納米涂層光伏組件的清洗效果及清洗周期研究

摘 要：以光伏組件表面污垢為研究對象，利用納米清洗劑對光伏組件表面污垢進行清洗后，在光伏組件表面涂覆納米涂層，研究灰塵等污垢對納米涂層光伏組件發電效率的影響。以某實際光伏電站為例，進行了清洗加涂層處理、只做清洗處理、不做任何處理的3組光伏組串對比實驗，并收集了以年為測試時間段的光伏組串單瓦發電量為基礎數據，計算得到了光伏組串的發電效率差值和能效提升率。實驗結果顯示：測試時間內，相較于只做清洗處理的光伏組串，清洗加涂層處理的光伏組串的發電效率差值均值高7.6%；且納米涂層光伏組件適用于多雨潮濕地區的光伏電站，光伏組件表面積灰越快清洗成本回收越快。

關鍵詞：光伏組件；光伏電站運維；納米涂層；積灰影響；清洗周期

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

盡管近年來中國的光伏發電新增裝機容量穩步增長，且其已成為全球光伏發電累計裝機容量最大的國家，但中國的光伏電站仍面臨降本增效的挑戰。因光伏組件表面積灰導致的光伏電站發電效率偏低，甚至由此引發的火災等問題是光伏電站需要解決的難題。光伏組件表面積灰越多，光伏玻璃的透光率越低，光伏組件的輸出功率也就越小；此外，灰塵中的某些化學成分還會破壞光伏玻璃的結構，降低光伏組件的使用壽命[1]。一些地面光伏電站因選址較為偏僻，通常無法滿足光伏電站的正常清洗周期，導致光伏組件表面存在大量灰塵，造成遮擋；甚至有的屋頂分布式光伏電站因布置在工業廠房屋頂，光伏組件長期受到不同類型油污、化學物顆粒等污染物的影響，從而造成光伏組件發電量損失、光伏組件衰減速度加快等現象，增加了光伏電站后期的運維成本。傳統的清水清洗方式已無法滿足光伏電站在上述光伏組件受污染情況時的清洗需求。

因此，本文提出采用納米涂層保持光伏組件表面清潔的方法。首先對光伏電站中光伏組件的常規清洗方式與納米涂層清洗方式進行介紹，然后對納米涂層光伏組件的清洗周期進行計算，最后以某分布式光伏電站為例進行效果驗證。以期本研究可在提升光伏組件發電量的同時，盡可能減少人工清洗的頻率，以降低光伏電站運維成本。

1" 光伏組件的不同清洗方式

光伏組件的發電效率在很大程度受環境條件的影響，其中，光伏組件表面的污染物是重要影響因素，不同環境下，光伏組件面臨的污染情況也不同。比如：中國東南沿海地區，光伏電站主要采用農光互補光伏電站、海上漂浮式光伏電站等模式，光伏組件表面受鳥糞、海鹽、泥沙等污染物的影響較為嚴重；中國西部和北部地區，由于沙塵天氣頻繁，光伏組件表面易積累沙塵。光伏組件表面的污染物會對光伏組件的發電量產生影響，定期清洗是避免光伏組件因污染而造成發電量損失的有效方法，且清洗作業可以顯著提升光伏電站的發電效益，但每次清洗都需付出高額的人力、物力成本。因此，光伏組件采用何種清洗方式是光伏電站領域的重要研究內容。

1.1" 常規清洗方式

光伏組件的常規清洗方式主要分為3種，分別為：人工清洗、清潔車清洗、清洗機器人清洗。其中，人工清洗方式包括兩種，一種是工作人員利用抹布、拖把等工具通過拖抹的形式對光伏組件進行清潔。這種方式設備成本投入最低，但人工成本較高，適合小型光伏電站。另一種是工作人員通過高壓水槍進行清洗。這種清洗方式相較于前者雖然在清洗效率上有所提高，但用水量大，不適用于缺水地區。

清潔車清洗方式的優點在于用水量小、清洗速度快、清洗效果好。但這種方式受限于現場環境，當光伏場區的地勢起伏大或地質不夠堅硬時，若采用此種方式可能存在清潔車因受力不均勻而壓壞光伏組件的情況；并且清潔車通常為大型車輛，需要由專業人員駕駛。

目前市場上有兩種清洗機器人，一種通過固定框架可直接安裝在光伏組件上的清洗機器人，其自帶充電板無需另接電源，且可自動設定清潔時間進行固定的清洗作業。但這種清洗機器人的行動方式單一，對于多排光伏組件的清潔，需要安裝機器人行動支架，若不滿足安裝支架的條件，則需要每排光伏組件配備1臺清洗機器人，這對于大型光伏電站而言，清洗機器人的采購需求量大，成本較高。另一種是自由移動式清洗機器人，在光伏陣列間安裝連接帶，設定好最佳清洗路線后，自由移動式清洗機器人在光伏組件表面進行清潔。但這種清洗機器人適用于平面或坡度較小的屋頂分布式光伏電站，傾角較大的光伏組件和風沙較大的地區不利于此種機器人穩定工作，不適合采用此種機器人。

1.2" 納米涂層光伏組件的清洗方式

自清潔技術一般是指材料所具有的自我清潔能力，國內外針對此技術的研究最早開展于20世紀70年代，較多是以建筑材料為載體進行的研究和推廣應用[2]。在光伏發電領域，自清潔技術主要應用于光伏玻璃，使光伏玻璃表面通過物理、化學反應，形成特殊的涂層。根據特性不同，涂層可分為疏水性涂層、親水性涂層、電簾等類型。疏水或親水性涂層利用自然風或雨水的沖刷達到自清潔的目的；電簾則是通過交流電源驅動平行電機產生的電場進行灰塵、污垢等的無接觸式搬運，光伏組件表面灰塵根據其所帶電荷的極性向相應電場移動，從而達到除塵的目的，但成本很高，推廣受限[3]。以有機親水材料為基體開發的親水性涂層展現出優異的親水性，親水角可以輕易達到5°甚至更低[4]。

本文中納米涂層光伏組件的涂層涂覆步驟為：首先通過單組分水性納米配方清洗劑對光伏組件表面積灰及一些頑固不易清洗的油污等遮擋物進行全面清洗，該清洗劑的主要成分為6價鉻，pH值在5～6之間，屬于弱酸清洗劑，能很好地去除有機污染物；然后采用單組分水性配方納米涂料對清洗后的光伏組件表面進行鍍膜，在光伏組件表面形成一個具有自清潔功能的納米涂層，該涂層的主要成分同樣為6價鉻，親水角小于10°，pH值在6～7之間，屬于中性涂料，不會對光伏組件表面造成腐蝕。光伏組件涂層涂覆過程如圖1所示。

該納米涂層可使光伏組件表面形成較低的表面能，且其親水角較小，使水能均勻且快速的擴散在光伏組件表面；此外，納米材料中的納米粒子能增加涂層表面液體的接觸面積，提高光伏組件表面液體的分散能力，較好地將光伏組件表面積灰與水結合，通過雨水沖刷或水洗清潔，將積灰與水同時從光伏組件表面帶走，以減少光伏組件清洗作業頻率。光伏組件納米涂層的親水效果如圖2所示。

2" 納米涂層光伏組件的清洗周期指標計算

如何根據清洗后的光伏電站發電效益來合理規劃光伏組件清洗周期，以達到低運維成本、高發電收益的目的，是光伏電站需重點關注的問題。

2.1" 光伏組件發電效率計算

光伏組件表面灰塵的累計程度是判斷光伏組件清洗周期的重要因素之一。本文以不做任何處理的光伏組串作為對比組，每組選取若干串光伏組串作為實驗對象，編號為An，其中n=1，2，3，…；以采用常規清洗方式的光伏組串作為實驗組，每組選取若干串光伏組串作為實驗對象，編號為Bn；1串光伏組串對應1臺逆變器。在測試時間段內，分別根據實驗組和對比組光伏組串在單瓦裝機容量下的發電量，計算得到測試時間段內不同光伏組串的發電效率，以光伏組串清洗前后的發電效率差值來反映清洗方式對光伏組串發電性能的影響。

實驗組光伏組串Bn的發電效率差值Ei，Bn可表示為：

（1）

式中：EAn、EBn分別為測試時間段內光伏組串An、Bn的發電效率。

其中，

（2）

式中：Eout為測試時間段內被測光伏組串的發電量；Po為被測光伏組串的裝機容量；Hi為測試時間段內被測光伏組串接收到的太陽輻照量；Gi為太陽輻照度。

需要說明的是，EBn的計算方式與式（2）相同。

對光伏組串清洗前后的發電效率差值進行統計，可由此判斷其清洗效果持續時間范圍。該時間范圍為光伏組串樣本清洗作業后至其發電效率差值降至最小值Emin時的數據采樣時間間隔。樣本數據應選取天氣、太陽輻照度較好時的數值。

假設清洗效果持續時間為N天，由此可計算出1年內需進行的清洗次數Y，將其與光伏電站計劃的清洗次數r進行以下對比：

當實驗組光伏組串的清洗作業次數Yo大于光伏電站計劃的清洗次數時，表明光伏組件在當前環境下積灰頻率較高，發電效率易受到光伏組件表面污染的影響，從而導致發電量損失，需要使用納米涂層光伏組件來提高光伏組件自身的清潔能力。

當Yo≤r時，表明光伏組件在當前環境下積灰頻率較低，光伏組件積灰程度對光伏組件發電影響不大，光伏組件可通過常規清洗頻次能滿足光伏組件正常運行。

2.2" 發電量增量計算

光伏組串發電量增量是評判光伏組件清洗效果的最有效指標，本文通過測試時間段內得到的光伏組串單瓦發電量數據，再結合項目所在地的太陽輻照量，計算出實驗組相較于對比組在清洗后的能效提升率Bv，其可表示為：

（3）

式中：PHc為測試時間范圍內實驗組清洗后的發電量相對于對比組的發電量提升率均值；PHt為測試時間范圍內實驗組清洗前的發電量相對于對比組的發電量提升率均值；Hr為光伏組件清洗前一段時間內的太陽輻照量均值；Hm為光伏組件清洗后測試時間范圍內的太陽輻照量均值。

其中，

（4）

（5）

式中：Pm為實驗組光伏組串1天的單瓦發電量；Pr為對比組光伏組串1天的單瓦發電量；Nm為清洗后測試時間總天數；Nr為清洗前測試時間總天數。

根據能效提升率計算光伏組件單瓦發電量增量P，即：

（6）

式中：Pa為被測光伏組件當前時刻的單瓦發電量。

根據清洗成本及清洗效益確定發電量指標Pg，即：

（7）

式中：Ep為當地標準電價；C為清洗成本；?S為清洗效益最小值。

2.3" 納米涂層光伏組件的清洗周期預測

綜上可知，光伏電站收益是驗收光伏組件清洗效果的重要指標，需保證清洗有助于提高收益。研究表明：光伏組件積灰程度對光伏發電系統的系統效率的影響并不是呈線性增長，合理的光伏組件清洗頻次將使清洗效益更大[6]。積灰程度對光伏電站日發電量收益的影響呈線性增長，當達到發電量收益影響閾值后對光伏組件進行清洗，隨后進入下一個清洗周期[7]。由此可以看出，合理預測光伏組件清洗周期對提升光伏電站收益極為重要。

當光伏組件單瓦發電量增量高于或等于發電量指標時，說明光伏電站整體運行狀況良好，不需要進行清洗等運維工作。若單瓦發電量增量低于發電量指標，則再根據當地降雨情況判斷是否進行清洗工作。

根據天氣預報獲取光伏電站所在地未來幾天的降水量預測值，根據清洗光伏組件實際用水量計算清洗光伏組件實際用水率Ri：

（8）

式中：Poa為被清洗光伏組件的裝機容量；Ti為清洗相應裝機容量光伏組件的用水量。

根據清洗光伏組件實際用水率計算達到光伏組件清洗效果所需的最小降水量ri：

（9）

式中：Sa為需清洗的光伏組件面積。

通過發電量指標結合天氣預報預測的降雨量確定納米涂層光伏組件的清洗周期，當判斷最小降雨量達到光伏組件實際清洗需求，則光伏電站不需要再進行清洗作業。若最小降雨量未達到光伏組件實際清洗需求，則需要對光伏組件進行清洗作業。

3" 實地測試及數據分析

3.1" 納米涂層光伏組件的清洗效果測試

本文所述光伏電站位于車間廠房屋頂，時常有車間內排出的污染物顆粒附著于光伏組件表面（如圖3所示），對光伏組件造成遮擋，影響了光伏電站的整體發電效率。因此，針對此類典型光伏電站，研究納米涂層光伏組件的清洗周期具有重要的實際意義。

在該光伏電站分別選取毗鄰的6臺同規格同裝機容量的組串式逆變器，編號分別為NB09、NB10、NB16、NB17、NB18、NB19。對逆變器NB09、NB17連接的光伏組串不進行任何清洗處理，作為對比組；NB18、NB19逆變器連接的光伏組串進行清洗作業但不涂覆納米涂層，作為實驗組1；NB10、NB16逆變器連接的光伏組串首先進行清洗作業，然后再對光伏組件表面涂覆納米涂層，作為實驗組2。

于2022年6月23日至2023年6月22日進行光伏組串清洗測試，跟蹤并記錄清洗測試前1個月及清洗測試開始后1年內的實驗組和對比組光伏組串單瓦發電量數據，篩選出測試期間當地天氣狀況、太陽輻照度較好時的光伏組串單瓦發電量數據，并計算光伏組串發電效率差值，通過統計相應數據，得到測試期內兩組實驗組相對于對比組光伏組串的發電效率差值散點圖，如圖4所示。

結合圖4可知：NB18、NB19逆變器連接的光伏組串只在清洗作業后的第2個月，即2022年8月底時光伏組串的發電效率差值開始持續低于清洗前。由此可知，該光伏電站的清洗效果持續時間為2個月。

測試時間內NB18、NB19逆變器連接的光伏組串的能效提升率變化趨勢如圖5所示。

根據圖5可以看出：NB18逆變器連接的光伏組串全年超過10個月的能效提升率為負值，結合清洗運維效果持續時間，污染較嚴重光伏組串全年需要清洗次數不應少于5次；NB19逆變器連接的光伏組串全年超過8個月的能效提升率為負值，污染程度較輕的光伏組串全年需要的清洗次數不應少于4次。

結合圖5中的數據，利用式（3）計算出在測試時間內NB18、NB19逆變器連接的光伏組串的能效提升率分別為2.30%、0.49%，利用式（6）計算出單瓦發電量增量分別為5.17、1.21 kWh。該項目所在地的光伏發電上網電價為0.9元/kWh，實驗組1光伏組串的清洗成本為22.41元/kW。通過核算發現，清洗后測試時間內實驗組1光伏組串的提升效益低于清洗成本。

利用式（3）計算得到在測試時間內NB10、NB16逆變器連接的光伏組串的能效提升率分別為1.05%、1.89%，利用式（6）計算出單瓦發電量增量分別為191.96、341.55 kWh。該項目所在地的光伏發電上網電價為0.9元/kWh，實驗組2光伏組串的清洗成本為31.3元/kW，通過數據跟蹤發現，涂覆納米涂層后的光伏組件清洗效果持續時間長達1年以上，且自清潔效果依舊，預計實驗組2光伏組串可在2年內回收成本。

測試時間內NB10、NB16逆變器連接的光伏組串的能效提升率變化趨勢如圖6所示。

根據圖6可以看出：NB10、NB16逆變器連接的光伏組串的污染程度較小，測試時間內的能效提效率為負值的時間段較少，說明納米涂層光伏組件的自潔效果較為顯著。

3.2" 納米涂層光伏組件清洗后的發電效率提升分析

在2022年6月22日完成清洗作業后，清洗當天實驗組1、實驗組2光伏組串相較于對比組的發電效率差值變化趨勢明顯。

除去通信故障的逆變器NB17，統計得到兩組實驗組光伏組串相較于對比組光伏組串在2022年5月24日至2023年6月22日的發電效率差值變化趨勢，如圖7所示。其中，2022年5月24日至2022年6月22日為清洗前1個月，2022年6月23日至2023年6月22日為采用清洗或清洗加涂層等手段后的時間。

從圖7可以看出：測試末期時，實驗組2光伏組串的發電效率差值維持在4.10%左右，相比清洗第1天的清洗效果只降低了3.34%；而實驗組1清洗的效果最多只能維持2個月左右，污垢堆積后的發電效率值大幅度下降。測試初期，由于實驗組1光伏組串受到環境污染物的影響出現光伏組件輸出性能衰減的情況，導致實驗組2光伏組串的發電效率差值與實驗組1光伏組串發電效率差值之間的差距較大，但在2023年6月20日后，實驗組2光伏組串發電效率差值相較于實驗組1光伏組串發電效率差值的增值趨于穩定。截至2023年6月22日，測試時間內相較于實驗組1光伏組串，實驗組2光伏組串的發電效率差值均值高7.6%。由于光伏電站處于室外環境，無法完全避免因光伏組件意外故障或自然環境等問題導致的發電量低的問題。

通過對比實驗組1、實驗組2光伏組件發現，實驗組2光伏組件在進行表面涂層后結合雨水沖刷清洗，能夠有效分離污垢，使光伏組件表面保持干凈，不影響光伏組件正常發電效率，從而使光伏組件清洗成本大幅減少，并使光伏電站保持平穩收益狀態。由此可以得出納米涂層光伏組件適用于多雨潮濕地區的光伏電站，光伏組件表面積灰越快清洗成本回收越快。

4" 結論

本文以某實際光伏電站為例，進行了清洗加涂層處理、只做清洗處理、不做任何處理的3組光伏組串對比實驗，并收集了以年為測試時間段的光伏組串單瓦發電量為基礎數據，計算得到了光伏組串的發電效率差值和能效提升率。實驗結果顯示：測試時間內相較于只做清洗處理的光伏組串，清洗加涂層處理的光伏組串的發電效率差值均值高7.6%；且納米涂層光伏組件適用于多雨潮濕地區的光伏電站，光伏組件表面積灰越快清洗成本回收越快。

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Study on cleaning effect and cleaning cycle of nano coated PV modules

Xie Yingqian，Hu Huayou，Wu Yunlai，Yu Tieming，Shao Xuecheng

（Zhejiang CHINT Intelligent Energy Services Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：Taking the surface dirt of PV modules as the research object，nano cleaning agents are used to clean the surface dirt of PV modules，and then nano coatings are coated on the surface of PV modules to study the effect of dust and other dirt on the power generation efficiency of nano coated PV modules. This paper takes an actual PV power station as an example to conduct a comparative experiment of three groups of PV strings，including cleaning and coating treatment，only cleaning treatment，and no treatment. The single watt power generation of PV strings is collected as the basic data during the annual testing period，and the difference in power generation efficiency and energy efficiency improvement rate of PV strings are calculated. The experimental results show that during the testing time，the average difference in power generation efficiency of the PV string treated with cleaning and coating is 7.6% higher than that of the PV string treated only with cleaning. And the nano coated PV modules are suitable for PV power stations in rainy and humid areas. The faster the surface area of the PV modules is cleaned，the faster the cost recovery.

Keywords：PV modules；PV power station operation and maintenance；nano coating；impact of dust accumulation；cleaning cycle

通信作者：解迎千（1999—），女，學士，主要從事電站能源管理數據分析的研究。yingqian.xie@Astronergy.com