分布式光伏的安全問題及清洗策略研究

石 杰，李繼安，丁志遠，黃溢文

1.華南理工大學 環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510000 2.幾何智慧城市科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

2007年，我國光伏建設(shè)進入了快速發(fā)展階段，為確保年發(fā)電量，必須保證光伏發(fā)電站光伏組件的穩(wěn)定運行。經(jīng)過調(diào)研得知，空氣中的污染物附著于光伏玻璃表面后，如果一年未清洗，直接造成發(fā)電量下降6%～8%。相應(yīng)地，誕生了光伏發(fā)電效益的運維市場。分布式光伏多數(shù)建設(shè)在工廠廠房、高樓頂部，而且運維清洗大多是人工清洗，高空作業(yè)事故屢有發(fā)生，因此需要探究一種智能安全的運維模式。

1 光伏發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究背景

國家“雙碳”目標提出以來，太陽能、風能、地熱能等清潔能源以“取之不盡，用之不竭”的特點得到業(yè)界青睞，以利用太陽能為主的光伏行業(yè)的未來發(fā)展被普遍看好。2021年是我國“十四五”規(guī)劃的開局之年、光伏全面平價的“啟航年”，以及邁向“碳達峰、碳中和”目標的起始年，光伏行業(yè)的發(fā)展得到了新政策的支持和全社會的關(guān)注。但是，在分布式光伏的快速發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了一系列問題，如安裝安全、運維安全、運維成本等問題。文章主要簡單介紹光伏行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時針對分布式光伏安裝及后期運維問題提出新的思考。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2001—2017 年，全世界光伏總裝機量自1.25 GW升至304.30 GW，年復合增長率達40.98%[1]。匈牙利光伏產(chǎn)業(yè)在2020年的光伏總裝機量達195 MW，比2016年增長73.1%[2]；比利時在2020年底累計光伏裝機量超過6 GW，而且這些電力幾乎全部來自住宅和商業(yè)光伏系統(tǒng)；美國2021年光伏總裝機量已超過100 GW，過去十年的年均增長率為42%，根據(jù)美國能源部發(fā)布的研究報告，到2035年，光伏將占美國電力供應(yīng)的40%[3]；法國2020年6月底的光伏累計安裝總量達10.3 GW；印度計劃，到2022年光伏裝機容量達100 GW，到2030年可再生能源發(fā)電能力達450 GW[4]；韓國能源機構(gòu)（KEA）發(fā)布的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年前三季度，新增2.82 GW光伏裝機量；印尼計劃到2030年新增4.7 GW光伏裝機量；澳大利亞計劃到2025年，在目前14 GW的基礎(chǔ)上，再安裝8.9 GW的太陽能電池板。

國內(nèi)，《關(guān)于2021年風電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》公開征求意見，首次提出到2025年，全國風電、光伏發(fā)電量占全社會用電量比重達16.5%左右的目標。截至2020年，中國光伏累計裝機量為252.8 GW。2019年，我國光伏發(fā)電量為1.172 2×1011kW·h。2021年上半年，全國光伏新增裝機量為1.301×107kW，其中，集中式光伏電站裝機量為5.36×106kW，分布式光伏電站裝機量為7.65×106kW[5]。2021年上半年，在光伏應(yīng)用市場方面，我國光伏發(fā)電裝機量為14 GW，分布式新增裝機同比增長97.5%[6]。到2025年，我國光伏行業(yè)新增裝機量將達110 GW，同比2020年增長128.22%。分布式光伏在經(jīng)濟效益持續(xù)提升的情況下，有望獲得較快發(fā)展，保持約50%占比。分布式光伏快速發(fā)展，將促進我國城市建筑節(jié)能向建筑產(chǎn)能轉(zhuǎn)變。光伏行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)一片欣欣向榮的景象。

2 分布式光伏發(fā)電模式概述

分布式光伏是具備“就地開發(fā)、就近利用”的特點，以用戶自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，以及通過配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施，如圖1所示。截至2021年9月，全國已有31個省（自治區(qū)、直轄市）及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團申報了整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案，并且已有676個整縣（市、區(qū)）被列為屋頂分布式光伏開發(fā)試點，總裝機容量將超過100 GW[7]。

圖1 分布式光伏

分布式光伏與建筑聯(lián)系緊密，“光伏+”各種應(yīng)用場景的分布式項目，包括光伏+交通、光伏+加油站、光伏+屋頂?shù)龋渲校蓓旊娬緸橹饕獞?yīng)用方式。分布式光伏與建筑的結(jié)合方式目前包括BAPV與BIPV兩種。其中，BAPV（Building-attached photovoltaics）指的是附著在建筑物上的光伏組件，這些光伏組件的主要功能是光伏發(fā)電，既不承擔建筑物的功能，也不破壞或削弱原有建筑物的功能，現(xiàn)在已建設(shè)的大多數(shù)光伏建筑一體化指的就是BAPV。BIPV（Building-integrated photovoltaics）是指光伏與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝，并與建筑物相結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)，也稱為“構(gòu)建型”和“建材型”建筑光伏，其既具有光伏發(fā)電功能，又能承擔建筑構(gòu)件和建筑材料的作用，可以更好地與建筑物融為一體。隨著分布式光伏的快速發(fā)展，大城市中的住宅樓頂、辦公屋頂和工廠廠房的屋頂都建設(shè)了大量的分布式光伏基站，為實現(xiàn)“碳中和”“碳達峰”貢獻力量。

3 分布式光伏的安全問題

3.1 房屋安全

我國房屋形式多樣，面積、朝向、材質(zhì)、設(shè)計壽命、荷載等各不相同，屋面的設(shè)計使用壽命可以決定光伏電站的使用壽命等。

3.2 安裝安全

通過調(diào)研了解到分布式光伏大多分布在工廠廠房，經(jīng)過40年的高速發(fā)展，許多工廠都是老舊房子，這給光伏安裝帶來安全問題。

3.3 電壓電流接入安全

在屋頂安裝大面積的光伏發(fā)電裝置后，產(chǎn)生的電流電壓可能對樓里的居住人員帶來安全隱患。

3.4 自然災(zāi)害安全

光伏板的耐風力不足，可能導致樓面震動；可能引來雷電，導致電流自動切斷，影響供電。

3.5 后期運維安全

當前，在建設(shè)光伏電站時考慮更多的是建設(shè)規(guī)模、年發(fā)電量，很少關(guān)注光伏電站建設(shè)后期如何維護或者維持發(fā)電量，而這才是效益保證的關(guān)鍵。

光伏電站從荒漠走向農(nóng)光、漁光、屋頂，在電站日常運維過程中攀爬必不可少，很多地面電站距離地面3～4 m，屋頂電站則更高，距離地面10～30 m，在日常運維過程中，往往需要通過爬梯攀爬。高度超過2 m，則屬于高空作業(yè)。對于屋頂電站，很多廠房的爬梯沒有任何安全護欄，爬梯均裸露在空氣中，易出現(xiàn)生銹腐蝕現(xiàn)象，運維人員在上下爬梯時，稍有不慎，將造成意外安全事故，安全隱患大。同時，廠房頂棚四周無安全護欄，在四周邊緣行走時，稍有不慎，容易失足墜落。例如，廠房頂棚安裝塑料彩光瓦，日曬雨淋的彩光瓦早已老化發(fā)脆，承重能力不足，大部分彩光瓦上不設(shè)人行走的通道，同時沒有醒目的警示標識，踩到彩光瓦上，就可能發(fā)生墜落。如果運維人員需要長時間戶外工作，在高溫天氣中，長時間的高溫、高強度工作很容易導致其中暑或身體不適。可見，解決分布式光伏運維安全問題十分重要。

4 分布式光伏的運維難點

分布式光伏除了安全問題，還存在很多運維難點，主要是環(huán)境污染物引起的發(fā)電效率下降。電站的發(fā)電量是衡量光伏發(fā)電系統(tǒng)最終性能的指標，而組件上的灰塵是影響發(fā)電量的重要因素之一。由于電站主要在室外工作，時間久了，光伏表面不可避免地會被污染，如被灰塵、油污、鳥糞等遮擋。同時，空氣中存在大量灰塵，沉積在光伏板上的灰塵對光的漫反射和積累會導致組件前蓋玻璃的透光率降低，從而導致透光率下降，而且灰塵沉積的濃度越大，透光率越低，從而使組件吸收輻照度越低。鳥糞、樹葉等如果覆蓋在光伏組件表面，輕則降低發(fā)電量，重則產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，不僅不能發(fā)電，還會成為用電負載，甚至導致整個光伏組件報廢。

5 傳統(tǒng)的運維清洗方法

目前，針對環(huán)境污染物引起的發(fā)電效率下降的痛點問題，光伏電站常用的方法是清洗，而清洗方法主要分為人工清洗和機器人清洗兩大類。

5.1 人工清洗

目前使用最廣泛的方式為人工清洗，人工清洗靈活多變，成本低。但人員不易管理，清洗效率低下，清洗過程難以把控，質(zhì)量低下。針對帶有自動光源追蹤裝置的電站，人工清洗難度大，甚至無法開展清洗工作；對于廠房頂電站，光伏板鋪滿整個房頂，未預(yù)留人行通道，人員無法正常清洗，甚至為了貪圖方便，站在光伏板上面行走清洗，高空清洗作業(yè)操作不便，危險性較大。

5.2 機器人清洗

目前使用的機器人清洗也未完全脫離人工清洗的范疇，由于光伏電站所處地理環(huán)境及鋪設(shè)角度的特殊性，清洗機器人在安裝不平整的光伏板上運行時，會出現(xiàn)機器人無法正常歸位的現(xiàn)象；機器人在光伏板上行走會使玻璃產(chǎn)生微小形變，從而使電池片產(chǎn)生隱裂，加大組件的效率衰減；每個支架系統(tǒng)都需要配備一個機器人，造價過高。

6 分布式光伏清洗策略

針對上述環(huán)境污染物引起的發(fā)電效率下降的痛點問題，科研工作者開發(fā)了很多自清潔鍍膜材料來減少污染物的附著。例如，Kaibn等[8]將SiO2/TiO2復合薄膜用于玻璃，實現(xiàn)自清潔和減反射功能；Rizgyandhaka Artha等[9]在玻璃等材料表面涂覆一層TiO2，使其免受污染物、灰塵的影響；許浩等[10]利用在線浮法玻璃生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)，采用化學氣相沉積技術(shù)（CVD），在玻璃表面生成永久性、納米結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜，在雨水沖力作用下，污物不易附著表面，可以自動脫落，實現(xiàn)玻璃自潔凈功能。這些涂層材料具有良好的自清潔效果，但是大多數(shù)局限于實驗室的研究，離實際的應(yīng)用仍有很大距離。例如，需要克服不同環(huán)境污染源、長時間紫外輻射的影響，存在仍需水沖洗等問題。

在光伏玻璃涂上一層自潔凈材料之后，不能僅靠自然的雨水沖刷實現(xiàn)清潔，因為有的地區(qū)一個月甚至更長時間不下雨，導致灰塵的積累非常厚實，就算再下雨，也帶不去灰塵，從而影響光線的透過率和整體的發(fā)電率。針對這種現(xiàn)象，文章提出一種新的解決思路——自清潔材料+智能監(jiān)控系統(tǒng)。具體而言，是在光伏玻璃涂上自潔凈材料之后，加上一套自動噴淋系統(tǒng)和灰塵監(jiān)控系統(tǒng)。其工作原理為通過灰塵監(jiān)控系統(tǒng)檢測光伏表面的積灰厚度，在灰塵積累到一定程度后開啟噴淋系統(tǒng)，從而解決光伏分布式清潔運維的難點問題。

7 結(jié)束語

隨著分布式光伏的快速發(fā)展，分布式光伏表現(xiàn)出各種安全問題。同時，分布式光伏的運維難點是污染物導致的發(fā)電效率下降，文章在已有研究的基礎(chǔ)上提出一種新的運維清洗思路——自清潔材料+智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以為分布式光伏運維提供一定參考。