐵鋰電池，支持直流快充，可在2 h內(nèi)完成充電。噴淋系統(tǒng)由水泵、高壓水炮和噴頭組成，可通過集控中心遠程調(diào)節(jié)高壓水炮的噴射高度和噴射角度；通過該噴淋系統(tǒng)可自動、連續(xù)作業(yè)8 h，單次作業(yè)航程可達30 km，覆蓋水域約300畝(1畝約為666.67 m2)。感知設(shè)備包括位于船體前、后的2個攝像頭和位于船頭的1個激光雷達，均可實時傳輸清洗無人船運行環(huán)境圖像和噴淋區(qū)域圖像；激光雷達還用于避障，以及自動引導(dǎo)清洗無人船沿著航道的中線安全航行。清洗無人船的實物圖如圖1所示。

圖1 清洗無人船的實物圖Fig. 1 Images of cleaning USV

2 光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的應(yīng)用

該光伏組件清洗無人船系統(tǒng)已經(jīng)在國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站中開展了實際應(yīng)用。下文對該系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行介紹，并對采用與未采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)清洗的光伏陣列區(qū)的發(fā)電量進行對比，對光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的清洗效果進行驗證。

2.1 任務(wù)區(qū)概況

國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站位于安徽省淮南市，由國家電力投資集團有限公司投資建設(shè)，占水域面積約7000畝，規(guī)劃裝機容量為154 MW，年均發(fā)電量為19200萬kWh，是目前華東地區(qū)已建成的最大單體水上光伏發(fā)電項目。該水域水深為1～3 m，清洗無人船航行通道的寬度為6 m。

在采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)之前，該水上光伏電站采用人工清洗方式(即人工操作噴淋)對光伏組件進行清洗。該清洗方式是在常規(guī)的5 m快艇上安裝汽油發(fā)電機、潛水泵和高壓水炮，組成人工清洗船進行清洗操作。雖然人工清洗船的成本比較低廉，但是由于高壓水炮噴水的側(cè)向推力作用，船體比較難以操控，需要頻繁調(diào)節(jié)航向，導(dǎo)致操縱人員的配合難度高、工作強度大、清洗效率也比較低。另一方面，由于人工清洗船采用汽油作為燃料，燃料采購及儲存都非常不方便，同時也存在較大的安全隱患。

2.2 光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的應(yīng)用

由于國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站有部分區(qū)域清洗無人船無法正常航行，因此在對整個水上光伏電站的水面情況進行現(xiàn)場勘查后，選擇出清洗無人船可通行的所有區(qū)域，然后在岸基集控軟件上依據(jù)電子地圖和光伏支架基礎(chǔ)樁樁位圖劃分出7個可采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)進行光伏組件清洗的清洗任務(wù)區(qū)，裝機容量共計62 MW。這7個清洗任務(wù)區(qū)的劃分示意圖如圖2所示，圖中綠色部分即為需清洗的區(qū)域。

圖2 采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的 清洗任務(wù)區(qū)劃分示意圖Fig. 2 Schematic diagram of division of cleaning task area of PV modules cleaning USV system

根據(jù)這7個清洗任務(wù)區(qū)中光伏陣列的位置和光伏組件的朝向，采用岸基集控軟件自動規(guī)劃出11個自動清洗任務(wù)，并在每個自動清洗任務(wù)中對清洗無人船的行駛航線和每段航線的航速、噴淋角度、噴淋高度進行設(shè)置，在自動清洗過程中，清洗無人船可根據(jù)光伏組件的朝向自動調(diào)整噴淋方向和角度。

在光伏組件清洗無人船系統(tǒng)首次投入使用的過程中，清洗無人船歷時9天完成了11個自動清洗任務(wù)，累計航行45 h，總航行里程約為166 km；其運行過程中完全自主作業(yè)。清洗無人船完成自動清洗任務(wù)的清洗時長和航行里程統(tǒng)計如表1所示。

表1 清洗無人船完成自動清洗任務(wù)的 清洗時長和航行里程統(tǒng)計Table 1 Statistics of cleaning duration and sailing mileage of cleaning USV completing automatic cleaning task

2.3 發(fā)電量對比試驗

采用對比試驗對光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的清洗效果進行驗證。試驗時間選擇11月中旬，為了減少風(fēng)力等影響因素的干擾，選取2個裝機容量相同且相鄰的光伏陣列區(qū)，以其中1個未采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)進行光伏組件清洗的光伏陣列區(qū)作為對比區(qū)域。這2個光伏陣列區(qū)在試驗當(dāng)天之前一周內(nèi)的每日發(fā)電量偏差小于0.5%，試驗前無雨天氣持續(xù)了26天；2個光伏陣列區(qū)的試驗條件基本一致。2個光伏陣列區(qū)的參數(shù)情況如表2所示。

表2 2個光伏陣列區(qū)的參數(shù)情況Table 2 Parameters conditions of two PV array areas

試驗當(dāng)天，采用清洗無人船對049#試驗區(qū)域進行光伏組件自動清洗，051#對比區(qū)域未進行光伏組件清洗；以清洗當(dāng)天作為第1天，對清洗后049#試驗區(qū)域和051#對比區(qū)域連續(xù)8天的日發(fā)電量進行統(tǒng)計，并計算2個光伏陣列區(qū)的發(fā)電量差值百分比(即試驗區(qū)域比對比區(qū)域多發(fā)電量占對比區(qū)域發(fā)電量的比例)。對比試驗的具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

發(fā)電量差值百分比即為發(fā)電量提升比例，從表3可以看出，除去陰雨天氣的情況，采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)對光伏組件進行噴淋清洗后，光伏陣列區(qū)的發(fā)電效率提升明顯，發(fā)電量提升比例基本超過2%。從第6～8天這2個光伏陣列區(qū)的發(fā)電量數(shù)據(jù)可以看出，采用光伏組件清洗無人船系統(tǒng)對光伏組件進行清洗后，即使再下小雨，該清洗方式的發(fā)電量仍然有明顯優(yōu)勢。

表3 對比試驗的具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of specific data of comparative test

3 結(jié)論

本文介紹了一種光伏組件清洗無人船系統(tǒng)，并對其在國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站中的應(yīng)用進行了說明。光伏組件清洗無人船系統(tǒng)完成了設(shè)計規(guī)劃的11個自動清洗任務(wù)，對62 MW光伏組件完成了自動清洗，累計航行45 h，總航行里程約為166 km，充分驗證了該光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的可靠性和可用性。通過對比試驗對光伏組件清洗無人船系統(tǒng)的清洗效果進行驗證，試驗結(jié)果表明：光伏組件清洗無人船系統(tǒng)實現(xiàn)了水上光伏電站中光伏組件表面積灰的清洗，且該清洗方式高效、經(jīng)濟，可滿足水上光伏電站現(xiàn)場清洗作業(yè)的需要；對于積灰超過20天的光伏組件，使用清洗無人船進行噴淋清洗后，可使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升，光伏陣列區(qū)的發(fā)電量提升比例基本超過2%。