水面光伏電站電池板清洗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

中國(guó)三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司 貝耀平 中國(guó)三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司安徽分公司 程大利 阮少波

河海大學(xué) 肖 堅(jiān)

光伏發(fā)電作為可再生清潔能源獲取的重要手段，近年來(lái)發(fā)展的規(guī)模越來(lái)越大，并將繼續(xù)高速發(fā)展。BP 的 Energy Outlook 2020 Edition 報(bào)道顯示，世界范圍內(nèi)，被人類利用的太陽(yáng)能，將從2018年的約5EJ（艾焦耳，1EJ=1018J）增長(zhǎng)到2050年的110～150EJ[1]。截至2020年9月底，我國(guó)太陽(yáng)能光伏電站已累計(jì)裝機(jī)2.23億kW[2]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，需要不斷解決技術(shù)問(wèn)題。其中，太陽(yáng)能光伏電池板積塵清潔問(wèn)題就是為提高光伏發(fā)電效率而需要解決的技術(shù)難題之一。

1 光伏電池板清潔技術(shù)現(xiàn)狀

光伏電板表面積塵對(duì)其能量轉(zhuǎn)換效率影響很大。伊拉克西北科技大學(xué)Omer Khalil Ahmed 和Zala Aziz Mohammed 的研究表明，當(dāng)光伏板外表面存在某個(gè)強(qiáng)度的積塵時(shí)，光伏板的熱效率降低了13.4%，光電轉(zhuǎn)換效率從光伏板清潔時(shí)的10.24%下降到5.67%。覆蓋積塵后的光伏板總效率比清潔狀態(tài)下的總效率降低了17.5%[3]。研究還表明，灰塵積聚高度集中在光伏組件的底部，具有很高的熱點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，最終可能導(dǎo)致永久性組件損壞[4]。

顯然，為提高發(fā)電效率，縮短投資回報(bào)周期，對(duì)光伏電池板進(jìn)行例行清潔工作非常必要。目前常用的光伏電池板清潔技術(shù)有：納米自清潔薄膜、電除塵技術(shù)和機(jī)械除塵技術(shù)。其中，機(jī)械除塵技術(shù)又包括機(jī)器人清洗和水射流清洗技術(shù)[5]。不同研究者的研究結(jié)論表明，干式清潔（如尼龍刷旋轉(zhuǎn)刷塵、壓縮空氣吹塵加真空吸塵）的清潔效果不如用水和精致的雨刷，也不如水射流技術(shù)的清潔效果好。

2 水面光伏電站電池板清洗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)三峽新能源有限公司華東分公司峽潘光伏電站位于安徽淮南煤礦塌陷區(qū)水面，總裝機(jī)容量150MW，年發(fā)電約1.65億度。本研究以該電站的兩個(gè)100m×50m 方陣為實(shí)驗(yàn)方陣，在其中一個(gè)方陣中安裝水面光伏電站電池板清洗系統(tǒng)，另一個(gè)不做任何改變作為對(duì)比方陣。被清洗光伏板除積塵外還應(yīng)考慮鳥(niǎo)類糞便的清洗。

研究現(xiàn)場(chǎng)限定條件：噴淋清洗機(jī)需要滿足的條件是：用電負(fù)載＜3kW，噴射距離≥12m，噴頭的旋轉(zhuǎn)角度可控，能防止水中水草等雜物阻塞進(jìn)水通道，啟動(dòng)時(shí)的反扭矩和工作時(shí)的反沖力對(duì)現(xiàn)有光伏電池板安裝基礎(chǔ)——浮筒無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。

2.1 噴淋清洗機(jī)構(gòu)成

噴淋清洗機(jī)由潛水泵、噴頭、噴頭電機(jī)、管道等組成。

首先選擇滿足噴射距離≥12m 的常規(guī)灌溉噴頭，再根據(jù)噴頭的工作壓力和流量參數(shù)選擇潛水電泵。由于噴射距離≥12m 的噴頭有不同的流量規(guī)格和工作壓力要求，所以要求的潛水電泵功率也不同。為滿足單臺(tái)水泵最大功率＜3kW 的條件，選擇額定揚(yáng)程H=55m、額定流量Q=3m3/h、額定功率P=1.5kW 的潛水電泵。該泵屬于離心泵，根據(jù)離心泵的基本性能曲線，當(dāng)水泵運(yùn)行的實(shí)際揚(yáng)程小于額定揚(yáng)程時(shí)，水泵的流量會(huì)比額定流量加大，輸入功率也會(huì)略有增加。這樣既有利于光伏電池板的除塵清潔效果，又不會(huì)超過(guò)電力負(fù)載3kW。

由于本系統(tǒng)中的噴淋清洗機(jī)除了要滿足正常情況下光伏電池板例行清洗時(shí)噴頭要旋轉(zhuǎn)外，還需滿足光伏電池板起火情況下噴頭能定向噴水滅火的要求，所以不能直接使用常規(guī)灌溉噴頭，必須進(jìn)行創(chuàng)新改造。在常規(guī)噴頭的可旋轉(zhuǎn)嘴部固定與旋轉(zhuǎn)軸同軸的從動(dòng)齒輪，然后在噴頭的不動(dòng)部分固定微型永磁同步電機(jī)（簡(jiǎn)稱噴頭電機(jī)），電機(jī)軸上連接有主動(dòng)齒輪。主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪嚙合，當(dāng)控制電路給噴頭電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)；控制電路不給噴頭電機(jī)供電時(shí)，噴頭就會(huì)固定在某個(gè)方向。這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)了噴淋清洗機(jī)既可常規(guī)清洗光伏電池板，又可作為消防設(shè)施定向噴水。

為防止水中雜草或其他雜物吸附在潛水泵進(jìn)口而影響水泵進(jìn)水，需要在水泵原有過(guò)濾網(wǎng)的外圍再增加一道濾網(wǎng)。該濾網(wǎng)的直徑比潛水泵原有進(jìn)口濾網(wǎng)直徑大一倍以上，配合日常維護(hù)中的例行檢查和清除，這一措施可有效防止?jié)撍眯阅芟陆诞a(chǎn)生的清洗效果變差的問(wèn)題。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制影響因子

第一，降雨。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，對(duì)應(yīng)的清洗周期內(nèi)就不需要啟動(dòng)噴淋清洗機(jī)。第二，風(fēng)力。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到某個(gè)級(jí)別時(shí)，噴淋清洗在風(fēng)向角度的反向側(cè)就會(huì)由于噴水距離達(dá)不到設(shè)計(jì)距離而影響清洗效果，需要在風(fēng)力小的時(shí)候噴淋清洗。第三，氣溫。當(dāng)氣溫低于0℃時(shí)，由于噴到電池板上的水會(huì)因結(jié)冰可能帶來(lái)電池板的損壞，此時(shí)不宜噴淋清洗。第四，空氣質(zhì)量。當(dāng)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，通過(guò)判斷積塵較少并對(duì)發(fā)電影響較小時(shí)，在對(duì)應(yīng)的清洗周期內(nèi)就不需要啟動(dòng)噴淋清洗機(jī)。第五，清洗時(shí)間。為不影響白天的發(fā)電，對(duì)太陽(yáng)能電池板的清洗工作應(yīng)在夜間進(jìn)行。第六，工作模式。受箱式變壓器容量的限制，同時(shí)工作的水泵數(shù)量會(huì)受到限制，為實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)電池板的全部清洗，就必須采用輪噴的工作模式。綜上，噴淋現(xiàn)場(chǎng)安裝一體化水文氣象監(jiān)測(cè)傳感器和數(shù)據(jù)終端提供現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，PLC 與其通信后獲得溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、降雨、PM10、PM2.5的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)清洗控制需求和環(huán)境條件的關(guān)系，PLC 在合適的時(shí)間段向噴淋清洗機(jī)發(fā)出啟動(dòng)或停止命令，同時(shí)對(duì)噴頭電機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)或停止轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號(hào)，電源控制電路將執(zhí)行PLC 的控制指令。

為滿足遠(yuǎn)程測(cè)控的需求，PLC 需要與移動(dòng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接。本系統(tǒng)采用的是4GDTU，內(nèi)置4G移動(dòng)通信芯片。DTU 一方面與PLC 通信，另一方面與部署在云上的服務(wù)器應(yīng)用通信，可實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令交互。

3 遠(yuǎn)程測(cè)控

為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大面積光伏板清洗進(jìn)行有效管理，需要通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)的光伏面板清洗管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要對(duì)每時(shí)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集統(tǒng)計(jì)，對(duì)每臺(tái)清洗機(jī)工作的起止時(shí)間進(jìn)行記錄，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障情況彈出聲光報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行維修。同時(shí)通過(guò)與發(fā)電管理系統(tǒng)通信，可以判斷哪些光伏板的清洗效果不佳，可以人工遠(yuǎn)程對(duì)局部光伏板進(jìn)行強(qiáng)化清洗。當(dāng)通過(guò)視頻系統(tǒng)或發(fā)電系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電站火災(zāi)時(shí)，可遠(yuǎn)程控制若干個(gè)火點(diǎn)附近的噴淋清洗機(jī)向火點(diǎn)集中噴水滅火。光伏面板清洗管理系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)PLC 的通信是通過(guò)云服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4 清洗效果分析

水面噴淋除塵清洗實(shí)驗(yàn)在峽潘光伏電站選定A 標(biāo)A12方陣展開(kāi)，該方陣面積160m×22m，從01H02NB 號(hào)到02H02NB 匯流逆變箱，安裝10臺(tái)噴淋機(jī)，布局如圖1所示。

圖1 噴淋機(jī)布局圖

其中，選定從01H03NB、01H04NB、01H05NB、02H01NB 到 匯 流 箱， 對(duì) 照 組 從06H01NB、06H02NB、06H03NB、06H04NB 到匯流箱，所選實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組位置臨近，在默認(rèn)條件下可以認(rèn)為被清洗及未被清洗的相鄰區(qū)域相同面積/相同功率的太陽(yáng)能光伏組件在同一時(shí)段的日照條件是一致的。從已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，噴淋除塵已取得一定效果，見(jiàn)表1、表2。

表1 A12方陣2021年度噴淋數(shù)據(jù)記錄

表2 2021年全年試驗(yàn)區(qū)水文氣象與大氣質(zhì)量與噴淋組發(fā)電量增加表

由表2中可以看出：第一，空氣質(zhì)量差污染嚴(yán)重且降雨量較少的1月、2月、11月、12月四個(gè)月，噴淋組發(fā)電量較對(duì)比組增加明顯，其中12月高達(dá)13.61%，增加最少的2月也達(dá)到了6.67%；第二，空氣質(zhì)量較差污染嚴(yán)重但降雨量偏大的3月、10月兩個(gè)月，噴淋組發(fā)電量較對(duì)比組增加較少，都沒(méi)超過(guò)2%；第三，空氣質(zhì)量較好或/且降雨量偏大的4～9月，噴淋組發(fā)電量較對(duì)比組增加較少，其中最多的4月為2.78%，最少的7月也有1.17%的發(fā)電量增加。因此，可以初步得出如下結(jié)論。

第一，揚(yáng)塵較大的季節(jié)天氣，噴淋清洗效果好。第二，噴淋設(shè)備在低溫環(huán)境下工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。第三，在自然降雨較多的天氣，光伏組件灰塵少，自動(dòng)噴淋清洗發(fā)電量增幅不大，但仍有一定優(yōu)勢(shì)。第四，人工清洗和自動(dòng)噴淋清洗比對(duì)，自動(dòng)噴淋組發(fā)電量大于人工清洗。

噴淋組發(fā)電量相較對(duì)比組發(fā)電量的提升和大氣污染呈正相關(guān)，和降雨呈負(fù)相關(guān)，符合自動(dòng)清洗灰塵、提高發(fā)電量的初衷。

水面光伏電站的光伏面板在清潔方面有其有利條件，那就是水源豐富獲取方便，利用這一優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)水射流清潔光伏面板的綜合應(yīng)用系統(tǒng)是解決積塵問(wèn)題的有效方法。通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)，這一系統(tǒng)在清洗有效性、提高光伏發(fā)電效率和容量、幫助消防滅火、降低清潔成本等方面，具有比其他方法更明顯的作用，可在不斷試驗(yàn)逐步完善后推廣使用。