廣州博展園中屋頂光伏組件表面清洗方式的 研究與實踐

張元海，楊吉洲，魏啟強

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340；2. 徐聞粵水電能源投資有限公司，湛江 524100)

0 引言

我國整體的太陽能資源豐富，但存在分布不均的情況，總體呈現出西北地區的太陽能資源最豐富，東南、東北地區的太陽能資源較豐富，四川盆地的太陽能資源較一般的特征。從全國清潔能源電力的消納情況來看，其消納程度的分布基本與太陽能資源豐富程度的分布呈相反的情況，廣東省等沿海地區因經濟工業發達，清潔能源電力的消納情況最好。隨著清潔能源補貼政策的退坡及光伏發電平價上網的來臨，原有的有補貼的光伏電站相較于平價上網的光伏電站，現金流優勢凸顯。以屬于太陽能資源Ⅲ類地區的廣東省為例，該地區中于2016年“630”前發電的光伏電站享受補貼后的上網電價為1元/kWh[1]，而廣東省當前光伏發電平價上網的電價為0.453元/kWh[2]，因此在同樣裝機容量的情況下，于2016年“630”前發電的有補貼的光伏電站的現金流是2020年后平價上網光伏電站的現金流的2.21倍。因此，在相同的裝機容量下，原有的有補貼的光伏電站的運營效益提升空間較大。

在光伏電站的發電量消納良好的前提下，處于運營期的光伏電站提質增效的手段主要有以下2種：一是提高設備的完好率，保證光伏電站能夠持續發電；二是提高光伏組件表面玻璃面板的清潔度，以增加其接收的太陽輻射量。其中，提高光伏組件表面玻璃面板清潔度的關鍵在于光伏組件表面的清洗。

本文以廣州博展園屋頂分布式光伏電站中的光伏組件為研究對象，分別對化學清洗方式、單人半機械清洗方式、頑固污垢條帶紋清除方式等光伏組件表面清洗方式進行了研究分析。

1 項目概況

1.1 建設概況

廣州博展園位于廣東省廣州市黃埔經濟技術開發區，其屋頂分布式光伏電站分別由位于東區東樂路1號的博展物流園A區的建筑屋頂上的分布式光伏電站和位于筆崗新村大街22號的博展物流園B區的建筑屋頂上的分布式光伏電站組成。其中，博展物流園A區中有6棟鋼結構彩鋼瓦建筑，博展物流園B區中有7棟鋼結構彩鋼瓦建筑。

整個屋頂分布式光伏電站共安裝有35094塊多晶硅光伏組件，總裝機容量為9425.11 kW。其中，位于博展物流園A區的屋頂分布式光伏電站(下文簡稱“光伏電站A區”)安裝的是功率為270 W的多晶硅光伏組件，共計16192塊，裝機容量為4371.84 kW；位于博展物流園B區的屋頂分布式光伏電站(下文簡稱“光伏電站B區”)安裝的分別是功率為265 W和270 W的多晶硅光伏組件，共計18902塊，裝機容量為5053.27 kW。由于所有光伏組件均豎向平鋪于屋頂的彩鋼瓦上，因此光伏組件的安裝傾角與屋面的傾斜度保持一致，小于等于4°。

上述3種不同功率的多晶硅光伏組件的面積均相同，每塊光伏組件的面積約為1.6 m2，因此整個屋頂分布式光伏電站中光伏組件表面的總清洗面積約為56150.4 m2。

在上述屋頂分布式光伏電站運行期間，廣州博展園的屋頂與地面之間通過垂直爬梯進行連接，市政供水接駁至屋頂相應的用水點。

1.2 污染情況

1.2.1 污染源

廣州市的大氣污染主要由工業廢氣、二氧化硫、煙(粉)塵等組成[3]。自2013年全面實施GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中環境空氣污染物二級濃度限值以來，廣州市的環境空氣質量得到持續改善。2019年廣州市的環境空氣質量6項指標中，二氧化硫、一氧化碳、PM10和PM2.5的濃度均達標，而二氧化氮的濃度超標0.12倍，臭氧的濃度超標0.11倍[4]。

廣州博展園內的屋頂分布式光伏電站地處廣州市城區，光伏電站A區的西南方向建有已投產運營的鞍鋼聯眾(廣州)不銹鋼有限公司，如圖1所示，因此，該區域的光伏電站除了會受到常規的城市污染外，還會受到較嚴重的來自工礦企業的重金屬化學污染；光伏電站B區的周邊環境主要為倉庫區和建設用地，如圖2所示。

圖1 光伏電站A區與周邊環境的相對位置圖Fig. 1 Photo of relative location between A region of PV power station and surrounding environment

圖2 光伏電站B區與周邊環境的相對位置圖Fig. 2 Photo of relative location between B region of PV power station and surrounding environment

另外，由于整個屋頂分布式光伏電站中的光伏組件安裝傾角很小，因此自然降雨對光伏組件表面污染的清洗效果很小，且污染物極易在光伏組件表面積留。

1.2.2 污染在光伏組件表面的表現形式

光伏組件表面的污染形式主要為粉塵整體污染和頑固污垢條帶紋污染。這2種污染形式均存在于該屋頂分布式光伏電站中，如圖3、圖4所示。

圖3 被粉塵整體污染的光伏組件表面的實景圖Fig. 3 Actual view on surface of PV modules polluted by dust as a whole

圖4 光伏組件表面的頑固污垢條帶紋污染Fig. 4 Stubborn dirt stripe contamination on surface of PV modules

粉塵整體污染主要包括城市大氣中的汽車尾氣污染、建筑運輸揚塵污染、燃燒煙塵污染等，其表現形式是在光伏組件表面形成均勻分布的顆粒或片狀的灰塵積垢污染物。頑固污垢條帶紋污染會造成光伏組件表面玻璃面板的鍍膜層被腐蝕破壞，其形成原因是降雨后匯集于光伏組件表面底部的污垢與雨水在高溫、高濕條件下產生水解，水解生成的氫氧化鈉會腐蝕污垢所在部位玻璃面板的鍍膜層，同時水解生成的硅酸凝膠會附在玻璃表面；另外，太陽紫外線對鍍膜中物質部分離子鍵有較大的破壞作用。上述因素在工礦企業污染排放的催化劑下同時作用，加劇了光伏組件表面積水積垢區鍍膜層的損傷，反復多次后形成了頑固污垢條帶紋污染。

1.2.3 清洗的制度性安排

光伏組件必須及時清洗，根據GB/T 38335—2019《光伏發電站運行規程》中第6.3.1部分b)條款的要求：光伏組件表面的清洗方式，不應采用腐蝕性溶劑沖洗或利用硬物擦拭，冬季等特殊環境下應采用節水方式清洗[5]。針對上述要求，采用何種光伏組件表面清洗方式是本文論述的重點。

因此，光伏電站的運營單位應制定光伏組件定期清洗制度，并開展清洗技術的研究，以保障在光伏電站的運營期內光伏組件的發電量可維持在較高水平。

2 清洗方式及方法步驟

本文以廣州博展園屋頂分布式光伏電站中的光伏組件為例，研究了光伏組件表面的清洗方式。清洗方式主要包括化學清洗方式、單人半機械法清洗方式、頑固污垢條帶紋清除方式3種，下文將對這3種清洗方式分別進行詳細介紹。

2.1 化學清洗方式

化學清洗方式主要是采用市場上普遍在售的弱酸性溶劑對光伏組件進行抹擦清洗，無論是普通污垢還是頑固污漬及較長時間積淀的污垢，都需要通過人工抹擦清洗。該清洗方式的缺點是需要的人工量大、工作強度高[6]、安全防護要求高，且采用化學清洗方式產生的廢水會對周圍環境造成污染。

化學清洗方式的具體清洗方法為：首先按1:10的比例對弱酸性MJ-956光伏組件清洗劑加水進行稀釋，然后將稀釋后的溶液人工噴灑至光伏組件表面，待組件表面濕潤后，用常規的棉布拖把進行組件表面的擦洗。在清洗劑的溶解下，光伏組件表面的普通污垢較容易清除，但頑固污垢條帶紋上的灰白色頑固污垢無法清除；而且該清洗方式最為不利的一點是，由于無法解決清洗后的廢水收集問題，部分清洗廢水會流淌至屋頂的彩鋼瓦上，而廢水為弱酸性液體，會腐蝕鐵質彩鋼瓦的保護層，縮短屋頂彩鋼瓦的壽命。被弱酸性廢水腐蝕后的鐵質彩鋼瓦的保護層如圖5所示。

圖5 被弱酸性廢水腐蝕后的鐵質彩鋼瓦的保護層實景圖Fig. 5 Photo of protective layer of iron color steel tile corroded by weak acid wastewater

2.2 單人半機械清洗方式

單人半機械清洗方式主要包括電動刷洗法和電動滾抹法。

2.2.1 電動刷洗法

電動刷洗法是采用單人手持雙頭衡動力清洗機進行清洗作業，在分布于屋頂各點的市政水源點接駁供水。由于本屋頂分布式光伏電站采用的是生產生活混合性水源，水壓及來水量受倉庫區用水量的影響較大，所以采用該清洗方式時雖然前端采用了高壓泵加壓，但后端用水時的水壓、水量依然差強人意。

單人手持雙頭衡動力清洗機的電源采用人工背負式1200 Ah鋰電池供電，通常是利用非上班時間在地面的房間內對鋰電池充電，然后將其背至屋頂作業地點供使用。該清洗機采用雙輪電動滾刷，由2臺24V/150W直流電機驅動，采用人工手持式作業方式，手持設備的最大重量為4 kg。清洗機的作業模式可選無水刷掃法或帶水刷掃法。無水刷掃法適用于安裝傾角較大的光伏組件表面的清洗，粉塵清掃后可脫離玻璃面板，在自重的作用下滑至光伏組件表面底部的鋁合金邊框處；帶水刷掃法適用于類似水平安裝等緩坡的光伏組件表面的清洗，粉塵可伴隨水流流至低處并溢出光伏組件表面的鋁合金邊框，如圖6所示。

圖6 采用帶水刷掃法時的現場作業圖Fig. 6 On-site operation photo when using brush sweeping method with water

在實際清洗作業過程中，可以將上述2種作業模式相結合，一般先采用無水刷掃法，然后再采用帶水刷掃法，這樣可以在節約用水的同時達到較好的清洗效果。

2.2.2 電動滾抹法

電動滾抹法采用手持電動滾抹清洗設備進行清洗作業，其供水、供電方式與采用電動刷洗法時設備的供水、供電方式相同，滾動電機采用單機24V/250W直流電機，其作業范圍的直徑為2～8 m，當在8 m直徑的條件下，手持設備的最大重量為5 kg。

電動滾抹法時滾動電機的作業模式是帶水作業，利用百潔布容易清洗頑固污垢的特性，采用電動驅動清洗機的滾輪，滾輪上的帶水百潔布與光伏組件表面的玻璃面板接觸，從而清除玻璃面板上的粉塵、污垢等，部分污垢順水流出光伏組件的邊框，部分雜質進入百潔布里面。因此，采用該清洗方式時，百潔布體需根據清洗情況進行不定期地拆解清洗。采用電動滾抹法時的現場作業圖如圖7所示。

圖7 采用電動滾抹法時的現場作業圖Fig. 7 Oh-site operation photo when using electric rolling method

2.3 頑固污垢條帶紋清除方式

光伏組件表面的底部由于污垢長期殘留造成的頑固污垢條帶紋無法采用電動刷洗法或電動滾抹法予以清除，因此，清洗現場需要采用頑固污垢條帶紋清洗方式。

頑固污垢條帶紋清除方式主要包括人工干式打磨法和長桿平面水磨法。

2.3.1 人工干式打磨法

人工干式打磨法采用角磨機搭配特種纖維打磨片進行光伏組件表面污垢的人工干式打磨清除。在清除作業過程中，清洗人員站在或蹲在可移動工作平臺上，手持打磨機進行近距離作業。人工干式打磨法中的角磨機如圖8所示。該方法打磨過程中會存在粉塵飛揚的情況，因此打磨完成后需要對光伏組件表面進行沖水清洗并進行檢查。

圖8 人工干式打磨法中的角磨機Fig. 8 Angle grinder in manual dry grinding method

2.3.2 長桿平面水磨法

長桿平面水磨法是采用加長桿設計的自吸式平面打磨機進行人工站立打磨。該方法包括2個操作步驟：第1步為干磨吸塵法，即先用P300砂紙把光伏組件表面粗糙的玻璃面板表面打磨平整，可同步清除頑積污垢(見圖9)；第2步將打磨砂紙更換為P1200砂紙，進行精細化水磨，從而恢復光伏組件表面玻璃面板的光潔。

圖9 采用長桿平面水磨法清除頑固污垢條帶紋的現場圖Fig. 9 On-site operation photo of removing stubborn dirt strips by long rod plane water mill method

3 不同清洗方式的評價

采用各種清洗方式對該屋頂分布式光伏電站中的光伏組件進行工藝性清洗試驗后，發現各種清洗方式既有其獨特性又有相似性。比如，電動刷洗法和電動滾抹法雖然可以采用2～8 m伸縮桿進行操作，但受限于長桿操作時機具工作部位的重量輕的客觀情況，存在清掃時摩擦力較小且不能通過長桿實現加壓的現象。因此，各種清洗方式單獨采用時均不能完全解決光伏組件表面污染的清洗問題，需要組合使用。

3.1 化學清洗方式

采用化學清洗方式時，常規的弱酸性化學清洗劑僅能夠清除普通污漬，且其廢水具有腐蝕性，因此不適合用于鋼結構屋面上的光伏組件清洗，但對混凝土結構屋面上的光伏組件清洗可以在做好保護工作的前提下適當應用。進行化學清洗作業前，應對清洗人員技術交底并強調個人防護和環保意識。

3.2 電動刷洗法

電動刷洗法能夠清除一些非頑固性污漬，尤其適合清洗光伏組件表面玻璃面板上的粉塵類污染，在粉塵嚴重時可以先清掃再刷洗，耗水量指標可以控制在0.9 m3/MW；由于耗水量跟污染程度呈正相關，因此先清掃再刷洗不僅可以節約用水，還可以提高工作效率。另外，該清洗方式是單人單機在安全電壓下獨立作業，作業風險低。

3.3 電動滾抹法

電動滾抹法可以清除一些較頑固污漬，其可以作為輔助方法配合電動刷洗法使用，先清除易清除的大面積污垢后，再進行局部頑固污垢的清除。該清洗方式在保證安全作業的同時可節水、省力，能達到事半功倍的效果。

3.4 頑固污垢條帶紋清除法

無論是采用人工干式打磨法，還是采用長桿平面水磨法進行頑固污垢條帶紋的清除，都屬于物理破壞性方法，雖然長桿平面水磨法采用高目砂紙與水配合精細打磨玻璃面板表面可以達到近似鏡面的效果，但這2種方式都必然會對光伏組件的玻璃面板造成破壞，使其透光率下降。但該后果與由頑固污垢條帶紋形成后產生的光斑所帶來的組件安全隱患及壽命縮短風險相比，不如采用該清洗方式來對頑固污垢條帶紋進行清除以提高光伏組件發電量。針對如何解決由于污水長期積聚造成的頑固污垢條帶紋這一問題，可嘗試在光伏組件表面最低處的鋁合金邊框上開小槽進行排水，或在項目的光伏組件招標階段就提出在光伏組件出廠時需帶排水孔的要求。

4 幾種清洗技術的效益比較

研究人員于2019年11月13日-12月25日，采用上述幾種清洗技術對廣州博展園屋頂分布式光伏電站的光伏組件進行了全面清洗，總成本為22.5萬元。清洗后，2020年1-5月，該屋頂分布式光伏電站的發電量為278.2萬kWh，而2019年同期(未清洗時)的發電量為207.7萬kWh。按含補貼的光伏電價為1.13元/kWh計算，清洗后該屋頂分布式光伏電站的收益增加了57.1萬元。

5 結論

本文以廣州博展園屋頂分布式光伏電站中的光伏組件為研究對象，對光伏組件表面的清洗方式進行了研究分析，并對比了化學清洗方式、單人半機械法清洗方式、頑固污垢條帶紋清除方式3種清洗方式的清洗步驟及清洗效果。研究結果表明：

1)廣州市屬于較重污染地區，該地區的屋頂分布式光伏電站中光伏組件經清洗后發電量有顯著提高，發電量維持較高水平可覆蓋光伏組件的清洗成本。

2)單一的清洗工具和清洗方式不能滿足城區范圍內屋頂分布式光伏電站中的全部光伏組件表面清洗，要因地制宜地結合現場污染情況，選擇合適的清洗方式，并需要通過工藝性試驗來驗證所選工具和清洗方式的適用性。

3)目前國內屋頂分布式光伏電站中光伏組件的清洗工具、設備和方法研究的較少，需要進一步根據現場試驗情況，提高工具、設備的適用性和通用性，以達到合理選擇、使用清洗工具的目的；針對頑固污垢條帶紋的清除，目前尚無較好的方法，本文介紹的清洗方式只是過渡性替代方法。