光伏組件清洗無人船系統在水上 光伏電站中的應用

楊詠林，張天保，桂小宇，邵宇平，陳 剛，潘瑞蕾

(1. 四方智能(武漢)控制技術有限公司，武漢 430014；2. 安徽省國家電投和新電力技術研究有限公司，合肥 230088； 3. 安徽省瑞鼎電子技術有限公司，合肥 230088)

0 引言

光伏電站通常建設在地域開闊、陽光充足的露天環境，運行一段時間后，光伏組件表面會累積大量灰塵、落葉、鳥糞等污物，這些都會嚴重影響光伏組件對太陽能的吸收和電能轉化，不同的污物累積對光伏組件光電轉換效率造成的損失可達5%～24%[1-3]。在這些影響光伏組件光電轉換效率的污物中，頑固灰漬、鳥糞及雨水灰印等遮擋物會在光伏組件上形成局部陰影，導致其局部產生溫升，形成熱斑效應，使光伏組件的實際使用壽命至少減少10%[4-5]。

隨著光伏行業新政的推行，光伏電站步入精細化運營階段，必須使光伏發電系統的發電效率最大化，才能在最短時間內收回投資成本并創造最大收益，因此，定時、及時對光伏組件進行清洗是提升光伏發電系統發電效率的有效途徑之一。

目前國內外已有的針對在運地面光伏電站中光伏組件的清洗方式，按照其自動化水平大致可分為3類：人工清洗方式、半自動清洗方式和自動清洗方式[6]。其中，人工清洗方式包括干洗方式和水洗方式；但人工清洗方式的清洗效率低、清洗周期長、人力成本高，并且存在人身安全隱患。半自動清洗方式以工程車輛為載體，設備功率大、清洗效率較高，但該清洗方式對光伏陣列的高度、寬度，以及陣列間路面狀況的要求較為苛刻。自動清洗方式采用清洗機器人進行清洗，與前2種清洗方式相比，該清洗方式具有清洗效率高、人工費用低、安全性好等諸多優勢[7]。

對于水上光伏電站中光伏組件的清洗，目前尚未見采用自動清洗方式的報道，一般是通過自然降雨的方式來完成光伏組件的清洗，因此清洗時間和效果不可控；也有水上光伏電站采用人工清洗的方式來完成光伏組件的清洗，但清洗效率較低、人力成本高、清洗操作不方便且存在安全風險。

無人船(unmanned surface vessel，USV)是一種新型的水上自動化作業平臺，是依托小型船艇，利用導航定位、環境感知和自主決策控制技術，根據水上作業的需要搭載各種應用載荷的水上自動化作業平臺，可以進行遙控或者全自主航行。目前，無人船已在水文測繪、水下搜索、水環境監測及軍用等多個領域得到了推廣應用[8]，但將無人船應用于水上光伏電站中光伏組件的自動清洗，目前國內外尚未見相關報道，是無人船應用領域的一個重要創新。采用無人船自動清洗光伏組件不僅可以提高光伏發電系統的發電效率，還可以延長光伏組件的使用壽命，可為水上光伏電站創造可觀的經濟效益。

本文針對水上光伏電站中光伏組件的清洗作業需求，介紹了一種光伏組件清洗無人船系統，并對該系統在國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站中開展的實際應用進行了分析，然后對采用與未采用光伏組件清洗無人船系統清洗的光伏陣列區的發電量進行了對比試驗，以驗證光伏組件清洗無人船系統的清洗效果及可用性。

1 光伏組件清洗無人船系統介紹

本文介紹的無人船系統為四方智能(武漢)控制技術有限公司自主研發的光伏組件清洗無人船系統，該系統搭載了噴淋系統、激光雷達、水深傳感器、溫度傳感器和PH值傳感器等設備。

光伏組件清洗無人船系統的硬件由2個部分組成，分別為岸基集控中心和清洗無人船；軟件采用岸基集控軟件。

1)岸基集控中心部署在光伏電站監控大廳，通過公網與清洗無人船上的4G電臺進行雙向通信，傳輸現場圖像、狀態數據和控制指令。

岸基集控中心由操作臺、控制手柄、臺式機、顯示器和通信網關組成，并安裝有岸基集控軟件，可集中管理20個清洗無人船，實時顯示清洗無人船的經緯度、航速、航向、電量和實時視頻，并可以顯示光伏組件的清洗狀況。水上光伏電站作業人員可通過集控中心向清洗無人船下發控制指令，比如：設定清洗無人船的航線和航速、調整噴淋機構的噴射高度和噴射角度等，還可以通過操作臺的控制手柄遠程遙控清洗無人船的航行。

2)清洗無人船為光伏組件清洗無人船系統的主要組成部分，可實現自主航行并執行光伏組件清洗任務。

清洗無人船由鋁合金船體、動力電池及電池管理系統(BMS)、推進器、主控制器、噴淋系統、感知設備及水體監測傳感器組成。其中：動力電池采用安全性能較高的磷酸鐵鋰電池，支持直流快充，可在2 h內完成充電。噴淋系統由水泵、高壓水炮和噴頭組成，可通過集控中心遠程調節高壓水炮的噴射高度和噴射角度；通過該噴淋系統可自動、連續作業8 h，單次作業航程可達30 km，覆蓋水域約300畝(1畝約為666.67 m2)。感知設備包括位于船體前、后的2個攝像頭和位于船頭的1個激光雷達，均可實時傳輸清洗無人船運行環境圖像和噴淋區域圖像；激光雷達還用于避障，以及自動引導清洗無人船沿著航道的中線安全航行。清洗無人船的實物圖如圖1所示。

圖1 清洗無人船的實物圖Fig. 1 Images of cleaning USV

2 光伏組件清洗無人船系統的應用

該光伏組件清洗無人船系統已經在國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站中開展了實際應用。下文對該系統的應用情況進行介紹，并對采用與未采用光伏組件清洗無人船系統清洗的光伏陣列區的發電量進行對比，對光伏組件清洗無人船系統的清洗效果進行驗證。

2.1 任務區概況

國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站位于安徽省淮南市，由國家電力投資集團有限公司投資建設，占水域面積約7000畝，規劃裝機容量為154 MW，年均發電量為19200萬kWh，是目前華東地區已建成的最大單體水上光伏發電項目。該水域水深為1～3 m，清洗無人船航行通道的寬度為6 m。

在采用光伏組件清洗無人船系統之前，該水上光伏電站采用人工清洗方式(即人工操作噴淋)對光伏組件進行清洗。該清洗方式是在常規的5 m快艇上安裝汽油發電機、潛水泵和高壓水炮，組成人工清洗船進行清洗操作。雖然人工清洗船的成本比較低廉，但是由于高壓水炮噴水的側向推力作用，船體比較難以操控，需要頻繁調節航向，導致操縱人員的配合難度高、工作強度大、清洗效率也比較低。另一方面，由于人工清洗船采用汽油作為燃料，燃料采購及儲存都非常不方便，同時也存在較大的安全隱患。

2.2 光伏組件清洗無人船系統的應用

由于國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站有部分區域清洗無人船無法正常航行，因此在對整個水上光伏電站的水面情況進行現場勘查后，選擇出清洗無人船可通行的所有區域，然后在岸基集控軟件上依據電子地圖和光伏支架基礎樁樁位圖劃分出7個可采用光伏組件清洗無人船系統進行光伏組件清洗的清洗任務區，裝機容量共計62 MW。這7個清洗任務區的劃分示意圖如圖2所示，圖中綠色部分即為需清洗的區域。

圖2 采用光伏組件清洗無人船系統的 清洗任務區劃分示意圖Fig. 2 Schematic diagram of division of cleaning task area of PV modules cleaning USV system

根據這7個清洗任務區中光伏陣列的位置和光伏組件的朝向，采用岸基集控軟件自動規劃出11個自動清洗任務，并在每個自動清洗任務中對清洗無人船的行駛航線和每段航線的航速、噴淋角度、噴淋高度進行設置，在自動清洗過程中，清洗無人船可根據光伏組件的朝向自動調整噴淋方向和角度。

在光伏組件清洗無人船系統首次投入使用的過程中，清洗無人船歷時9天完成了11個自動清洗任務，累計航行45 h，總航行里程約為166 km；其運行過程中完全自主作業。清洗無人船完成自動清洗任務的清洗時長和航行里程統計如表1所示。

表1 清洗無人船完成自動清洗任務的 清洗時長和航行里程統計Table 1 Statistics of cleaning duration and sailing mileage of cleaning USV completing automatic cleaning task

2.3 發電量對比試驗

采用對比試驗對光伏組件清洗無人船系統的清洗效果進行驗證。試驗時間選擇11月中旬，為了減少風力等影響因素的干擾，選取2個裝機容量相同且相鄰的光伏陣列區，以其中1個未采用光伏組件清洗無人船系統進行光伏組件清洗的光伏陣列區作為對比區域。這2個光伏陣列區在試驗當天之前一周內的每日發電量偏差小于0.5%，試驗前無雨天氣持續了26天；2個光伏陣列區的試驗條件基本一致。2個光伏陣列區的參數情況如表2所示。

表2 2個光伏陣列區的參數情況Table 2 Parameters conditions of two PV array areas

試驗當天，采用清洗無人船對049#試驗區域進行光伏組件自動清洗，051#對比區域未進行光伏組件清洗；以清洗當天作為第1天，對清洗后049#試驗區域和051#對比區域連續8天的日發電量進行統計，并計算2個光伏陣列區的發電量差值百分比(即試驗區域比對比區域多發電量占對比區域發電量的比例)。對比試驗的具體數據統計如表3所示。

發電量差值百分比即為發電量提升比例，從表3可以看出，除去陰雨天氣的情況，采用光伏組件清洗無人船系統對光伏組件進行噴淋清洗后，光伏陣列區的發電效率提升明顯，發電量提升比例基本超過2%。從第6～8天這2個光伏陣列區的發電量數據可以看出，采用光伏組件清洗無人船系統對光伏組件進行清洗后，即使再下小雨，該清洗方式的發電量仍然有明顯優勢。

表3 對比試驗的具體數據統計Table 3 Statistics of specific data of comparative test

3 結論

本文介紹了一種光伏組件清洗無人船系統，并對其在國家電投淮南窯河200 MWp“漁光互補”光伏電站中的應用進行了說明。光伏組件清洗無人船系統完成了設計規劃的11個自動清洗任務，對62 MW光伏組件完成了自動清洗，累計航行45 h，總航行里程約為166 km，充分驗證了該光伏組件清洗無人船系統的可靠性和可用性。通過對比試驗對光伏組件清洗無人船系統的清洗效果進行驗證，試驗結果表明：光伏組件清洗無人船系統實現了水上光伏電站中光伏組件表面積灰的清洗，且該清洗方式高效、經濟，可滿足水上光伏電站現場清洗作業的需要；對于積灰超過20天的光伏組件，使用清洗無人船進行噴淋清洗后，可使光伏組件的光電轉換效率得到明顯提升，光伏陣列區的發電量提升比例基本超過2%。