光伏電站組件清潔技術(shù)研究綜述

金勝利，郭振興，干建麗，鄒陽洋，賀海晏，黃綿吉，黃超鵬，壽春暉

（1．浙江省白馬湖實(shí)驗(yàn)室有限公司，浙江 杭州 310000；2．浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司，浙江 麗水 323900）

0 引 言

在全球氣候變化、化石能源枯竭及國(guó)內(nèi)“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，光伏發(fā)電以其綠色、經(jīng)濟(jì)、取之不盡等優(yōu)勢(shì)，成為發(fā)展最快的清潔能源利用形式之一。圖1 顯示了2011 年以來光伏裝機(jī)情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年全國(guó)新增光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量87.41 GW，累計(jì)光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)392.6 GW。全年光伏發(fā)電量為4276 億kW·h，同比增長(zhǎng)30.8%，約占全國(guó)全年總發(fā)電量的4.9%[1]。開發(fā)利用太陽能對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、構(gòu)建低碳發(fā)展模式、推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)節(jié)能減排和建設(shè)生態(tài)文明均具有重要意義。

圖1 2011—2022 年我國(guó)光伏新增及累計(jì)裝機(jī)情況

光伏組件是光伏電站最基本的發(fā)電單元，其光電轉(zhuǎn)化效率、現(xiàn)場(chǎng)輻照度和氣候條件是決定電站性能和發(fā)電收益的基本因素。除此之外，在電站運(yùn)行維護(hù)中保證組件表面的清潔，減少灰塵的遮擋，也是提升光伏組件輸出功率的重要方法[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，表面的灰塵污染已成為影響光伏電站發(fā)電量的重要因素[4]。

結(jié)合光伏電站實(shí)際運(yùn)維場(chǎng)景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文分析了組件表面灰塵種類特性及對(duì)發(fā)電效率的影響，并對(duì)人工清洗、噴淋除塵、清洗機(jī)器人、自清潔涂層、激光清潔、電除塵和聲波除塵等多種清潔技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，預(yù)測(cè)了光伏電站清潔技術(shù)的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)。

1 光伏組件及附著灰塵特性簡(jiǎn)介

1.1 光伏組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

光伏組件作為直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的單元，是光伏電站的核心。成熟的商用光伏組件包括晶硅組件、碲化鎘薄膜組件和銅銦鎵硒薄膜組件，晶硅組件占所有商用組件95%以上，是光伏發(fā)電的主力。

圖2 顯示了晶硅光伏組件的結(jié)構(gòu)，將電池片封裝在玻璃和背板之間，通過添加鋁合金邊框，組成具有封裝及內(nèi)部連接的、能單獨(dú)提供直流電輸出的、不可分割的光伏組件。光伏玻璃作為光伏組件正面，上表面通常做絨面和鍍膜處理，可以確保有更高的光透過率，下表面是壓花面，可以增強(qiáng)同封裝膠膜的黏合力。除此以外，光伏玻璃通常需要鋼化處理以保證更高的機(jī)械強(qiáng)度。

圖2 晶硅光伏組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 光伏組件表面灰塵種類及特性

根據(jù)來源分類，灰塵種類可分為自然來源和人為來源。其中自然來源主要包括土壤、砂石風(fēng)化、火山爆發(fā)以及山林火災(zāi)等，這種灰塵一般出現(xiàn)在遠(yuǎn)離生活區(qū)的大型地面光伏電站組件上。而人為來源灰塵主要為人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的生活污染、工業(yè)生產(chǎn)污染及交通運(yùn)輸污染等，主要出現(xiàn)在工商業(yè)屋頂及戶用分布式電站上。

根據(jù)灰塵組分及附著力方面分類，可分為普通浮塵、積垢以及油污性灰塵。普通浮塵主要成分為揚(yáng)塵、沙土、農(nóng)作物稈屑等細(xì)小顆粒，干刷或清水沖洗后可輕易去除。積垢則是與水汽結(jié)合后能與光伏組件表面玻璃蓋板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的灰塵。如：化肥廠、玻璃廠生產(chǎn)過程產(chǎn)生的灰塵。油污性灰塵則是工廠生產(chǎn)的油煙、油霧、瀝青煙、焦?fàn)t煙以及柴油機(jī)尾氣中的顆粒物等，該類灰塵吸附在光伏組件表面，用清水難以清洗干凈，需要配合特定的清潔劑[5]。如圖3 所示，在一些特定場(chǎng)景下，上述多種灰塵種類可同時(shí)存在。

圖3 光伏組件表面各污染層示意圖

圖4 格爾木地區(qū)組件表面積塵成分分析[6]

不同地域，組件表面灰塵組分也表現(xiàn)出了明顯的差異。左燕[6]等以我國(guó)格爾木地區(qū)為例，分析了荒漠地區(qū)光伏組件表面積塵成分，如圖4 所示，石英（SiO2）占比超過63%，鈉長(zhǎng)石（NaAlSi3O8）占比15%，方解石（CaCO3）占比10%，白云母（KAl2(AlSi3O10)(OH)2）占比6%，白云石（CaMg(CO3)2）占比4%，另外還有少于1%的斜綠泥（(Mg,Fe)5Al2Si3O10(OH)8）和有機(jī)質(zhì)。

Lu[7]等人分析了四種粉塵，分別來源于美國(guó)(粉塵A)、中國(guó)中部河南省(粉塵B)、中國(guó)南部廣州市(粉塵C)和建筑工地的沙塵(粉塵D)，如圖5 所示，不同地域之間粉塵成分存在較大差別。

圖5 不同積塵成分差異[7]

如圖6 所示，光伏組件表面積塵成因復(fù)雜且受到地域、環(huán)境、組件陣列、玻璃選材和灰塵特性等多種因素影響，僅改善單一因素很難達(dá)到大幅降低積塵的效果[6]。

圖6 影響光伏組件表面積塵的因素[6]

1.3 灰塵對(duì)于光伏發(fā)電效率的影響

組件臟污已經(jīng)成為影響光伏電站收益的重要因素。研究表明，因組件表面積灰造成光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量降低5%～10%是國(guó)內(nèi)外光伏電站普遍存在的現(xiàn)象，個(gè)別光伏電站甚至?xí)蚍e灰造成發(fā)電量損失30%以上[8-13]。

灰塵對(duì)光伏組件輸出功率的影響表現(xiàn)在三個(gè)方面[14-15]：

（1）遮擋效應(yīng)：光伏組件表面的積灰會(huì)遮蔽照射到組件表面的太陽光線，使入射到組件內(nèi)部的輻照度降低，直接影響組件發(fā)電性能。

積塵遮擋下太陽光線照射到光伏組件上的傳播如圖7 所示。當(dāng)光強(qiáng)為E 的光線照射到灰塵表面時(shí)被灰塵吸收和散射，前者（ΔE1）變?yōu)闊崮?，后者（ΔE2）被灰塵向四周散射，被散射的光線可能有部分（E1）照射到玻璃蓋板上，從而在玻璃蓋板上又形成了一次折射（E12）和反射（E11）的光線傳播過程。綜上所述，由于積灰的遮擋作用，實(shí)際進(jìn)入玻璃蓋板的能量較無積灰時(shí)要少（E-E1），從而使得積灰狀況下的發(fā)電量受到影響[16]。

圖7 灰塵遮擋情況下光線傳播示意圖

（2）溫度效應(yīng)：表面灰塵增大了組件表面的傳熱熱阻，阻礙熱量傳遞，組件溫度的升高帶來光電轉(zhuǎn)換效率的降低。研究表明：晶體硅光伏組件的內(nèi)部溫度每上升1℃，其輸出功率約下降0.35%[17]。同時(shí)，不均勻積灰會(huì)導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，嚴(yán)重情況下可致組件燒毀[18]。

（3）腐蝕效應(yīng)：玻璃表面存在Ca2+、Na+、K+等堿性離子，會(huì)在空氣中CO2等氣體的作用下與水汽中的H+發(fā)生交換作用，生成Na2CO3、K2CO3等，從而腐蝕玻璃表面，使得玻璃表面減反射膜層被破壞，降低光的入射。同時(shí)封裝材料的腐蝕可能會(huì)破壞組件封裝結(jié)構(gòu)，造成組件內(nèi)部的損壞[19]。

2 光伏組件清潔方式綜述

光伏發(fā)電在電力裝機(jī)中的比重不斷增加，為解決組件灰塵對(duì)發(fā)電量的影響，提升光伏電站發(fā)電性能，光伏組件的表面清潔問題得到了研究者的重視，專業(yè)的光伏組件除塵技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。根據(jù)技術(shù)成熟度以及在光伏市場(chǎng)上的應(yīng)用，可將光伏組件除塵技術(shù)分為3 類，即：已成熟或已大規(guī)模使用的光伏組件清潔技術(shù)（人工清潔，噴淋技術(shù)），基本成熟且小范圍或特定場(chǎng)景下使用的光伏組件清潔技術(shù)（機(jī)器人清潔，自清潔涂層）和實(shí)驗(yàn)室階段的光伏組件清潔技術(shù)（激光除塵，電除塵和聲波除塵等）。

2.1 已成熟或已大規(guī)模使用的組件清潔技術(shù)

2.1.1 人工清潔

人工清潔是目前光伏電站應(yīng)用最廣的清潔方法，專業(yè)要求低，無需昂貴的設(shè)備投入，只需要配備清洗用水和清洗工具即可，操作簡(jiǎn)便，環(huán)保無污染。但人工清洗也存在著明顯的缺點(diǎn)：

（1）只能清潔掉浮塵，對(duì)于積垢和油污性灰塵清洗效果不佳，且清洗效果受到天氣、工人體力等因素影響。

（2）清洗效率低，清洗周期長(zhǎng)，且在人工費(fèi)用較高的地區(qū)，清洗帶來的經(jīng)濟(jì)收益較低。

（3）對(duì)于水上電站和支架高度較高的農(nóng)光互補(bǔ)型電站，清洗難度較大。

2.1.2 噴淋技術(shù)

圖8 展示了噴淋除塵技術(shù)在光伏電站的應(yīng)用。噴淋除塵技術(shù)一般是在電站建設(shè)初期，鋪設(shè)完整的清洗管道，在電站生產(chǎn)階段，可根據(jù)污染情況對(duì)組件有計(jì)劃地沖洗。噴淋除塵技術(shù)成熟、門檻較低，可通過標(biāo)準(zhǔn)化、可控制的方式實(shí)現(xiàn)光伏面板噴淋除塵，幾乎不需要人工成本。但噴淋除塵技術(shù)的耗水量較大，且在前期需要高昂的管道鋪設(shè)成本。除此之外，噴淋技術(shù)只能除去表面浮塵，對(duì)有機(jī)沾污、鳥糞等頑固污漬清洗效果不佳，一般適用于小型工商業(yè)屋頂電站。

圖8 噴淋除塵系統(tǒng)

2.2 基本成熟且小范圍或特定場(chǎng)景下使用的光伏組件清潔技術(shù)

2.2.1 機(jī)器人清潔

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，適用于光伏電站的機(jī)器人清潔技術(shù)也逐漸成熟。清潔機(jī)器人的使用，極大降低了運(yùn)維人員的工作難度，是提升光伏組件發(fā)電效率的重要方法。清潔機(jī)器人根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作方式的不同，可分為移動(dòng)清潔車、掛軌式機(jī)器人和便攜式機(jī)器人等。

（1）移動(dòng)清潔車

移動(dòng)清潔車一般由工程車輛為載體進(jìn)行改裝（圖9），配合清潔設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的清潔。

圖9 移動(dòng)清潔車

相較于人工清潔，移動(dòng)清潔車可以實(shí)現(xiàn)大批量連續(xù)清潔，設(shè)備成本較低，清潔效率高，可實(shí)現(xiàn)按需除塵，不污染環(huán)境[20]。但移動(dòng)清潔車對(duì)組件各排之間間距和路面狀況要求較高。同時(shí)，移動(dòng)清潔車需配備專業(yè)技術(shù)人員，且由于大型機(jī)械存在一致性差的問題，可能會(huì)導(dǎo)致組件出現(xiàn)隱裂。

（2）掛軌式機(jī)器人

掛軌式機(jī)器人一般由限位輪固定在組串上下邊框，通過驅(qū)動(dòng)輪完成機(jī)器人在組件表面的移動(dòng)。如圖10 所示，根據(jù)刷頭移動(dòng)方向的不同，掛軌式機(jī)器人可分為兩種。

圖10 掛軌式清潔機(jī)器人

第一種掛軌機(jī)器人刷頭的移動(dòng)方向平行于機(jī)器人的前進(jìn)方向，機(jī)器人由限位輪、驅(qū)動(dòng)輪、主體框架、清潔刷頭、控制和供電單元等組成。進(jìn)行清掃作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪沿組件邊框行走，用于清潔的毛刷沿著與驅(qū)動(dòng)輪相反的方向高速轉(zhuǎn)動(dòng)，組件表面灰塵在毛刷的沖擊和旋轉(zhuǎn)氣流的共同作用下被彈起至相鄰組件縫隙處脫落[21]。此種類型機(jī)器人代表性廠家有中電博順智能設(shè)備技術(shù)有限公司、廈門藍(lán)旭科技有限公司、深圳創(chuàng)動(dòng)科技有限公司和仁潔智能科技有限公司等。

第二種掛軌機(jī)器人刷頭的移動(dòng)方向垂直于機(jī)器人的前進(jìn)方向，該清潔機(jī)器人由限位輪、驅(qū)動(dòng)輪、主體框架、縱向清潔裝置、拖曳電機(jī)、供電單元組成，典型特點(diǎn)是行走方向與清潔方向?yàn)檎弧＿M(jìn)行清潔作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪沿組件邊框行走至未清潔區(qū)域后停下，此時(shí)縱向清潔裝置啟動(dòng)，通過超細(xì)纖維毛刷旋轉(zhuǎn)并輔以氣流吹掃，自上而下對(duì)積灰進(jìn)行清潔；清潔完畢后，清潔機(jī)器人行走至其他未清潔的區(qū)域，繼續(xù)進(jìn)行下一次清洗作業(yè)。代表性公司有以色列清潔機(jī)器人開發(fā)商Ecoppia 等。

為了配合機(jī)器人在不同組串之間的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大面積跨排清潔，部分廠商會(huì)在不同組件之間安裝軌道和支架，通過搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人在不同排之間的移動(dòng)。圖11 所示的是深圳創(chuàng)動(dòng)科技有限公司開發(fā)的大面積跨排清潔技術(shù)。

圖11 大面積跨排清潔技術(shù)

掛軌式機(jī)器人一般應(yīng)用在組件陣列安裝整齊的大型地面光伏電站，漁光互補(bǔ)光伏電站、農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站等。

（3）便攜式機(jī)器人

如圖12 所示，相較于掛軌式機(jī)器人，便攜式機(jī)器人更加適用于面積較小，排布不規(guī)則的分布式光伏電站。采用便捷式清潔技術(shù)的代表性廠家有深圳創(chuàng)動(dòng)科技有限公司、仁潔智能科技有限公司和上海偉匠機(jī)器人科技有限公司等。根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，便攜式機(jī)器人有滾刷式清潔和盤式清潔等，且一般自帶水箱，可根據(jù)需求配合不同清潔劑使用。該類產(chǎn)品具有靈活便攜的特點(diǎn)，在分布式電站中獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖12 便攜式機(jī)器人

不同類型機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1 所示。

表1 不同類型機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2.2.2 自清潔涂層

自清潔涂層的作用主要是改變玻璃表面特性，使微粒不易在表面沉積或易于被清除。根據(jù)涂層親水性能不同，可分為超疏水涂層和超親水涂層。

超疏水現(xiàn)象來源于“荷葉效應(yīng)”：由粗糙的微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)和蠟狀物質(zhì)組成的荷葉表面不僅有憎水性，而且對(duì)顆粒污染物具有低黏附性。當(dāng)水珠滾落時(shí)，能將其表面的污染物一起帶走，達(dá)到自潔凈的效果[22-24]。而光伏超疏水材料的疏水性也是由材料的化學(xué)性質(zhì)（或表面能）和微納尺度的分層形貌或表面粗糙結(jié)構(gòu)共同決定的，其清潔原理是：材料在玻璃表面形成一層超疏水薄膜，水滴在薄膜表面無法鋪展而保持球形狀態(tài)，接觸角一般大于150°。當(dāng)灰塵微粒落在涂層表面之后，涂層表面的乳突納米結(jié)構(gòu)使微粒極易被滾動(dòng)液滴或空氣從光伏組件表面帶走。與超疏水材料的低表面能不同，合成超親水表面必須使用高表面能材料，超親水表面主要通過光催化反應(yīng)分解有機(jī)物，減少組件表面的污染。且該自清潔薄膜在玻璃表面的納米尺度上是粗糙的，這種納米級(jí)粗糙度可以使灰塵粒子的接觸面積更小，從而減少摩擦力，使灰塵更容易滑落[8]。除此之外，材料的超親水性也可使水在涂層表面幾乎完全鋪展開，從而將污染物與組件表面分離，而水膜的鋪展也帶走了污染物[25]。

對(duì)于自清潔涂層在光伏電站中的應(yīng)用，一般的通用納米粒子難以獲得最優(yōu)的自清潔效果，而不同納米粒子組合又可能削弱彼此的功能，因此在原有納米粒子上進(jìn)行功能性官能團(tuán)的化學(xué)接枝處理，會(huì)很好地對(duì)兩者進(jìn)行兼顧[26]。

楊建衛(wèi)等人通過改性SiO2、改性ZrO2及改性SnO2等納米粒子，控制納米材料，成功形成100～200nm 以下的凹凸結(jié)構(gòu)，發(fā)電增益可達(dá)3.31%以上[26]。Hao Lu 等人將超疏水SiO2涂層用于光伏組件表面，鍍膜后太陽能電池玻璃上的顆粒沉積密度明顯降低，沙粒的沉積密度為未鍍膜玻璃表面的36.77%，組件的發(fā)電功率最高提升約24.35%[7]。張永偉等采用了一種含有納米級(jí)TiO2光催化的自清潔材料，該材料是一種功能性水基溶液，主要組分為無機(jī)氧化物和TiO2，其特殊配方成功實(shí)現(xiàn)了溶液中有效成分的高效分散，在玻璃表面噴涂該溶液，無須經(jīng)過熱處理即可快速形成無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的膜層，在實(shí)測(cè)的兩年時(shí)間內(nèi)，發(fā)電量增幅均維持在3%以上[8]。薛鵬飛等利用SiO2和TiO2進(jìn)行納米雙成膜涂層的設(shè)計(jì)，底層膜主要起黏合作用，面層膜主要起光催化作用，兩者結(jié)合后在試驗(yàn)期內(nèi)發(fā)電量增益率為3.09%[27]。謝解解[28]比較了硅類超疏水薄膜和氟類超疏水薄膜對(duì)光伏組件的光伏特性的影響，硅類超疏水薄膜的透光率比氟類的高，但是氟類的透光率應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化更穩(wěn)定，而且涂覆了氟類超疏水薄膜的光伏組件的發(fā)電效率受覆灰率的影響最小，下降最少。

自清潔涂層在減少光伏組件表面污染方面效果較好，但其制造過程復(fù)雜且成本相對(duì)較高，涂層的清潔作用受到環(huán)境、氣候、成膜工藝等影響。且在實(shí)際應(yīng)用過程中，受外界環(huán)境條件影響，涂層的耐久性往往不及預(yù)期。因此增加涂層使用壽命并降低其制造成本，仍是今后研究的重點(diǎn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)室階段的光伏組件清潔技術(shù)

2.3.1 激光清洗

激光清洗是利用能量高度集中的激光束輻照物體表面，使待除污染物發(fā)生振動(dòng)、燃燒、熔化、蒸發(fā)，從物體表面脫離的過程[29]。目前學(xué)者們研究的清洗機(jī)理主要包括燒蝕、燃燒、熔化、氣化、振動(dòng)、膨脹、收縮、爆炸、飛濺、剝離、分解、降解、電離等物理化學(xué)變化[30]。

目前激光清洗已在微顆粒清洗、油漆清洗、銹蝕清洗、輪胎模具清洗、文物清洗等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。市面上有相關(guān)公司開發(fā)了基于激光清潔的光伏組件清潔機(jī)器人，但因組件灰塵種類復(fù)雜、激光清潔難度較大等原因，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

2.3.2 電除塵技術(shù)

圖13 展示了電除塵技術(shù)的原理：主要通過靜電產(chǎn)生的駐波和行波來搬運(yùn)灰塵，行波使灰塵微粒水平波動(dòng)，駐波使灰塵上下波動(dòng)，從而促使灰塵最終被清除。靜電清潔方法的清除效果受電極特性、介電材料特性、環(huán)境條件以及灰塵特性等因素影響[31]。

圖13 電除塵技術(shù)原理圖[32]

電除塵技術(shù)發(fā)展較久，早在1907 年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)化學(xué)教授科特雷爾（F.G.Cotrell）就首次成功地使用電除塵器捕集硫酸煙霧[32]。隨著后來的發(fā)展，電除塵技術(shù)在電力、水泥、鋼材和化工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。Sharma 等人研究了在沙塵暴等高灰塵濃度下，電動(dòng)篩連續(xù)運(yùn)行3 小時(shí)除塵效率超過90%[33]。Kawamoto H 等人在光伏組件兩端施加電壓，面板上80%以上的沙塵被除去。隨后，基于此原理，一套靜電除塵裝置被開發(fā)出來[32-35]。目前，電除塵技術(shù)存在著一些無法避免的缺點(diǎn)，比如成本較高、增加組件表面溫度、灰塵搬移造成的二次揚(yáng)塵和積灰等。此外，降雨條件下，微粒所受的靜電力將會(huì)失效，故難以維持其對(duì)光伏面板清潔的有效性。上述問題使得電除塵在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于航空航天等小面積光伏面板的除塵，未在大型地面電站進(jìn)行推廣。

2.3.3 聲波除塵

聲波除塵在爐膛和煙道里的應(yīng)用較為普遍，在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用，尚處在研究階段。Piotr Vasiljev 等人利用超聲波清潔，用32 W 的超聲功率清潔15 s 以后，可去除大部分表面灰塵[36]。如圖14 所示，Serkan Alagoz 等人研究了聲波對(duì)不同尺寸微粒的清潔效果，發(fā)現(xiàn)對(duì)于粒徑在0.2 mm以下的顆粒，由于表面與顆粒之間的粘附力足夠大，清潔效果較差。而粒徑在0.5～1.0 mm 范圍內(nèi)時(shí)，黏附力減小到可以忽略不計(jì)的程度[37]。

圖14 表面聲波清洗前后效果圖[37]

不同清潔技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2 所示。

表2 不同清潔技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 光伏組件清潔成本及清潔頻率分析

3.1 光伏組件清潔成本分析

隨著電站運(yùn)維人員對(duì)組件清潔重視程度的增加，清潔成本也成了重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，近年來，不少研究者對(duì)組件清潔成本進(jìn)行了計(jì)算。2013 年，青海錫鐵山100 MWp 光伏電站采用人工清潔方式，每兆瓦清潔費(fèi)用約為4400 元[38]。2014 年，西北荒漠地區(qū)5 MWp 光伏電站，采用了水車高壓噴頭沖洗的方式，每兆瓦清潔費(fèi)用約為1000 元[39]。2017 年，山東德州2.38 MWp 分布式光伏電站，灰塵主要是揚(yáng)塵、汽車尾氣、工業(yè)廢氣所含物質(zhì)，采用人工清潔方式，每兆瓦清潔費(fèi)用約為1344.5元[40]。2019 年，浙江嘉興2.1 MWp 分布式光伏電站，采用人工清潔的方式，每兆瓦清洗成本為3500 元[41]。2020 年，遼寧沈陽4.62 MWp 分布式電站，灰塵主要來源于工業(yè)排放物、燃燒煙塵、汽車尾氣、土壤揚(yáng)塵等。除此之外，如孢子、花粉、鳥糞等也是該電站灰塵的重要來源之一，采用人工清潔方式清洗，每兆瓦清潔費(fèi)用約為2164.5 元[42]。2023 年，針對(duì)環(huán)境差異帶來的影響，張?jiān)５热藢?duì)西北地區(qū)甘肅金塔50 MWp 集中式電站、華中地區(qū)湖南平江20 MWp 集中式電站和華南地區(qū)廣州10 MWp 屋頂光伏電站進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[43]，得出結(jié)論：西北地區(qū)污染主要為沙塵積垢，宜使用車載移動(dòng)式清潔方式，成本約為1000 元/MW；華中地區(qū)污染主要為自然塵埃積垢，宜使用人工清潔結(jié)合軌道式機(jī)器人進(jìn)行清潔，成本約為4000 元/MW；華南地區(qū)因處于工業(yè)園區(qū)，主要為工業(yè)化學(xué)污染，需使用人工清潔結(jié)合機(jī)器人清潔，且需搭配清潔劑使用，成本約為22500 元/MW。

由上述可知，光伏電站的清潔成本，受清潔方式、電站位置、電站大小、臟污程度等復(fù)合因素的影響，不同電站之間差別較大。各電站還需結(jié)合自身特色，選取最具有性價(jià)比的清潔方式。

3.2 光伏組件清潔頻率分析

目前，光伏電站的清洗頻率沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)電站依據(jù)光伏組件臟污程度動(dòng)態(tài)安排清洗作業(yè)。一般而言，光伏電站的清洗頻率取決于因臟污產(chǎn)生的發(fā)電收益損失和因清洗產(chǎn)生的成本增加，二者的盈虧平衡決定了電站清洗頻率的長(zhǎng)短。

研究者參考運(yùn)維工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合理想情況下的假設(shè)，提出了多種光伏電站清洗周期的模型：孟偉君等[39]對(duì)比了清洗和不清洗兩種組件的發(fā)電量差異，并假設(shè)一個(gè)清洗周期T內(nèi)，清洗費(fèi)用不超過清洗效益的20%，即為：

式中：Qc為干凈組件日發(fā)電量；Qd為污濁組件日發(fā)電量；T為一個(gè)清洗周期；t為清洗一次的時(shí)間；E為清洗一次的費(fèi)用。

張朝輝等[14]假設(shè)灰塵對(duì)光伏組件的覆蓋及對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響隨時(shí)間呈線性變化，當(dāng)灰塵影響率達(dá)到15%的時(shí)間為T天，灰塵影響率達(dá)到k%時(shí)即進(jìn)行光伏組件清洗，且認(rèn)為清洗效益要盡量高，在一個(gè)清洗周期內(nèi)，清洗費(fèi)用不應(yīng)超過清洗效益的20%：

光伏組件清洗周期可通過以下模型確定：

式中：t為組件清洗周期，天；W為每兆瓦光伏因臟污產(chǎn)生的收益損失（包括因灰塵遮擋造成的發(fā)電量損失和因清洗產(chǎn)生的成本），元；h為光伏電站年均利用小時(shí)數(shù)，小時(shí)；p為光伏電站度電上網(wǎng)電價(jià)，元 ；f為光伏電站單兆瓦清潔費(fèi)用，元。

在光伏電站實(shí)際運(yùn)維場(chǎng)景下，h、p、f都可由經(jīng)驗(yàn)值確定。則針對(duì)每一個(gè)k值，都有一個(gè)最佳的T值使W最小，此時(shí)得到的t值即為電站最佳清潔周期。

上述模型，存在著明顯的缺點(diǎn)：

1)灰塵對(duì)光伏組件的覆蓋及對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響不是嚴(yán)格的線性關(guān)系；

2)未考慮降雨等對(duì)組件積塵的影響；

3)未考慮在一個(gè)自然年內(nèi)，不同月份光資源情況和積塵的差異對(duì)于發(fā)電量權(quán)重的影響。

張?jiān)５萚43]根據(jù)不同區(qū)域光伏電站數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，對(duì)西北、華中和華南地區(qū)電站清洗頻率給出了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

1)針對(duì)西北地區(qū)的光伏電站，3—4 月為沙塵期，建議動(dòng)態(tài)清洗 ；5—10 月最好是每月清洗一次；11 月初進(jìn)行一次全面清洗后，12 月、1 月因溫度較低，不建議進(jìn)行清洗，可等天氣變暖再進(jìn)行一次清洗。清洗時(shí)一般用清水即可。

2)針對(duì)華中地區(qū)的光伏電站，3—4 月可利用雨季對(duì)光伏組件進(jìn)行一次全面徹底的清洗；5—10月在發(fā)電高峰期到來前進(jìn)行一次清洗。

3)針對(duì)華南地區(qū)的屋頂光伏電站，建議光伏組件一年清洗3—4 次。

上述清洗周期只是在針對(duì)特定區(qū)域某個(gè)特定電站分析后得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因不同光伏電站差別較大，在電站實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整清洗周期的判斷條件，以實(shí)現(xiàn)收益最大化。

4 組件清潔技術(shù)研究展望

目前，人工清潔是光伏電站應(yīng)用最廣的清潔方式，但清潔效率較低，隨著人工成本的逐步提高和智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人工清潔將逐步被清潔機(jī)器人所取代?，F(xiàn)階段，清潔機(jī)器人存在著運(yùn)行穩(wěn)定性差的問題，增加清潔機(jī)器人的穩(wěn)定性，降低設(shè)備成本是接下來需要一直研究的方向。

自清潔涂層技術(shù)在一些光伏電站進(jìn)行了示范應(yīng)用，也展現(xiàn)出了顯著的增益效果。但是自清潔涂層成本較高，實(shí)際使用壽命不及預(yù)期等，也阻礙了其大范圍推廣。激光除塵、電除塵和聲波除塵技術(shù)目前僅處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離應(yīng)用還存在著一定距離[44]。后期，多種清潔方式的結(jié)合，將是提高組件清潔效率的重要方法。

通過對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀的分析，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的實(shí)際需求，電池板清潔技術(shù)未來發(fā)展應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)智能化清潔：清潔設(shè)備應(yīng)具備自動(dòng)感知灰塵積累程度的能力，無需人工干預(yù)，可結(jié)合氣象條件、實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)等對(duì)清潔作業(yè)做出最為及時(shí)的判斷。

2)安全性高：清潔作業(yè)時(shí)，運(yùn)行安全可靠，設(shè)備穩(wěn)定性較高，不需要過多人工維護(hù)，且清潔方式不會(huì)對(duì)光伏組件造成損壞。

3)微水或無水清潔技術(shù)：對(duì)西北、山坡等水源不充足區(qū)域，或者在嚴(yán)寒天氣無法開展水洗相關(guān)清潔工作的條件下，實(shí)現(xiàn)微水或無水清潔。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，光伏發(fā)電作為重要的可再生能源利用形式之一，將進(jìn)一步擴(kuò)大裝機(jī)規(guī)模。然而，光伏組件表面積塵對(duì)電站的發(fā)電效率起到了制約作用，而組件清潔技術(shù)是提高光伏電站運(yùn)行效率的重要手段。本文綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和實(shí)際運(yùn)維場(chǎng)景，分析了不同類型的組件表面積塵特性以及對(duì)發(fā)電效率的影響，并將現(xiàn)有清潔技術(shù)分為三類，進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景的介紹。針對(duì)不同區(qū)域不同類型光伏電站，還進(jìn)行了清潔頻率的成本效益分析，旨在為研究人員和運(yùn)維人員提供參考。此外，基于當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀，提出了未來電池板清潔技術(shù)應(yīng)具備智能化、安全性高、微水或無水清潔的特點(diǎn)。未來多種清潔方式的結(jié)合，將是提高組件清潔效率的重要方法。