光伏組件自動清洗系統的設計

朱榮茂+方曉敏

摘 要：針對現有清洗方式效率低、成本較高，不能滿足大規模光伏陣列的清洗需求，導致光伏電站發電量損失嚴重。設計了一種高壓水清洗系統，通過電磁閥將光伏陣列進行分組清洗，設計了雨水、污水收集系統，降低了用水成本，設計了光伏組件清潔度傳感器，可以為科學安排清洗計劃提供數據參考。該系統可以提高清洗效率，降低清洗成本，提高光伏電站的發電量和光伏組件的使用壽命，從而提高光伏電站的經濟效益。

關鍵詞：光伏陣列；清洗；清潔度；發電量

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0048-02

Abstract： Because of the low efficiency and high cost， the existing cleaning methods can not meet the cleaning needs of large-scale photovoltaic arrays， resulting in a serious loss of power generation in photovoltaic power plants. A high pressure water cleaning system is designed， so that photovoltaic array is cleaned by solenoid valve. Rain water and sewage collection system is designed， so that water cost is reduced. And photovoltaic module cleanliness sensor is designed， so that it can provide data reference for scientific arrangement of cleaning plan. The system can improve the cleaning efficiency， reduce the cost of cleaning， increase the power generation of photovoltaic power station and the service life of photovoltaic module， thus improving the economic benefits of photovoltaic power station.

Keywords： photovoltaic array； cleaning； cleanliness； electricity generation

引言

光伏發電作為一種清潔可再生能源，在國家政策的支持下，近年來得到了迅速的發展。據國家能源局統計，截止2016年底，我國光伏發電新增裝機容量3454萬千瓦，累計裝機容量7742萬千瓦，新增和累計裝機容量均為全球第一。美國圣地亞哥市某光伏電站對灰塵導致的發電量損失率進行了研究，現有光伏電站運行情況顯示，光伏組件積灰對光伏電站發電量存在著較大的影響，當光伏組件積灰嚴重時，發電量損失最大可以達到20%左右，現有清洗方式效率低、成本較高，不能滿足大規模光伏陣列的清洗，導致光伏電站發電量損失嚴重。本文設計了一種大規模光伏陣列自動清洗系統，提高清洗效率，降低清洗成本，提高光伏電站的發電量和光伏組件的使用壽命，從而提高光伏電站的經濟效益。

1 清洗系統設計

采用高壓水清洗的方式，將清洗水管網分成一級水管、二級水管和三級水管。其中一級水管由高壓水泵供水并且內部壓力保持在設定的壓力范圍內；一級水管通過一級電磁閥向二級水管供水；二級水管通過二級電磁閥向三級水管供水；三級水管與清洗機構連接。清洗時通過一級電磁閥和二級電磁閥的控制就可以將整個光伏整列分成一定組別依次進行清洗。該方案的優點是，二級水管和三級水管在不清洗時通過電磁閥與一級水管斷開，避免清洗管網過大而出現清洗壓力難以控制的情況。污水、雨水收集槽用于收集清洗時的污水、以及雨天光伏組件表面收集到的雨水，并通過雨水、污水管道送入雨水、雨水凈化池凈化后（由濁度計檢測）再由水泵輸送到蓄水池中，以實現節水。

2 清洗機構設計

圖2是清洗機構的結構示意圖，將導軌安裝在光伏支架上，移動機構帶動噴水管沿導軌運動，噴水管在自上往下運動的過程中向光伏組件噴射高壓水束，將組件表面的灰塵和其他污物沖洗干凈。

圖3是噴水管的結構示意圖，噴水管下側有噴水縫，噴水縫與光伏組件之間有一個角度a，以便于灰塵和污物從上往下沖洗。本文設計的噴水縫結構比傳統的多噴頭結構效果更好，成本更低。

3 清潔度傳感器設計

圖4是光伏清潔度傳感器的一種實施方案。薄膜式清潔機構包括纏繞設有清潔薄膜的放卷軸4和用于收卷使用后的薄膜的收卷軸5，放卷軸4和收卷軸5分別設置在對應的光伏板的兩端，且位于放卷軸4和收卷軸5之間的薄膜6覆蓋在對應的光伏板上。數據采集器1分別與清潔光伏組件2和對比光伏組件3電連接并分別采集清潔光伏組件2和對比光伏組件3的單位面積光伏板的輸出功率。

使用時，清潔光伏組件2每天均更換薄膜以保持清潔狀態，而對比光伏組件3在光伏電站的其他光伏組件清洗時才同步更換薄膜，如此，通過設置數據采集器1分別采集清潔光伏組件2的光伏板的單位面積輸出功率和對比光伏組件3的光伏板的單位面積輸出功率，即可計算出對比光伏組件3因灰塵覆蓋而導致的功率衰減程度，且由于清潔光伏組件2和對比光伏組件3均同時受到薄膜的影響，因此其單位面積輸出功率的比值與實際情況相同，可為光伏組件的自動清洗控制提供數據依據。

4 控制系統設計

圖5是控制系統結構示意圖。控制器通過信號調理模塊采集組件清潔度傳感器、壓力傳感器和濁度計的輸出信號，并根據控制策略通過驅動模塊控制高壓水泵、一級電磁閥、二級電磁閥、清洗機構和水泵的運行。

5 創新點

（1）由于光伏組件輸出電流取決于光照強度、組件溫度、組件清潔度等因素；而光伏電站運行時，光照強度、溫度等因素是隨著時間不斷地在變化，所以直接檢測到工作狀態下光伏組件的電流值并不能判斷光伏組件的積塵程度。本項目擬采用比對的方法來檢測光伏組件的清潔度。比對的光伏組件，一塊每天清洗（等同于清潔的組件），另一塊和電站其他組件一樣；通過檢測并比對兩者輸出功率的百分比，來確定組件的清潔度（用功率百分比來表示）。

（2）采用分級供水，分組清洗的方式，將組件分成若干組，通過電磁閥來控制每組的供水（只有當前清洗的組供水，其他組暫不供水，這樣就降低了維持管網內水壓的難度和成本），即保證了清洗的效率，也降低了供水系統的成本；同時采用污水、雨水回收系統，可以有效降低用水成本。

參考文獻：

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