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大型光伏并网电站组件清洗方案探讨摘要：光伏组件表面污垢影响光伏电站的发电量。本文阐述了大型并网光伏电站的各种清洗方案；借助电站实际清洗经验，详细介绍了无管道清洗方案，并对清洗前后的发电量进行对比分析；最后，展望了未来光伏电站清洗的发展方向。关键词：一次能源 光伏电站 组件清洗 自洁技术1 表面污垢对光伏组件的影响对于大型光伏并网电站的运营，发电量是至关重要的指标之一。而影响发电量的因素除了逆变器、变压器、电缆等设备的损耗外，当属空气中灰尘或其它杂物如：鸟粪等污垢的覆盖对发电量的影响。严重的局部遮盖还会导致“热斑效应”。行业内由于表面污垢导致光伏组件无法正常工作的事例屡见不鲜。例如：2004年2月，“机遇”号刚刚开始火星探测任务时，它上面长达1.3m的太阳能电池板每天可以提供0.9kWh的电能，然而随着“机遇”号太阳能面板上慢慢沾上火星灰尘，太阳能面板的功率大大降低，现在每天提供的电能降到了0.5kWh到0.6kWh。NASA科学家不得不通过命令，尽量让两台火星车停靠在朝南的斜坡上，使其可以接受到更多的太阳光。但尽管如此，太阳能电池板每天提供的电量仍然无法提高。但是，关于污垢对光伏电站影响的研究很少。AHNAD Y研究了单位面积上灰尘的数量、灰尘的尺寸、入射光的波长、入射光的倾角和光的透过率的关系，其研究认为在可见光范围内入射光波长对有灰尘的玻璃的透过率的影响可以忽略，主要是灰尘的尺寸远比入射光的波长大。AHNAD Y也建立了一个模型供系统设计人员设计系统的时候参考。Ali M El-nashar研究了灰尘对热水器的真空管的季节性影响，研究显示每个月由于灰尘的影响，透过率会下降高达1018%。而迄今为止，市场上也还没有非常有效的清洁方法，这对发电运营商的损失是显而易见的。换言之，电池板技术研发投入大量资金花费几年时间提升12个百分点的发电效率，还不如多请几个工人勤加清洗电池板获得的收益大。因此，保持太阳能电池板的清洁，是提高发电量最简单、实用、有效的办法。2 现有大型并网电站组件清洗方案简述光伏组件在生产过程中，室内清洗已经解决，行业内也有对应的设备。户外的并网电站组件清洗一直未找到行之有效的方法，特别是在缺水、路面状况差的区域。这也成为制约荒漠化电站发展的因素之一。2.1 有管道水洗方案此种方案适合水资源丰富、地质状况好的区域。根据光伏方阵的排布进行合理设计，将管道铺设在场地内，后续清洗只需开启水管进行管道周边光伏组件的清洗。此方案在建设完成后，运营期间的清洗方便快捷。2.2 无管道水洗方案无管道水洗方案是目前大型光伏并网电站采用的主要清洗方式。大多采用移动储水装置进行移动清洗。国内的宁夏太阳山中节能10MWp光伏电站、内蒙古呼和浩特市土左旗5MWp光伏示范电站、宁夏太阳山银发集团10MWp光伏电站、宁夏石嘴山正泰太阳能10MWp光伏电站和宁夏宁东华电尚德10MWp光伏电站都采用这种清洗方案。此方案前期投入比有管道水洗方案少一倍左右，灵活性大；但是，存在后期投入资金大，运营维护成本增加等不足之处。2.3 自洁工艺方案通过研发和技术投入，生产能够自我清洁的光伏组件或配套系统。例如：可以利用静电除去尘埃，将其“吹到”电池板的边缘。能在两分钟的循环里除去90%的尘埃，除尘效果明显。此种方案效果明显，后期运营维护方便。但成本高，不适合大规模利用。自洁方案目前大多用于太空，后续随着成本的降低亦可用于地面光伏电站。3 无管道水洗方案详解经过现场实际参与、进度控制和用量统计，得出光伏组件无管道水洗的一系列改进方案和统计数据。3.1 工具、设备配置 图3-1 光伏组件清洗专用车图 3-2 光伏组件清洗专用四通转换头3.1.1 主要设备主要设备有：专用改装水车（带水箱、增压装置等），容量10m3左右，具体如图3-1所示。3.1.2 辅助工具四通转换接头：简易原理如图3-2所示。其中，中间出水管的截面积为周边两个出水管的1/21/3。输水管道：46分管，抗压，户外使用；根据光伏阵列的长度选择软管的长度，中间长度为阵列长度的1/3，两边的软管长度为阵列长度的1/2，这样能保证整个阵列都可以一次性清洗到位，并且三处同步进行，提高工作效率；然而，边缘两个软管的长度比中间长，出水量会相对变慢，为保证出水量大致相同，才使得四通转换接头中间出水管径比周边的小。可调喷嘴：清洗人员可以根据组件表面程度，控制出水量，保证正常清洗的前提下，更好的节约水资源；喷嘴多采用扇形出水方式。长柄长度可调型雨刮：属清洗玻璃专用工具，具体见图3-3。雨衣、雨裤、雨靴和胶皮手套一套，用做防水，特别在冬天清洗组件时尤为需要。3.2 人员配置水洗人员3人，擦拭人员3人，驾驶员1人，共7人。其中，擦拭人员工作量比较大，易疲劳，须定期和水洗人员交换作业；擦拭人员还负责指挥清洗车的移动和停止以及水管的排布，3人中可选一位做现场指挥，提高工作效率。图3-3 清洗人员配套装备长柄长度可调型雨刮3.3 清洗方法与流程选用扇形喷嘴，根据现场光伏组件表面状况，调节水压至易清洗掉污垢即可，一般6kg的压力较为适宜。注意对鸟粪及未清理彻底的EVA残留物的清洗。因为，它们的存在会引起“热斑效应”。清洗时，可以在水冲状态下用雨刮用力擦拭即可清除。冬季清洗时间设定在每日上午9:00阳光充足时，根据室外温度确定清洗结束时间，防止气温过低而结冰，造成污垢堆积。清洁时，注意不要踩在面板上，不要用金属等坚硬物刮蹭难以除掉的污垢，勿在面板很热的时候将冷水喷在上面。如果表面有油污等难以清理之处，采用上述方式清洗后，再配合清洗液或者工业酒精对局部进行擦拭，达到清洗效果。3.3.1 固定式光伏组件的清洗由于固定式组件的朝向和倾角统一，便于大规模清洗。具体如图3-4所示。 图3-4(a) 固定式光伏组件清洗 图3-4(b) 固定式光伏组件清洗图3-4 固定式光伏组件清洗图3-5 平单轴跟踪式光伏组件清洗3.3.2 跟踪式光伏组件的清洗跟踪式的清洗和固定式大同小异，只是在清洗之前要进行倾角的调整，使之处于最易清洗的朝向和角度。平单轴跟踪系统和联动平单轴跟踪系统由于阵列较短，需要前后穿插进行清洗；后方的清洗人员需注意与前方的清洗人员错位，以免将水溅至对方。双轴跟踪较高，需要采用大一管径的水管进行集中、强力冲洗。人员配置：驾驶员1人，冲洗人员1人，管道扶正等辅助人员1人，共3人；具体如图3-5和图3-6所示。必要时，可借助登高设备，如图3-7。 图3-6 双轴跟踪式光伏组件清洗4 清洗前后发电量对比分析清洗对光伏电站带来最大的收益便是提高发电量。但由于不同地点、不同季节，污垢对光伏组件的影响不同，清洗前后周边环境的变化对数据比较带来很多干扰因素，业内对此事的研究也很少。以广州市为例，放置在户外一个月或三个月的光伏组件，由于空气中的灰尘沉积在组件玻璃上使玻璃的透过率降低1.3% 4%。灰尘主要影响波长在450nm880nm光的透过率，而这个波段对太阳电池是非常重要的；计算表明清洗可带来约2.61kWh/kWp的发电量提高；在不同的季节，灰尘在光伏组件上的沉积量不同，相应的清洗对发电量提高量也有所区别。根据不同季节和不同地点可以采用不定期的清洗减小灰尘在光伏组件上的沉积，从而减小灰尘对光伏电站发电量的影响。清洗对光伏电站发电量提高及清洗周期的合理选择需要长期的观察得到一般规律，同时也要注意结合周边环境具体分析清洗的周期。5 组件清洗发展趋势简析随着大型光伏并网电站建设与运营的兴起，光伏组件清洗技术也会得到较快的发展。而且未来的趋势一定是机械化程度大，人工操作几率少。5.1 机械化程度高未来针对不同类型的电站会出现各具特色的高机械化光伏组件清洗装置。针对地面光伏电站会产生自行式光伏组件清洗装置。它的设计思路初步是将移动、储水、清洗和擦拭合为一体的高机械化装置。光伏组件先后经过冲洗、擦拭和再冲洗的过程达到洁净目的。只需驾驶员和现场机动人员2位即可独立完成光伏组件清洗工作，如图5-1所示。 图3-7 高空清洗作业车图 5-1 地面电站自行式光伏组件清洗装置图5-2 BIPV自行式光伏组件清洗装置针对BIPV（光伏建筑一体化）电站，可采用自行式光伏组件清洗装置，包括支架，支架上有清洗机构以及使清洗机构移动的运行机构，支架上还有太阳能电池、蓄电装置和控制装置。太阳能电池连接蓄电装置，由太阳能电池向蓄电装置充电，蓄电装置在控制装置的控制下向毛刷辊动力机构和行走轮动力机构提供电源，水喷淋管道位于太阳能光伏组件的上方。这种理念利用自身装配的太阳能设备提供电源对建筑上的光伏组件表面进行清洗，避免水管和电源线给清洗装置造成的障碍，并且运行更安全。国内有几家公司经过研发、攻关，已经生产出此类装置，效果图如图5-2所示。由于需求量和规模都很小，此台设备的售价居高不下，大约￥20万元/台。此种设计理念也可应用于地面光伏电站的清洗（钢结构导轨的制作成本比BIPV的要高）。5.2 自洁技术的快速发展在荒漠化光伏并网电站中，清洗电池板会花大量时间，需要昂贵的设备，并且消耗大量水，在沙漠中水是一种宝贵资源。有了自洁技术，太阳能电池板就能自动清洁，不需要水或劳动力。各国也在花费人力物力寻找各类自洁技术。例如，静电除尘技术已经较为完善，除尘效果明显。但当尘埃变得潮湿泥泞时，这套技术就无法起效，因此需要在下雨前启动除尘。使用自洁纳米材料的光伏组件也具有自洁功能，纳米材料酥松表面的有机污垢，易于雨水冲刷实现自清洁。膜层具有超亲水性能，雨水成水幕状，雨水冲刷能力变强，杜绝水珠吸附空气中灰尘。还有靠震动整块电池板抖落灰尘的技术。用此方法更简单，而且不需对光伏组件改动太多。但是它在去除颗粒方面相比静电除尘的效果差。此外，有对着电池板吹空气，或者增加不粘层来实现自洁功能。自洁技术的发展需要将生产成本进一步降低，才更具有竞争力，最好将其控制在太阳能电池板总成本的1%以下。参考文献1 日本太阳光发电协会编；刘树民，宏伟译.太阳能光伏发电系统的设计与施工.北京：科学出版社，20062 陈菊芳.薄膜太阳电池发电性能研究和HIT 太阳电池优化模拟(博士论文).中山大学.2009.71823 Ahmad Y. Al-Hasan. A new correlation for direct beam solar radiation received by photovoltaic panel with sand dust accumulated on its surface. Solar