淺談光伏組件清潔方法與展望

汪繼偉　徐立軍　黃鵬

【摘 要】針對光伏組件表面積塵的清潔問題，綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究成果。介紹了研究光伏組件清潔的必要性，闡述了光伏組件清潔的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前應(yīng)用較為廣泛的光伏表面除塵方法，比較了它們的優(yōu)缺點及光伏組件清潔領(lǐng)域的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】光伏組件；積塵；除塵

0 引言

近年來，隨著我國光伏電站規(guī)模的不斷擴大，光伏組件表面積塵的清潔問題日益突出，已成為光伏發(fā)電企業(yè)急需解決的難題，制約著光伏發(fā)電企業(yè)的電能轉(zhuǎn)換效率。據(jù)NASA研究表明，每平方米范圍內(nèi)僅4.05克塵埃將造成太陽能轉(zhuǎn)換電能比例降低高達40%[1]。光伏電站業(yè)主只有做到定期清洗，才能為太陽能轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定提供保障。就當前光伏電站光伏組件表面清潔次數(shù)而言，對于空氣相對于清潔而潮濕的內(nèi)蒙古每一年達到五次。而對于我國西部嚴重缺水的青海、甘肅、新疆等較干旱地區(qū)，部分電站每年需要清理多達數(shù)十次，極大地提高了光伏電站運維成本。可從兩方面著手解決以上問題，國內(nèi)外對太陽能光伏組件表面的清潔研究主要體現(xiàn)在機械除塵方面，而電簾除塵技術(shù)尚未實現(xiàn)廣泛推廣，僅應(yīng)用在要求更高的航空航天領(lǐng)域。

1 國內(nèi)光伏組件清潔現(xiàn)狀

我國光伏電站一般位于自然環(huán)境較為惡劣的偏遠地區(qū)，沙塵天氣相對較多。尤其對于我國西北地區(qū)的大型地面電站而言，多數(shù)位于周邊植被非常稀少，風(fēng)沙天氣頻率較高的荒漠地區(qū)。該地區(qū)的光伏電站不僅臨著遠離水源地，降水量較少，而且地下水也十分匱乏，通過雨水自然沖刷和消防水車難以實現(xiàn)對光伏組件及時有效的清洗。光伏電站的裝機規(guī)模主要分布在數(shù)十兆瓦乃至數(shù)百兆瓦之間，其占地面積通常達數(shù)平方千米，電池板數(shù)量更是高達上萬塊乃至數(shù)十萬塊，即便有充足的水源、設(shè)備和人力，要完成一次如此大規(guī)模的全面清洗，其龐大的工作量也難以想象[2]。

針對光伏組件表面積塵的清潔問題，國內(nèi)主要采用是機械除塵的方法，又可將其分為人工清潔、高壓水槍清潔和專業(yè)清潔設(shè)備等方式。根據(jù)三種不同清潔方法，本文分別從設(shè)備成本、人工成本、消耗水量、清潔效率等方面進行對比分析。

1.1 人工清洗

（1）人工、設(shè)備成本：據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，1兆瓦光伏組件約6600平方米，每人每天可清洗100平方米，一位工作人員需要66天。按每人每天80元估算，1兆瓦組件清洗一次的人工費用為5280元。按1個月清洗3次估算，1兆瓦每年的人工費用高達19萬元。

（2）優(yōu)點：用水量與費用相對較低，1兆瓦每次清洗的用水量約1噸，并能夠解決部分人員的就業(yè)問題。

（3）缺點：不易實現(xiàn)對眾多人員的管理；難以保證清潔效果的一致性；清洗效率偏低；對光伏組件表面有磨損，對透光率和壽命產(chǎn)生一定影響。

1.2 專業(yè)清洗設(shè)備

（1）人工、設(shè)備成本：清潔設(shè)備一次性投入資金過大。

（2）優(yōu)點：1兆瓦每次清洗用水量約5噸，相對節(jié)水；清洗效率高，清洗效果好。

（3）缺點：對光伏電站地面要求較高，否則移動設(shè)備難以實現(xiàn)清潔；若清潔車輛非直線運動，組件收到的壓力大小不均，可能損壞組件，故需要配備專業(yè)的人員完成操作。

2 國外光伏組件清潔發(fā)展現(xiàn)狀

針對光伏組件表面的積塵問題，國外從多方面著手研究，目前在電簾除塵和機械除塵方面，已經(jīng)取得一定的成果。

2.1 電簾除塵

電簾除塵技術(shù)在火星、月球等領(lǐng)域的研究，主要集中在美國日本以及歐洲地區(qū)的研究機構(gòu)。截止目前，該項技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的太陽能光伏系統(tǒng)已經(jīng)得到成功應(yīng)用。例如，2010年，NASA研究小組在火星空間任務(wù)原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功研制出一款具備自動除去太陽板表面灰塵的太陽能電池板[3]。該電池板不但能夠提高光能發(fā)電效率，而且能夠完成表面的自動清潔，很大程度上減少了大型太陽能電池板清潔的維護費用，不僅清潔效率較高，而且可以實現(xiàn)無水化清潔，尤其適用于地處我國西北荒漠戈壁地區(qū)光伏電站。但應(yīng)用該技術(shù)總體成本較高，目前難以應(yīng)用在在大規(guī)模光伏電站。

2.2 機械除塵

光伏組件表面機械除塵方面， 2013年，日本未來機械公司提出能夠清除灰塵與顆粒的方案，該方案由未來機械公司與香川大學(xué)共同研制出的一種清理沙塵機器人，該清掃裝置重約10.9千克，對角線長度約0.56米，充滿電可持續(xù)為電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電刷進行清潔工作兩小時，在干旱地區(qū)的清潔效果可達到人工清潔程度。2013年11月，美國太陽能公司Sun-Power為解決旗下電站清洗耗水的問題，專門收購了一家制造清洗機器人公司，據(jù)稱該機器人可減少大約90%的用水量。

2014年3月，日本Sinfonia Technology公司研制的新型清潔機器人，不僅具備可將光伏組件表面自動清潔干凈的優(yōu)點，而且擅長清潔角落處沉積的沙塵。該清潔機器人將紡板刷、刮刀與內(nèi)部的洗滌劑儲存器實現(xiàn)巧妙組合，清洗灰塵的效果十分理想，而且每小時清洗面積高達304.8平方米。該機器人甚至太陽能面板自動傾斜至30度時實現(xiàn)清洗。但其僅可以應(yīng)用在差距小于50.8cm的跨度，實現(xiàn)從一塊光伏組件面板爬到另一塊面板上，完成清潔工作[4]。采用這種先進的清掃方式，可清除光伏組件表面沉積的沙塵量的99%。但以上幾種光伏組件表面清掃機器人無法滿足我國多數(shù)光伏電站光伏組件不在同一平面安裝的需要。

3 展望

隨著太陽能光伏電站規(guī)模不斷擴大，針對太陽能光伏組件表面清掃技術(shù)的研究力度也會不斷加強。近年來我國也取得了一定成果，例如2014年9月，青島昱臣智能機器人企業(yè)研發(fā)的國內(nèi)首個無水清潔太陽能光伏電板的智能機器人，體積十分龐大外形與挖掘機相似。該智能機器人每小時能清潔8000平方米，其效率約是人工清潔的十倍，填補了國內(nèi)外光伏清潔領(lǐng)域的多項空白，關(guān)鍵技術(shù)已達到國際領(lǐng)先水平[5]。相信今后不斷會有新的技術(shù)、新的清掃機器設(shè)備，加入到光伏組件的清掃行列中來。經(jīng)綜合分析可知，比較理想的光伏組件清潔設(shè)備應(yīng)具有良好的清潔效果、清潔過程中不會損壞光伏組件并不傷害操作人員、噪音低且不會再次產(chǎn)生粉塵漂浮、清潔能力強且體積小、電量消耗少、針對光伏組件材料而開發(fā)。太陽能光伏組件的清潔，綜合來講今后將會朝向智能化、專業(yè)化、無水化、低功耗、小體積等方向發(fā)展。

4 結(jié)語

我國的光伏發(fā)展速度處于世界前列并已初具規(guī)模，國家政策支持及時到位，為大力發(fā)展我國光伏事業(yè)奠定了堅實基礎(chǔ)。針對現(xiàn)階段光伏發(fā)展所面臨的問題，給出以下建議：首先政府要繼續(xù)為光伏發(fā)展提供切實可行政策支持。其次要實現(xiàn)光伏發(fā)電裝置國產(chǎn)化及自主研發(fā)能力，為光伏發(fā)電的順利進行掃清技術(shù)障礙。三是要引進技術(shù)，因地制宜，結(jié)合我國的具體情況針對不同的地區(qū)選擇與之相適宜的建設(shè)規(guī)模。四要根據(jù)光伏電站的實際情況，研制出能夠解決光伏組件表面的積塵問題。以上問題的有效解決，更有助于我國光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

【參考文獻】

[1]岑先富，朱超林.光伏組件積塵對發(fā)電量的影響及自動清潔經(jīng)濟效益研究[J].太陽能，2013（21）：45-48.

[2]魏宇平.魏宇平的光伏電站清洗大“路演”[J].太陽能發(fā)電，2013（9）.

[3]高凌云.太陽能電池板除塵新技術(shù)[J].現(xiàn)代物理知識，2010（5）：52.

[4]孫青青.Sinfonia新型機器人清潔工 自動清潔太陽能面板[OL].中國清潔門戶，2013（3）.

[5]婁花.青島研制出清潔太陽能發(fā)電板的機器人[OL].中國機床商務(wù)網(wǎng)，2014（9）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]