國內光伏組件除塵專利技術比較研究

韓 濤，龔恒翔，周康渠，李江華，朱新才

(重慶理工大學 a.機械工程學院;b.物理實驗中心，重慶 400054)

太陽能是太陽輻射到地球的輻照能的總稱。太陽能儲量近乎無限，是一種綠色清潔能源，在世界能源日益緊張的今天，受到人們越來越多的關注。光熱、光電、光化學和光生物方式是目前利用太陽能的4種基本技術途徑。其中光電方式利用太陽能的潛力更大，技術也更成熟［1］。根據我國國家能源局公布的最新統計結果，2014年上半年，全國新增光伏發電并網容量330萬千瓦，比去年同期增長約100%，光伏發電累計上網電量約110億千瓦時，同比增長超過200%［2］?？梢姡覈鴮夥l電技術的應用呈現出直線上升的趨勢。規?；逃锰柲馨l電系統的開發在我國也是近幾年的事，故在技術和管理經驗方面尚有欠缺，對系統長時間運行中可能出現的問題預計不足［3］。例如在大規模光伏發電系統運行中忽視光伏組件上灰塵的積累導致光伏組件電能輸出量遠低于設計值。據調查［4］，陜西榆林的一家20 MW太陽能光伏電站，總投資高達2億元。最初設計年發電量2000多萬千瓦時，按照國家每千瓦時補貼1元的標準，預計年收益可達2000萬元以上。但由于光伏面板的灰塵覆蓋，光伏組件的實際發電效率由15%～18%下降到10%左右，造成每年損失至少200萬元，嚴重影響光伏電站的生產效益。

鑒于灰塵積累給光伏發電帶來的巨大損失，有必要探討這種灰塵污染的機理。光伏組件灰塵效應一般描述為:源自空氣攜載的固態微米量級灰塵顆粒物覆蓋光伏組件表面，降低光伏組件光通量，進而導致光伏組件電能輸出量降低［5］。有研究者從灰塵積累模型的微觀角度出發，指出重力、范德瓦耳斯力、靜電場力均對灰塵積累有貢獻［6］。居發禮［7］從宏觀角度對灰塵積累做了部分闡述，指出灰塵積累就是自然與人為因素產生的灰塵顆粒物相互作用，吸附于重力降塵和大氣飄塵，并在一定條件下降落到地面或光伏面板。鮑官軍等［8］指出大氣灰塵在光伏面板上的累積效應主要受到面板傾角、風速風向、灰塵性質、環境濕度等因素影響。

灰塵覆蓋不僅導致光伏組件電能輸出量降低，而且會導致局部腐蝕、絕緣性降低和熱斑效應等問題［9－10］，因此近年來受到學者和工程技術人員普遍的關注，相關研究報道和專利技術逐年增多。

光伏組件除塵就是通過某種特定的原理和裝置，把光伏組件通光光伏玻璃表面降低光通量的覆蓋物驅除，提高通光量，增加發電量［11］。常見的有4種除塵方式:①自然除塵法，即利用大自然的降雨、風力、冰雪融水等實現光伏面板的自潔;②人工清潔法，也就是雇傭清潔工人，借助清掃工具對光伏組件表面進行擦洗，這是小規模光伏電站常用的除塵方式;③光伏表面蓋板應用新型材料或對其表面進行涂層處理，從根源上提高光伏組件抗污增透能力;④自動化除塵法，即借助自動化機械除塵設備進行清潔作業。此外，還有其他除塵技術，例如電簾除塵技術、激光除塵技術等［12－13］。

1 除塵裝置

對于灰塵效應問題，技術上要么阻止或者盡可能減少灰塵的沉積過程，要么對已經沉積的灰塵進行驅除。前者不太現實，不可知和不可控因素較多，較為可行的是從驅除的角度出發解決灰塵覆蓋導致的光伏發電損失問題，開發針對光伏組件的除塵技術和裝置。

智能化的外置機械式除塵裝置是目前解決光伏組件灰塵效應問題實際可行的技術手段。為了設計一種具有使用價值的光伏除塵結構，本文從控制、傳動和執行3個方面對國內近年來公開的光伏組件除塵專利技術進行了比較分析研究。

1.1 控制部分

國內光伏組件除塵專利采用的控制方式主要有車載移動控制、普通自動控制、反饋調節控制等3種方式，其比較分析結果如表1所示。

從技術水平和綜合經濟成本角度考慮，國內光伏產業大多采用比較經濟的普通自動控制方式。但對于大規模的光伏發電廠，其需要除塵的光伏組件數量巨大，必然要保持除塵裝置長期高效的工作狀態，減少其維修維護成本。從長期的效益來看，現有的反饋調節控制機構由于其自身結構的復雜性和先期投入成本較大的缺陷，尚不能達到規?；茝V程度，故關于該控制機構的性能研究及結構優化將是光伏除塵研究者的努力方向。

表1 控制部分專利技術比較分析結果

1.2 傳動部分

該部分常用滑軌傳動、絲杠傳動、齒輪齒條傳動、連桿傳動、帶傳動5種方式，其比較分析結果如表2所示。

這5種傳動機構都具備傳動效率較高且穩定的優點，理論上都可以作為光伏除塵裝置的傳動機構。在戶外實地的傳動工作過程中，可能會遇到由于機械故障等意外因素造成整個除塵動作發生卡停的狀況，亦或在清除較厚粘性積灰層時除塵執行機構發生卡住的情況，此時若驅動電機繼續工作，會對整個除塵裝置造成一定破壞，故要求傳動機構最好有過載保護的功能。表2中前4種傳動方式屬于剛性傳動［22］，無法實現自我保護功能;而屬于柔性傳動的帶傳動，在出現上述故障時，傳送帶與帶輪之間會發生的“打滑”現象［23］，從而避免了強行的傳動作業對整個除塵裝置造成的結構性損壞。對于傳動帶使用壽命較短的缺陷，可通過改善傳送帶的合成材料、加工工藝或對其表面覆蓋一個保護性外殼等方式來彌補，故帶傳動可作為光伏組件除塵裝置理想的傳動方式。

表2 傳動部分專利技術比較分析結果

1.3 執行部分

光伏組件除塵專利執行機構對光伏組件上灰塵的清除方式主要有干刷式、刷洗式、噴氣式、超聲波式4種，其比較分析結果如表3所示。

當前光伏除塵領域對一種理想的實用型除塵執行機構的要求如下:①結構簡單，零部件越少越好;② 除塵效率高，能量消耗少;③ 狀態穩定，振動小，噪音低。噴氣式除塵執行機構需要空氣壓縮機等設備輔助工作，并且實現其旋轉與直線動作時需要多個電機協調完成，其結構如圖1所示。噴氣除塵過程中還面臨對相鄰面板造成二次污染的問題，這些缺陷決定其無法規?；耐茝V與應用［30］。新型的超聲波除塵執行機構初期投入較大，受外部環境因素(諸如雨露、雷電、冰雹等氣候因素)干擾，無法保證正常工作。此外，其性能和工作狀態對環境敏感度高，很難保持長期穩定除塵作業。從目前光伏組件除塵實地作業情況來看，采用干刷式和刷洗式的除塵執行機構可滿足實用性要求。圖2為某一典型刷洗式機構底面。

表3 執行部分專利技術比較分析結果

圖1 噴氣式除塵執行機構簡圖

圖2 刷洗式除塵執行機構工作底面簡圖

目前，我國甘肅、青海等地光伏電站均遭遇到“水危機”。以一個10兆瓦(MW)太陽能電站清洗一遍的用水量為例，如果用移動水車直接沖洗光伏陣列，一遍大約需要100 t水;如果在光伏陣列上鋪設水源管道，像澆草坪一樣進行噴淋，一遍大約需要60～70 t水;如果采用移動水車用水刷進行刷洗，一遍大約需要50 t水［31］。由此可見，不受水限制的除塵執行機構才可能大規模推廣，故干刷式除塵執行機構才是未來大規模光伏組件除塵作業的發展方向。

在干刷式除塵執行機構中，復合式干刷除塵執行機構可以實現復雜性灰塵分類并徹底清潔，其結構如圖3所示。當3種清除不同種類灰塵的執行工具處于工作狀態時，可依次對光伏面板施加擦拭作用，將其表面的灰塵顆粒由大到小進行清除?？梢?，該除塵執行機構理論上達到了可推廣應用的標準。但其面臨無水化作業能量消耗過大的問題。故可以簡化該除塵執行結構，將重點放在清障鏟構造的研究上，尤其是對其鏟刃、鏟面及其與光伏面板接觸狀態的分析與改進。例如，可將清障鏟鏟面、鏟刃進行離散化［32－33］，不僅在很大程度上降低了鏟結構制造的工藝難度，而且可以顯著提高除塵效果。因此，可以預見清障鏟結構的設計與改進將是未來光伏組件清潔技術的研究重點。

圖3 復合式干刷執行結構簡圖

2 裝置應用的思考

一種理想的光伏組件除塵裝置，要實現其大規模的推廣應用，在內部各個機構優化的同時也要實現裝置整體在結構和性能上的優化［34］。

1)整體結構優化。以某電站為例［35］，其大約有5000到幾萬塊光伏面板，如果每塊光伏面板上都安裝一套完整的除塵裝置，那么會造成極大的成本壓力。故可采用化整為零的方法，安裝分塊式除塵裝置，原理如下:就每塊光伏面板的除塵動作而言，除塵裝置的傳動機構和執行機構是不可或缺的。對于一定距離內的光伏面板，由于其外部環境等因素相似，故其灰塵沉積情況也基本一致，那么這些光伏面板的外置機械式除塵裝置可以共用一個系統控制機構，實現了整體結構的優化，減少了成本。

2)整體性能優化。重要方式之一是保持各機構在性能上的“均勻性”，從而達到“一同上崗，一同下崗”的目的。機構的統一安裝與更換可極大減少對裝置中單個機構的人工維護成本。在規模化生產一種光伏組件除塵裝置時，對于其中不同功能的機構應選擇相同或屬性相近的材料，并盡可能采用類似的工藝。

3 結束語

光伏組件灰塵效應是光伏發電技術規模化應用中遇到的關鍵技術難題之一，設計一種可以大規模實際應用的光伏除塵裝置是業界的迫切期望。本文首先對國內光伏組件的控制、傳動、執行機構的不同專利技術進行比較分析，指出了國內現有的光伏組件除塵專利技術各自的優缺點。然后根據節能、環保、高效、經濟、可規?；茝V的原則，并結合各個機構的橫向比較分析，從結構與性能優化的角度，對如何設計并改進這3部分機構進行了方向性預測。結果表明:一種基于反饋調節控制、采用新型帶傳動、執行離散鏟式除塵的裝置設計方案具有較大發展潛力。

［1］李柯，何凡能.中國陸地太陽能資源開發潛力區域分析［J］.地理科學進展，2010(9):1049－1054.

［2］國家能源局.2014年上半年光伏發電簡況［EB/OL］.［2014 －08 －07］.http://www.nea.gov.cn/2014 －08/07/c_133539235.htm.

［3］高軍武陶崇勃.國內外太陽能光伏產業市場狀況與發展趨勢［J］.電氣技術，2009(8):89－92.

［4］每日科技.光伏電站受“灰塵”困擾 新型涂層技術來解難［EB/OL］.［2014 －07 －12］.http://hvdc.china.power./news/1033/10336746.asp.

［5］Boyle L，Flinchpaugh H，Hannigan M.Impact of natural soiling on the transmission of PV cover plates［C］//39th IEEE Photovoltaic Special-lists Conference.Tampa，FL:［s.n.］，2013:3276 －3278.

［6］龔恒翔，巫江.光伏組件最優化除塵方案設計原則分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2013(6:)58－60，92.

［7］居發禮.積灰對光伏發電工程的影響研究［D］.重慶:重慶大學，2010.

［8］鮑官軍，張林威，蔡世波，等.光伏面板積灰及除塵清潔技術研究綜述［J］.機電工程，2013(8):909－913.

［9］Ahmad Y，Al－ Hasan.Effect of dust accumulation on the power outputs of solar photovoltaic modules［J］.Renewable Energy，2013，60(5):323 －333.

［10］Arash Sayyah，Mark N H，Malay K.Energy yield loss caused by dust deposition on photovoltaic panels［J］.Solar Energy，2014，107:576 －604.

［11］張利，鐘云.考慮陰影影響的光伏電池組件實驗研究［J］.太陽能，2008(5):27 －28.

［12］曹紅杏，阮萍，李婷，等.光學系統的月塵防護方法綜述［J］.科學技術與工程，2007(20):5310－5315.

［13］孫旗霞，楊寧寧，肖志坤，等.駐波電簾除塵效率的實驗研究［J］.航天器工程，2012(3):72－79.

［14］沙曉琳.太陽能光伏組件表面清理裝置［P］.中國:CN102294339A，2010.06.28.

［15］劉雪蓮，劉幼海，劉吉人.一種具有透明薄膜太陽能電池的除塵裝置［P］.中國:CN102294339A，2010.06.28.

［16］朱建靜，王鋒，謝春雷，等.一種光伏除塵設備的調節機構［P］.中國:CN202683524U，2013－01－23.

［17］譚毅，馮兆麒.一種噴液式自動清洗太陽能電池板的裝置［P］.中國:CN202231046U，20.12.05.23.

［18］王志坤.太陽能板灰塵擦［P］.中國:CN202150473U，2012.02.22.

［19］王孝虎李勝祥.太陽能光伏供電系統中光組件用自動除雪、除塵裝置［P］.中國:CN202115546U，2012.03.07.

［20］高躍旗，趙青濱.一種光伏板除塵裝置［P］.中國:CN1031151420A.2013.06.12.

［21］張斌，張耀兵.智能太陽能電池板灰塵清除裝置［P］.中國:CN201887058，2011.06.29.

［22］侯力，黃成祥，樊慶文，等.機械傳動并行設計方法與實施技術的研究［J］.機械制造，2004(1):24－26.

［23］諸世敏，羅善明，余以道，等.帶傳動理論與技術的現狀與展望［J］.機械傳動，2007(1):92 －96，100.

［24］劉雪蓮，劉幼海，劉吉人.一種具有透明薄膜太陽能電池的除塵裝置［P］.中國:CN103022157A.2013.04.03.

［25］蔣永和，張麗，楊磊.一種光伏組件表面清障和遮陽一體化清潔刷［P］.中國:CN203150592U.2013.08.21.

［26］龔恒祥，巫江.光伏組件太陽能板除塵裝置［P］.中國:CN20310617U，2013.09.04.

［27］代飛順.太陽能電池板除塵裝置［P］.中國:CN 201893364U，2011.07.06.

［28］譚毅，楊振強.一種噴氣式自動清洗太陽能電池板的裝置［P］.中國:CN2021178289U，2012.0.3.28.

［29］周曉峰.一種太陽能電池板超聲波智能除塵及靜電除塵清潔裝置［P］.中國:CN2031124299U.2013.08.14.

［30］王鳳皋.基于新型太陽能光伏組件清潔系統的思考［J］.硅谷，2012，24:180 －181.

［31］謝丹.太陽能電站初遇“水危機”［EB/OL］.［2013－05－28］.http://www.infzm.com/content/103427.

［32］李興斯，譚濤.離散變量結構優化設計的連續化方法［J］.應用力學報，2007(1):26 －30，171.

［33］侯亞娟，王吉生，李愛峰，等.離散元法及其在鏟斗設計中的應用［J］.工程機械，2014(4):23 －29，91.

［34］錢躍飛.試論整體優化原則與協作溝通［J］.華北電力大學學報，1996(1):93 －94.

［35］王斯成.我國光伏發電有關問題研究［J］.中國能源，2007(2):7－11.