光伏組件清潔裝置專利技術研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.001

摘" 要：光伏組件是實現太陽能發電的重要功能單元，而光伏組件表面的清潔度對光電轉換率有重要影響。該文以光伏組件清潔裝置的專利文獻作為研究對象，統計該領域的高頻被引文獻，介紹典型技術方案，并梳理重要申請人，分析其專利技術分布。

關鍵詞：光伏組件；清潔裝置；太陽能；專利文獻；典型技術方案；申請人

中圖分類號：T18" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0001-05

Abstract： Photovoltaic modules are important functional units for solar power generation， and the cleanliness of the surface of photovoltaic modules has a significant impact on the photoelectric conversion rate. This article takes the patent literature of photovoltaic module cleaning devices as the research object， collects high-frequency cited literature in this field， introduces typical technical solutions， and also sorts out important applicants， analyzes the distribution of patent technologies of important applicants.

Keywords： photovoltaic modules; photovoltaic module cleaning devices; solar energy; patent literature; typical technical solutions; applicant

作者簡介：李銳琴（1988-），女， 碩士，助理研究員。研究方向為發明專利快速審查。

近年來，可再生能源因其環保、經濟的特點受到了世界各國的關注，其中太陽能的發展更是各界的研究熱點[1]，對太陽能的利用主要依靠光伏組件實現。光伏組件是在陽光下產生直流電的發電裝置，主要由半導體材料（例如硅）制成的光伏板組成，由若干個光伏板在機械和電氣上按一定方式組裝而成并且具有固定支撐結構的直流發電單元則被稱作光伏組件，又稱為光伏陣列。

大規模的光伏組件多設置在野外，例如沙漠、戈壁等，外界環境條件惡劣，尤其是風沙較大，灰塵會在自身重力、風力及靜電作用等綜合因素的影響下沉積在光伏組件表面，光伏組件因受到污染而被遮擋，輸出功率將明顯降低。研究顯示，表面積塵的光伏組件若長時間未清理，輸出功率將降低15%～20%[2]，而長期積灰還會破壞原有的熱平衡，導致光伏組件表面局部溫度異常，甚至出現“熱島效應”導致光伏組件被燒毀[3-4]。因此，光伏組件的清潔是保證較高的光電轉換率的必要條件之一。目前，已有的研究方向可大致分為兩類，第一類是研制具有自凈功能的材料，通過化學或物理反應，使光伏組件表面保持潔凈狀態[5-8]，但現在暫無此類材料投入實際應用的報道；第二類是利用人工或機械對光伏組件表面進行清潔，其中，人工清潔是利用高壓水槍清潔光伏組件表面，但由于光伏組件大多設立在荒漠戈壁區域，該區域水資源匱乏，且清洗陣列排列的光伏組件工程量大，因此人工清洗難度非常高。相較而言，機械清潔是目前最經濟、最理想的方法，也是如今的主流研究方向。

1" 技術發展狀況

1.1" 數據源與關鍵詞

本文數據來源于incopat專利信息平臺，檢索對象為公開日或公告日在2022年12月31日前的國內外的發明和實用新型專利申請，選用的檢索詞包括光伏、太陽能、清潔，對應的英文為solar、photovoltaic、clean、dust removal，選用的IPC分類號包括B08B、H02S40/10、F24S40/20；對上述檢索要素進行擴展后再進行組合檢索，得到的專利申請經過篩選后作為本文的研究對象。

通過對檢索所獲得的該領域的專利申請進行統計與分析，對光伏組件清潔裝置所涉及的技術進行分解，見表1。

光伏組件清潔裝置的研究方向可分為對組件結構的研究及對控制系統與方法的研究。光伏組件是由若干個光伏板串聯而成，串聯起來的光伏板緊密排列為一排，通常整個陣列中有多排這樣的串聯光伏板結構。因此，光伏組件清潔裝置不僅需要在單個光伏板上行進清潔，還需要跨越多排的光伏陣列。根據上述特點，光伏組件清潔裝置的組件結構可劃分為越障組件、定位組件、路徑規劃組件、行走組件、清潔組件及其他。越障組件主要應用于跨排清潔技術中[9]，用于相鄰光伏板間的跨越，實現大體量的光伏板不間斷清潔，定位組件及路徑規劃組件主要應用于單個光伏板的清潔，用于實現清潔裝置自身的定位及清潔路徑的規劃，行走組件及清潔組件是清潔裝置的基礎模塊，用于保證行走能力及清潔效果。此外，其他組件主要包括針對清潔裝置的電力供應、對光伏板的缺陷監測及外界環境的檢測、電機布置等。對控制系統及方法的研究主要依托于上述結構，集中于越障等行進動作及清潔方式的控制改進方面。

1.2" 對數據進行統計和分析

1.2.1" 專利申請地域分布

對光伏組件清潔裝置專利申請的所在國家和地區產權組織分布進行統計，得到專利申請地域分布圖，如圖1所示。可以看出，中國在申請量上擁有巨大優勢（占比92.14%），其次申請量較大的國家分別是韓國（占比2.90%）、日本（占比1.05%）和美國（占比0.84%），可見東亞是光伏組件清潔裝置最主要的技術市場。

1.2.2" 高頻被引專利分析

對研究對象進行分析后，根據光伏組件清潔裝置領域中專利文獻的被引頻次數進行排序，列舉出被引頻次數排名靠前的專利文獻。此處需要說明的是，考慮到目標專利文獻在全球范圍的影響力，在篩選中剔除了僅由本國引用的專利，得到前10名高頻被引的專利文獻，見表2。

從表2可以看出，美國和日本在光伏組件清潔裝置的研究上具有較強的影響力，且日本對該領域的研究較早，可以追溯至2002年。瀏覽上述文獻后，從其中選取了部分典型技術方案分析如下。

1）US20130305474A1公開了一種太陽能電池板清潔系統和方法，每一排的太陽能電池板均設有可以調整傾斜度的連桿組件，可使得電池板相對于陽光的角度可調，從而保證了一定的光電轉化率。清潔系統具有移動清潔組件以使其與連續排列的太陽能電池板對齊的引導組件，因此，可以實現成排的太陽能電池板的清潔。此外，該系統的清潔組件還具有單向清潔功能，當清潔組件向上運動時不清潔太陽能電池板，當清潔組件向下運動時才進行清潔，清潔方式是利用氣流吹除灰塵和碎屑。圖2是該清潔裝置的俯視圖，圖3是該清潔裝置的側視圖。從圖2可以看出，該清潔裝置主要的清潔部件為滾動清潔部件124，其安裝于框架136上，框架136通過滾輪137實現上下移動，從而在豎直方向上清潔太陽能組件111；從圖3可以看出，每一排太陽能組件111均設有軌道112a和112b，清潔組件的框架311通過4個輪子312安裝于兩排軌道313上，動力裝置320驅動框架311沿著軌道313行進，通過支撐架314、315及活塞316、317能夠改變軸點322及上部框架318的位置，從而適應不同角度的太陽能組件111。

2）CN105107772A公開了一種智能化光伏陣列清洗車，該清洗車通過履帶式的行進機構帶動清洗頭單元清潔光伏陣列，清洗頭單元還包括測量其到太陽能電池板距離的測距傳感器及支撐定位單元，可以靈活調節車體相對于光伏陣列的位置和姿態，也能實現多個光伏陣列的清洗。該清洗車的結構如圖4所示，清洗車包括履帶底盤1、清洗頭單元2、清洗頭支撐定位單元3、液壓控制單元4、液壓油箱單元5、供水單元6、貯水單元7、動力單元8及操作控制單元9；清洗作業時，車體相對于光伏陣列保持平行，清洗頭單元2偏擺至光伏陣列上方，通過噴水及滾刷對光伏組件進行清潔，當路面顛簸或光伏陣列板面起伏導致清洗頭單元2出現偏移時，操作控制單元9能夠根據預設的清洗頭位姿控制策略和算法自動發出相應的控制指令，清洗頭支撐定位單元3的俯仰角和姿態角，從而恢復理想狀態。

3）US20140109334A1公開了一種太陽能電池板清洗系統，該清洗系統是在垂直于成排的太陽能板一側設置軌道，在軌道上設有沿著軌道輸送清潔滑架的移動機構，清潔滑架可以在每一排太陽能板上橫向清潔后，再沿軌道移動至下一排太陽能板上繼續清潔，進而實現跨排清洗功能；該清洗系統的運行圖如圖5和圖6所示。圖5展示了運輸清潔組件的小車28沿著第36a排的太陽能電池板12進行橫排清潔，清潔組件具有上蓋30和刷子34，完成橫排的清潔后，小車28移動至框架26處，框架26具有能夠沿軌道24移動的移動機構，能夠使得運輸清潔組件的小車28從第36a排的太陽能電池板移動至第36b排，以及第36c排的太陽能電池板。圖6展示了運輸清潔組件的小車28沿著軌道在多排太陽能電池板間移動的情形。

通過對以上典型技術方案分析可知，光伏組件清潔裝置的研究集中于清潔裝置在光伏板上、光伏板間的移動及清潔組件的優化上。實際上，歐美的光伏產業發展較早，且在產業規劃之初就比較重視后期的運營及維護，因此，在修建光伏陣列時盡可能地保證了光伏組件之間的平整性。光伏電站的地面大多較為平整，光伏組件清潔裝置以輪式行走為主，而我國早期的光伏電站多選在沙漠、戈壁等地，光電轉換的先天條件很好，但環境、地勢較為復雜，地面平整性相對較差，因此，不適合輪式行走的光伏組件清潔裝置，而是以履帶式的前進裝置為主。

1.2.3" 國內重要申請人

對研究對象進行分析后，根據申請量進行了申請人排名。申請量排名前10的申請人中，僅有一位國外申請人，是韓國的Green Woojeon Co Ltd，其余的申請人均為國內申請人，這反映出在光伏組件清潔裝置領域，我國具有較大的申請量優勢。此處僅對國內的重要申請人進行進一步分析，圖7顯示了這些重要申請人在專利申請中的技術分布。

1）深圳怪蟲機器人有限公司：怪蟲公司成立于2018年6月，光伏組件清潔裝置是其主營業務，截至2021年2月，該公司專利申請量已有170件，其研發的產品“堒-B30M”也已實現量產；該公司的專利技術主要集中在越障及行走組件。

2）國家電網有限公司：國家電網成立于2002年12月，核心業務包括我國電網的運營，因此太陽能發電也是該公司重要的技術分支，分析該公司的專利情況可知，專利技術主要集中在清潔組件，還有少量申請涉及控制系統及方法。

3）北京中電博順智能設備技術有限公司：博順公司成立于2016年3月，主要業務是在新能源領域，該公司在2016年申請的多項專利已轉化至該公司自主研發的光伏組件清洗機器人上，且其中數項發明專利同時獲得美國授權，此外，為支撐清洗機器人及新能源相關行業，該公司還研發了“3D液態模鍛”工藝技術；該公司的專利技術主要集中在行走組件及清潔組件。

4）中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司：該公司隸屬于中國最大的發電集團——中國華能集團公司，其成立于2010年，主要研發及產業化方向包括煤基清潔能源技術和以太陽能、風能、水電及生物質能等為主的清潔能源技術，截至2015年底，該公司擁有授權專利為290余件，專利技術主要集中在清潔組件。

5）杭州舜海光伏科技有限公司：該公司成立于2013年，主營業務即為光伏組件提供智能清潔服務，首創了擁有完全自主知識產權的“基于智慧云的光伏組件智能清潔機器人”，該公司在國內申請了百余件發明及實用新型專利，還在美國及沙特阿拉伯布局了專利，該公司專利技術主要集中在行走組件。

2" 結束語

經分析，光伏組件清潔裝置在專利中具有眾多技術分支，如今的研究熱點主要集中于清潔裝置在光伏板上、光伏板間的移動及清潔組件的優化；美國、日本在該領域的研究具有較強影響力，而我國在該領域具有申請量大的優勢，我國的重要申請人的專利研發方向各有側重，百花齊放，技術發展日益成熟。

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