氦氣球懸浮管道光伏組件清洗方式的應用研究

閆小龍 1 ， 馬小芳 2

（1.三峽新能源清水發電有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.中國三峽新能源（集團）股份有限公司西北分公司，甘肅 蘭州 730050）

大規模集中式光伏電站一般位于自然環境較為惡劣的偏遠地區，例如甘肅的河西走廊，青海、新疆、內蒙的荒漠戈壁。這些地區多風沙且距離水源地較遠，光伏電站的裝機動輒數百兆瓦，組件數量非常巨大，少量降雨的沖刷難以實現對組件的清洗。即便有充足的水源、設備和人力，要完成一次如此大規模的清洗，其龐大的工作量也難以想象。而且天氣的變化可能導致清洗工作反復進行，這就迫切需要一種高效、經濟的清洗方式[1]。

1 常規光伏組件清洗方式

針對光伏組件表面積塵的清潔問題，國內光伏電站主要采用設備清洗的方法，主要形式有人工清洗、設備清洗和清洗機器人智能清洗等。

人工清洗為最原始、最直接的組件清洗方式。通過清掃或水洗對組件進行清潔，往往需要借助各種工具開展工作，對于裝機容量較大的電站，需要 雇傭大量的勞務工人進行此項工作。清洗效率低下，清洗效果不一致，還可能對 組件表面產生損傷，從而影響組件壽命。

清洗設備主要有兩種：一種是由水車搭配噴淋設備發展而來；一種是旋轉的刷頭配合給水設施發展形成的集成式清洗車，其包含水箱、清洗機構、液壓機構、給水機構。這兩種設備成本較大，尤其是設備的一次性投入資金過大[2-3]。

近年來，組件清洗技術也有了很好的發展，為提高清洗光伏板表面灰塵的效率，人工智能也被引入到組件清洗設備的生產制造中，并出現了組件清洗機器

人，用以徹底清理光伏板表面的灰塵及污垢，以提升發電效率，其方式是在電站每排光伏板中安裝一臺光伏板清洗機器人，機器人自動定期清掃，無人值守[4]。常見組件清洗模式如表1所示。

表1 常見組件清洗模式對比分析

2 氦氣球清洗方式的原理和技術方案

2.1 基本原理與構造

整個清洗結構由動力機構、水箱、高壓水泵、壓力表、管道、氣球、噴頭、備用氦氣及其他附件構成。

動力機構：動力機構可由常見的灑水車、拖拉機等牽引車輛提供。

水箱：可直接使用灑水車或者根據牽引動力車輛的構造單獨配備水箱。

給水泵：常用高壓水泵。

壓力表：保證水壓不超過管道及噴嘴的額定工作壓力。

氦氣球：根據滿水管道的重量選擇合適的可反復充氣使用的、較為安全的氦氣。

管道：選擇輕質耐高壓且與泵壓力匹配的管道。

噴嘴：選用扇形噴嘴。

2.2 技術方案和應用模式

1）噴嘴的選用。噴嘴是一種較為成熟的產品，市面上噴嘴的種類繁多，用于清洗的噴嘴一般選用扇形噴嘴。根據噴嘴的規格參數，并在滿足清洗效果的前提下，需考慮噴嘴的安裝數量、安裝間距，且直接影響到噴嘴的噴射角度、噴射距離和覆蓋范圍。噴嘴的覆蓋范圍的理論數值是假定噴射角度在整個噴射距離范圍內保持不變，根據噴嘴夾角及組件與噴嘴之間的距離計算得出的[5]。如圖1所示。

圖1 理論覆蓋范圍與噴射角度的關系圖

在清洗光伏組件時，對噴嘴離組件的距離沒有嚴格規定，但是，噴嘴口離組件太近的話，會影響清洗寬度；離組件太遠，則達不到去污清潔效果。因此，一般選擇噴嘴口離組件距離200 mm～300 mm。綜合上述因素，常規選擇以扇形噴嘴60°噴角、離組件高度不低于250 mm為宜，此時組件清洗理論覆蓋范圍為280 mm。

扇形噴嘴與組件的接觸面可理解為一條直線，且邊緣位置略微變窄，因此，為保證清洗時有較大的覆蓋范圍和良好的清洗效果，相鄰噴嘴的扇形邊緣應有合理的重 疊，從而獲得均勻的、全面覆蓋的效果面。安裝噴嘴的常規使用要求，噴嘴的 噴射寬度應重疊1/3～1/4。并根據噴射角度和扇形噴嘴的特性，可計算出理論覆蓋范圍約 280 mm，相鄰噴嘴安裝距離為190 mm～220 mm。

2）高壓水泵的選擇。為保證系統工作壓力和流量符合設計要求，并考慮輸水距離以完成長距離清洗任務。高壓水泵擬選用工作壓力≤10 MPa、流量約600 L/h的柱高壓塞泵。

3）輸水管道的選擇。為保證系統壓力，首先應滿足管道的壓力要求。按照壓力需求，管道應該選用高壓管道，管道采用分段安裝的方式，可靈活調整輸水和清洗距離。根據水泵的選型和噴嘴的特性要求，同時需要管道質量輕，具有柔軟性良好、壓力損失小的特點。依據這些特性，輸水管道選用PU夾紗管，PU夾紗管可承受的壓力是單層PU管的1.8倍。市場上常見的PU夾紗管技術參數，如表2所示。

表2 PU 夾紗管技術參數表

水管材質：聚氨酯，增強纖維網。

水管規格： 10 mm（內徑），14.5 mm（外徑）。

長度：輸出管總長20 m，分段長度約0.2 m 。

常用壓力：2 MPa～6 MPa。

采用該模式進行光伏組件清洗，成本低廉，效率高，效果好。在設計上，假如管道長度為20 m，安裝100個噴嘴，那么理論上每小時清洗量可達100余畝，每天正常清洗量可達1 000～1 500畝。由此想到，采用這種方式在配備足夠壓力的泵、相匹配的管道、足夠多的氣球時，清洗范圍可以無限延長，因管道懸空，只需兩頭有少量的牽引力就可實現大范圍的組件清洗目標，并可延伸出單向清洗方式和雙向清洗方式兩種模式。

除這兩種模式外，還可根據光伏區道路進行縱向清洗工作[6-10]。

3 小結

利用氦氣球進行組件清洗的模式有以下優缺點：

1）優點。一是成本低廉，關鍵構件為車輛、水箱、管道和氣球，一次性投入可反復、長久使用，比常規清洗設備價格便宜；二是操作方便，需用的人工少，2～3人即可完成；三是一次性清洗范圍大，清洗效率高，效果好；四是用水量小，采用多個噴頭同時進行清洗，噴灑均勻，不會浪費水；五是靈活性較強，可根據實際需要調節清洗水管的長度。

2）缺點。一是因采用氦氣球，需要做好防火防爆措施；二是受刮風等天氣因素影響較大；三是為避免對組件產生陰影遮擋，應將清洗作業安排在下午5點以后實施。

3）綜上所述，采用以氦氣球懸掛管道進行光伏組件清洗的方式是可行的，且相比于常規形式的清洗方式，其具有顯著的優勢。