光伏組件清潔裝置專利技術(shù)研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.001

摘" 要：光伏組件是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的重要功能單元，而光伏組件表面的清潔度對(duì)光電轉(zhuǎn)換率有重要影響。該文以光伏組件清潔裝置的專利文獻(xiàn)作為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)該領(lǐng)域的高頻被引文獻(xiàn)，介紹典型技術(shù)方案，并梳理重要申請(qǐng)人，分析其專利技術(shù)分布。

關(guān)鍵詞：光伏組件；清潔裝置；太陽(yáng)能；專利文獻(xiàn)；典型技術(shù)方案；申請(qǐng)人

中圖分類號(hào)：T18" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0001-05

Abstract： Photovoltaic modules are important functional units for solar power generation， and the cleanliness of the surface of photovoltaic modules has a significant impact on the photoelectric conversion rate. This article takes the patent literature of photovoltaic module cleaning devices as the research object， collects high-frequency cited literature in this field， introduces typical technical solutions， and also sorts out important applicants， analyzes the distribution of patent technologies of important applicants.

Keywords： photovoltaic modules; photovoltaic module cleaning devices; solar energy; patent literature; typical technical solutions; applicant

作者簡(jiǎn)介：李銳琴（1988-），女， 碩士，助理研究員。研究方向?yàn)榘l(fā)明專利快速審查。

近年來(lái)，可再生能源因其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)受到了世界各國(guó)的關(guān)注，其中太陽(yáng)能的發(fā)展更是各界的研究熱點(diǎn)[1]，對(duì)太陽(yáng)能的利用主要依靠光伏組件實(shí)現(xiàn)。光伏組件是在陽(yáng)光下產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，主要由半導(dǎo)體材料（例如硅）制成的光伏板組成，由若干個(gè)光伏板在機(jī)械和電氣上按一定方式組裝而成并且具有固定支撐結(jié)構(gòu)的直流發(fā)電單元?jiǎng)t被稱作光伏組件，又稱為光伏陣列。

大規(guī)模的光伏組件多設(shè)置在野外，例如沙漠、戈壁等，外界環(huán)境條件惡劣，尤其是風(fēng)沙較大，灰塵會(huì)在自身重力、風(fēng)力及靜電作用等綜合因素的影響下沉積在光伏組件表面，光伏組件因受到污染而被遮擋，輸出功率將明顯降低。研究顯示，表面積塵的光伏組件若長(zhǎng)時(shí)間未清理，輸出功率將降低15%～20%[2]，而長(zhǎng)期積灰還會(huì)破壞原有的熱平衡，導(dǎo)致光伏組件表面局部溫度異常，甚至出現(xiàn)“熱島效應(yīng)”導(dǎo)致光伏組件被燒毀[3-4]。因此，光伏組件的清潔是保證較高的光電轉(zhuǎn)換率的必要條件之一。目前，已有的研究方向可大致分為兩類，第一類是研制具有自凈功能的材料，通過(guò)化學(xué)或物理反應(yīng)，使光伏組件表面保持潔凈狀態(tài)[5-8]，但現(xiàn)在暫無(wú)此類材料投入實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道；第二類是利用人工或機(jī)械對(duì)光伏組件表面進(jìn)行清潔，其中，人工清潔是利用高壓水槍清潔光伏組件表面，但由于光伏組件大多設(shè)立在荒漠戈壁區(qū)域，該區(qū)域水資源匱乏，且清洗陣列排列的光伏組件工程量大，因此人工清洗難度非常高。相較而言，機(jī)械清潔是目前最經(jīng)濟(jì)、最理想的方法，也是如今的主流研究方向。

1" 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

1.1" 數(shù)據(jù)源與關(guān)鍵詞

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于incopat專利信息平臺(tái)，檢索對(duì)象為公開日或公告日在2022年12月31日前的國(guó)內(nèi)外的發(fā)明和實(shí)用新型專利申請(qǐng)，選用的檢索詞包括光伏、太陽(yáng)能、清潔，對(duì)應(yīng)的英文為solar、photovoltaic、clean、dust removal，選用的IPC分類號(hào)包括B08B、H02S40/10、F24S40/20；對(duì)上述檢索要素進(jìn)行擴(kuò)展后再進(jìn)行組合檢索，得到的專利申請(qǐng)經(jīng)過(guò)篩選后作為本文的研究對(duì)象。

通過(guò)對(duì)檢索所獲得的該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)光伏組件清潔裝置所涉及的技術(shù)進(jìn)行分解，見表1。

光伏組件清潔裝置的研究方向可分為對(duì)組件結(jié)構(gòu)的研究及對(duì)控制系統(tǒng)與方法的研究。光伏組件是由若干個(gè)光伏板串聯(lián)而成，串聯(lián)起來(lái)的光伏板緊密排列為一排，通常整個(gè)陣列中有多排這樣的串聯(lián)光伏板結(jié)構(gòu)。因此，光伏組件清潔裝置不僅需要在單個(gè)光伏板上行進(jìn)清潔，還需要跨越多排的光伏陣列。根據(jù)上述特點(diǎn)，光伏組件清潔裝置的組件結(jié)構(gòu)可劃分為越障組件、定位組件、路徑規(guī)劃組件、行走組件、清潔組件及其他。越障組件主要應(yīng)用于跨排清潔技術(shù)中[9]，用于相鄰光伏板間的跨越，實(shí)現(xiàn)大體量的光伏板不間斷清潔，定位組件及路徑規(guī)劃組件主要應(yīng)用于單個(gè)光伏板的清潔，用于實(shí)現(xiàn)清潔裝置自身的定位及清潔路徑的規(guī)劃，行走組件及清潔組件是清潔裝置的基礎(chǔ)模塊，用于保證行走能力及清潔效果。此外，其他組件主要包括針對(duì)清潔裝置的電力供應(yīng)、對(duì)光伏板的缺陷監(jiān)測(cè)及外界環(huán)境的檢測(cè)、電機(jī)布置等。對(duì)控制系統(tǒng)及方法的研究主要依托于上述結(jié)構(gòu)，集中于越障等行進(jìn)動(dòng)作及清潔方式的控制改進(jìn)方面。

1.2" 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析

1.2.1" 專利申請(qǐng)地域分布

對(duì)光伏組件清潔裝置專利申請(qǐng)的所在國(guó)家和地區(qū)產(chǎn)權(quán)組織分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到專利申請(qǐng)地域分布圖，如圖1所示。可以看出，中國(guó)在申請(qǐng)量上擁有巨大優(yōu)勢(shì)（占比92.14%），其次申請(qǐng)量較大的國(guó)家分別是韓國(guó)（占比2.90%）、日本（占比1.05%）和美國(guó)（占比0.84%），可見東亞是光伏組件清潔裝置最主要的技術(shù)市場(chǎng)。

1.2.2" 高頻被引專利分析

對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析后，根據(jù)光伏組件清潔裝置領(lǐng)域中專利文獻(xiàn)的被引頻次數(shù)進(jìn)行排序，列舉出被引頻次數(shù)排名靠前的專利文獻(xiàn)。此處需要說(shuō)明的是，考慮到目標(biāo)專利文獻(xiàn)在全球范圍的影響力，在篩選中剔除了僅由本國(guó)引用的專利，得到前10名高頻被引的專利文獻(xiàn)，見表2。

從表2可以看出，美國(guó)和日本在光伏組件清潔裝置的研究上具有較強(qiáng)的影響力，且日本對(duì)該領(lǐng)域的研究較早，可以追溯至2002年。瀏覽上述文獻(xiàn)后，從其中選取了部分典型技術(shù)方案分析如下。

1）US20130305474A1公開了一種太陽(yáng)能電池板清潔系統(tǒng)和方法，每一排的太陽(yáng)能電池板均設(shè)有可以調(diào)整傾斜度的連桿組件，可使得電池板相對(duì)于陽(yáng)光的角度可調(diào)，從而保證了一定的光電轉(zhuǎn)化率。清潔系統(tǒng)具有移動(dòng)清潔組件以使其與連續(xù)排列的太陽(yáng)能電池板對(duì)齊的引導(dǎo)組件，因此，可以實(shí)現(xiàn)成排的太陽(yáng)能電池板的清潔。此外，該系統(tǒng)的清潔組件還具有單向清潔功能，當(dāng)清潔組件向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不清潔太陽(yáng)能電池板，當(dāng)清潔組件向下運(yùn)動(dòng)時(shí)才進(jìn)行清潔，清潔方式是利用氣流吹除灰塵和碎屑。圖2是該清潔裝置的俯視圖，圖3是該清潔裝置的側(cè)視圖。從圖2可以看出，該清潔裝置主要的清潔部件為滾動(dòng)清潔部件124，其安裝于框架136上，框架136通過(guò)滾輪137實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，從而在豎直方向上清潔太陽(yáng)能組件111；從圖3可以看出，每一排太陽(yáng)能組件111均設(shè)有軌道112a和112b，清潔組件的框架311通過(guò)4個(gè)輪子312安裝于兩排軌道313上，動(dòng)力裝置320驅(qū)動(dòng)框架311沿著軌道313行進(jìn)，通過(guò)支撐架314、315及活塞316、317能夠改變軸點(diǎn)322及上部框架318的位置，從而適應(yīng)不同角度的太陽(yáng)能組件111。

2）CN105107772A公開了一種智能化光伏陣列清洗車，該清洗車通過(guò)履帶式的行進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)清洗頭單元清潔光伏陣列，清洗頭單元還包括測(cè)量其到太陽(yáng)能電池板距離的測(cè)距傳感器及支撐定位單元，可以靈活調(diào)節(jié)車體相對(duì)于光伏陣列的位置和姿態(tài)，也能實(shí)現(xiàn)多個(gè)光伏陣列的清洗。該清洗車的結(jié)構(gòu)如圖4所示，清洗車包括履帶底盤1、清洗頭單元2、清洗頭支撐定位單元3、液壓控制單元4、液壓油箱單元5、供水單元6、貯水單元7、動(dòng)力單元8及操作控制單元9；清洗作業(yè)時(shí)，車體相對(duì)于光伏陣列保持平行，清洗頭單元2偏擺至光伏陣列上方，通過(guò)噴水及滾刷對(duì)光伏組件進(jìn)行清潔，當(dāng)路面顛簸或光伏陣列板面起伏導(dǎo)致清洗頭單元2出現(xiàn)偏移時(shí)，操作控制單元9能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的清洗頭位姿控制策略和算法自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，清洗頭支撐定位單元3的俯仰角和姿態(tài)角，從而恢復(fù)理想狀態(tài)。

3）US20140109334A1公開了一種太陽(yáng)能電池板清洗系統(tǒng)，該清洗系統(tǒng)是在垂直于成排的太陽(yáng)能板一側(cè)設(shè)置軌道，在軌道上設(shè)有沿著軌道輸送清潔滑架的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，清潔滑架可以在每一排太陽(yáng)能板上橫向清潔后，再沿軌道移動(dòng)至下一排太陽(yáng)能板上繼續(xù)清潔，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跨排清洗功能；該清洗系統(tǒng)的運(yùn)行圖如圖5和圖6所示。圖5展示了運(yùn)輸清潔組件的小車28沿著第36a排的太陽(yáng)能電池板12進(jìn)行橫排清潔，清潔組件具有上蓋30和刷子34，完成橫排的清潔后，小車28移動(dòng)至框架26處，框架26具有能夠沿軌道24移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使得運(yùn)輸清潔組件的小車28從第36a排的太陽(yáng)能電池板移動(dòng)至第36b排，以及第36c排的太陽(yáng)能電池板。圖6展示了運(yùn)輸清潔組件的小車28沿著軌道在多排太陽(yáng)能電池板間移動(dòng)的情形。

通過(guò)對(duì)以上典型技術(shù)方案分析可知，光伏組件清潔裝置的研究集中于清潔裝置在光伏板上、光伏板間的移動(dòng)及清潔組件的優(yōu)化上。實(shí)際上，歐美的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，且在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃之初就比較重視后期的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)，因此，在修建光伏陣列時(shí)盡可能地保證了光伏組件之間的平整性。光伏電站的地面大多較為平整，光伏組件清潔裝置以輪式行走為主，而我國(guó)早期的光伏電站多選在沙漠、戈壁等地，光電轉(zhuǎn)換的先天條件很好，但環(huán)境、地勢(shì)較為復(fù)雜，地面平整性相對(duì)較差，因此，不適合輪式行走的光伏組件清潔裝置，而是以履帶式的前進(jìn)裝置為主。

1.2.3" 國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人

對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析后，根據(jù)申請(qǐng)量進(jìn)行了申請(qǐng)人排名。申請(qǐng)量排名前10的申請(qǐng)人中，僅有一位國(guó)外申請(qǐng)人，是韓國(guó)的Green Woojeon Co Ltd，其余的申請(qǐng)人均為國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人，這反映出在光伏組件清潔裝置領(lǐng)域，我國(guó)具有較大的申請(qǐng)量?jī)?yōu)勢(shì)。此處僅對(duì)國(guó)內(nèi)的重要申請(qǐng)人進(jìn)行進(jìn)一步分析，圖7顯示了這些重要申請(qǐng)人在專利申請(qǐng)中的技術(shù)分布。

1）深圳怪蟲機(jī)器人有限公司：怪蟲公司成立于2018年6月，光伏組件清潔裝置是其主營(yíng)業(yè)務(wù)，截至2021年2月，該公司專利申請(qǐng)量已有170件，其研發(fā)的產(chǎn)品“堒-B30M”也已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；該公司的專利技術(shù)主要集中在越障及行走組件。

2）國(guó)家電網(wǎng)有限公司：國(guó)家電網(wǎng)成立于2002年12月，核心業(yè)務(wù)包括我國(guó)電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)，因此太陽(yáng)能發(fā)電也是該公司重要的技術(shù)分支，分析該公司的專利情況可知，專利技術(shù)主要集中在清潔組件，還有少量申請(qǐng)涉及控制系統(tǒng)及方法。

3）北京中電博順智能設(shè)備技術(shù)有限公司：博順公司成立于2016年3月，主要業(yè)務(wù)是在新能源領(lǐng)域，該公司在2016年申請(qǐng)的多項(xiàng)專利已轉(zhuǎn)化至該公司自主研發(fā)的光伏組件清洗機(jī)器人上，且其中數(shù)項(xiàng)發(fā)明專利同時(shí)獲得美國(guó)授權(quán)，此外，為支撐清洗機(jī)器人及新能源相關(guān)行業(yè)，該公司還研發(fā)了“3D液態(tài)模鍛”工藝技術(shù)；該公司的專利技術(shù)主要集中在行走組件及清潔組件。

4）中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司：該公司隸屬于中國(guó)最大的發(fā)電集團(tuán)——中國(guó)華能集團(tuán)公司，其成立于2010年，主要研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方向包括煤基清潔能源技術(shù)和以太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電及生物質(zhì)能等為主的清潔能源技術(shù)，截至2015年底，該公司擁有授權(quán)專利為290余件，專利技術(shù)主要集中在清潔組件。

5）杭州舜海光伏科技有限公司：該公司成立于2013年，主營(yíng)業(yè)務(wù)即為光伏組件提供智能清潔服務(wù)，首創(chuàng)了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“基于智慧云的光伏組件智能清潔機(jī)器人”，該公司在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了百余件發(fā)明及實(shí)用新型專利，還在美國(guó)及沙特阿拉伯布局了專利，該公司專利技術(shù)主要集中在行走組件。

2" 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)分析，光伏組件清潔裝置在專利中具有眾多技術(shù)分支，如今的研究熱點(diǎn)主要集中于清潔裝置在光伏板上、光伏板間的移動(dòng)及清潔組件的優(yōu)化；美國(guó)、日本在該領(lǐng)域的研究具有較強(qiáng)影響力，而我國(guó)在該領(lǐng)域具有申請(qǐng)量大的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)的重要申請(qǐng)人的專利研發(fā)方向各有側(cè)重，百花齊放，技術(shù)發(fā)展日益成熟。

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