干旱地區大型光伏電站的光伏組件除塵技術研究現狀及展望

崔永琴，孫家歡，肖建華*

(1. 山西財經大學資源環境學院，太原 030006；2. 中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000)

0 引言

能源和環境是影響人類社會可持續發展的2個最重要問題。由于化石燃料等傳統能源的儲量有限，從可持續發展的角度分析，開發和利用可再生能源成為全球共識。在可再生能源利用方式中，太陽能被認為是最具潛力、未來最有可能代替化石能源的新能源之一，其中光伏發電因具有安全可靠、環境友好，水資源依賴小等特點，已成為目前發展速度最快的太陽能利用方式之一[1]。近幾年，隨著光伏組件制造成本持續下降和我國不斷頒布針對光伏發電的支持性政策[2]，我國光伏產業的發展十分迅速，我國和全球的光伏產業規模均實現了爆發式增長。全球及中國的光伏發電累計裝機容量情況如圖1所示。

圖1 全球及中國的光伏發電累計裝機容量Fig. 1 Cumulative installed capacity of PV power generation in the world and in China

我國國家能源局公布的相關統計數據顯示：2013年，我國光伏發電累計并網裝機容量僅約為19.42 GW，而截至2019年底，我國光伏發電累計并網裝機容量已增長至204.3 GW。

我國西北地區屬于干旱地區，其整體的太陽能資源豐富[3-6]，除了新疆維吾爾自治區的古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠的部分區域的太陽能資源較少以外，其他沙漠區域均屬于太陽輻射量大于1700 kWh/m2的高值區域[7]，屬于我國太陽能資源很豐富區域。同時，由于我國西北地區有大量戈壁灘、荒沙地、荒山地等未開發利用的區域，土地使用成本低，非常適合建設大型光伏電站。因此，西北干旱地區是我國光伏電站，尤其是大型光伏電站裝機容量最大、裝機規模增長最快的地區。根據國家能源局公布的相關統計結果，截至2019年底，我國西北五省、自治區(甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區、寧夏回族自治區、內蒙古自治區)的光伏發電累計裝機容量已達到50.88 GW，占全國光伏發電累計裝機容量的25%。

同時，西北地區也是我國風沙活動和沙塵暴多發區域[8-9]，年均沙塵暴天數可達10～34天[3-4]，導致該區域的降塵嚴重[5-7,10]。對于干旱地區的大型光伏電站而言，大多數光伏電站位于風沙天氣頻發、植被稀疏、自然環境較為惡劣的荒漠地區，沉降在光伏組件表面的積塵會使光伏組件的透光率下降，減小光伏組件接收的有效太陽輻射強度，降低其光電轉換效率，從而使光伏組件的輸出功率顯著減少[11-13]。相關研究表明：1個月未清洗后，位于沙特阿拉伯的法赫德國王石油與礦業大學的光伏電站中的光伏組件輸出功率損失大于5%[14]；位于阿聯酋阿布扎比石油研究所的光伏電站中的光伏組件最大輸出功率降低了13%[15]；而位于墨西哥埃莫西約索諾拉大學的光伏電站僅20天未清洗，其光伏組件的輸出功率至少下降了5.8%[16]。埃及Helwan國家天文與地球物理研究所針對Helwan地區的研究發現：光伏組件在1個月未清洗后，其輸出功率損失達到了33.5%；6個月未清洗后，其輸出功率損失達到了65.8%[17]，大幅降低了光伏電站的發電效率。高德東等[18]通過研究發現：青海省柴達木荒漠區的光伏電站的發電效率受降塵的影響較大，可降低5%～25%。陳東兵等[19]通過研究發現：安裝在安徽省蚌埠地區的光伏組件在連續積塵20天后，其輸出功率降低了24%，日均降低1.2%。王偉志[20]對甘肅省武威地區某光伏電站的發電效率受積塵影響的情況進行現場實測發現，在秋季無降雨情況下，積塵15天可使光伏組件輸出功率降低約22.60%，日均降低1.51%。以上研究結果表明：光伏組件表面的積塵能夠顯著降低光伏電站的發電量，尤其是建設在干旱地區的光伏電站[21-24]。因此，近年來，光伏組件表面積塵對發電量的影響越來越受到光伏電站管理者的重視，光伏組件表面積塵的清潔也受到研究學者和工程技術人員的普遍關注。

及時清理光伏組件表面的積塵可顯著提高其光電轉換效率[25-27]。據調查，青海省的格爾木京能光伏電站在安裝了光伏組件自動清潔裝置后，在全部為晴天的4月14-26日期間，每天清潔的光伏組件的日總輸出功率相對于未清潔的光伏組件的日總輸出功率平均提升了0.44%。由于測試時間是春季，屬于格爾木空氣比較干凈的季節，因此在積塵最嚴重的冬季，光伏組件清潔后光伏電站的發電效率提升的比例將更高[28]。魏顯文[29]對甘肅省古浪縣某20 MW光伏扶貧配套電站進行了為期1個月的數據采集，結果發現：安裝了清潔系統的光伏組件的日發電量比未安裝清潔系統的光伏組件的日發電量高4.87%～9.85%。王鋒等[30]通過對西安地區某屋頂光伏電站進行對比實驗得出結論：清潔后的光伏組件的輸出功率比清潔前的光伏組件的輸出功率約提高了15%。雷貫強等[31]通過對新疆維吾爾自治區某光伏發電站近1年的數據進行對比和統計分析后發現：從最保守估計的角度來看，預計未進行光伏組件清洗時，每年因積塵造成的光伏電站發電效率損失率為12%；若按照傳統的定期、定時、定次清洗模式對光伏組件進行清洗，從最保守估計的角度來看，預計每年因積塵造成的光伏電站發電效率損失率為7%。

在歐洲等地區，頻繁的降雨一般能夠清除光伏組件表面的積塵，但由于我國干旱地區屬于干旱、半干旱氣候，降水量少，且離水源地較遠，同時地下水資源也很匱乏，因此僅通過降雨等自然條件無法達到及時有效地清洗光伏組件的效果。另一方面，干旱地區的光伏電站都趨向于大型光伏電站，裝機規模可達數十兆瓦至數百兆瓦，占地面積可以達到數平方千米，光伏組件數量可達幾十萬塊，且在降塵嚴重的干旱地區，光伏電站中光伏組件每年的清洗次數高達數十次，但該地區的水資源缺乏，大幅增加了光伏電站的運維成本和難度。因此，光伏組件的清潔已成為目前干旱地區大型光伏電站面臨的最主要問題。本文簡要介紹了積塵對干旱地區大型光伏電站發電量的影響機理(本研究中的積塵或降塵專指沉降于光伏組件表面的物質)，著重分析了目前應用較為廣泛的光伏組件除塵技術及各種除塵技術的優、缺點，并提出了現階段干旱地區大型光伏電站中光伏組件除塵技術研發的基本原則，以及未來干旱地區大型光伏電站中光伏組件除塵設備的研發方向。

1 積塵對干旱地區大型光伏電站發電量的影響機理

鑒于積塵對光伏電站造成的巨大損失，有必要探討積塵對干旱地區大型光伏電站發電量的影響機理。積塵的來源可分為自然來源和人為來源。自然來源主要是指土壤和巖石經風化作用后，分解成細小的顆粒，然后被風力或雨滴等帶到光伏組件表面，比如沙塵暴過后的積塵等；人為來源主要是指工業生產過程中和工程開發建設過程中產生的粉塵，以及交通產生的揚塵等[32]。

1.1 積塵的分類

西北干旱地區的自然環境惡劣，可按是否吸收水分，將光伏組件表面的積塵分為浮塵和積垢兩大類。

1.1.1 浮塵

浮塵顆粒直徑較小，一般呈干燥、松散狀態，很容易附著在光伏組件表面，其積聚過程屬于物理過程。由于干旱地區的光伏電站主要建設在沙漠戈壁地區，而這些地區沙塵天氣頻繁，地面的沙塵被風吹起后會沉降并附著在光伏組件表面。這種附著狀態比較離散，與光伏組件之間的粘性較小，因此比較容易清除。

1.1.2 積垢

積垢既包括溶于降雨、降雪和冰雹中并隨之沉降到光伏組件表面的積塵，也包括積聚在光伏組件表面的干降塵物通過雨/雪水的潤濕或吸收了空氣中的水氣后溶解并附著在光伏組件表面形成的積塵[32]。這類積塵的形態呈現點狀、雨滴狀、片狀和條狀，比較堅硬，且不易清除；并且該類積塵與光伏組件之間的粘性較強，極易吸收空氣中的雜質后一起附著在光伏組件表面。

1.2 積塵對光伏發電的影響類型和影響機理

按不同的影響機理，積塵對光伏組件光電轉換效率的影響類型可分為遮擋效應、溫度效應和腐蝕效應這3種。下文對不同影響類型及影響機理進行詳細介紹。

1.2.1 光伏組件積塵產生的遮擋效應

太陽光線入射至光伏組件的玻璃蓋板表面時會發生反射和折射作用。當光伏組件玻璃蓋板表面產生積塵后，積塵會遮擋照射在光伏組件上的光線。積塵粒徑的大小不同，對照射在光伏組件表面的太陽光線的遮擋程度也會不同，這種遮擋會使光伏組件表面接收太陽輻射的有效面積減少。積塵遮擋下太陽光線照射到光伏組件上的傳播示意圖[33]如圖2所示。

圖2 積塵遮擋下太陽光線照射到光伏組件表面后的傳播示意圖[33]Fig. 2 Schematic diagram of sun light transmission on surface of PV module under dust shielding[33]

從圖2可以看出，當光伏組件玻璃蓋板表面產生積塵后，光強為E的太陽光線照射到積塵表面時會被吸收和散射，其中一部分能量ΔE1被積塵吸收后轉化為熱能，另一部分能量ΔE2被積塵向四周散射。被散射的太陽光線中，可能有部分光強為E1的太陽光線照射到光伏組件的玻璃蓋板上，然后再次形成了一次折射(即光強為E11的太陽光線)和反射(即光強為E12的太陽光線)。由于積塵的遮擋，僅有光強為E1的太陽光線到達光伏組件的玻璃蓋板表面，相比于無積塵時，進入玻璃蓋板的能量減少量為E-E1，從而使光伏組件的光電轉換效率與發電量降低[33]。

1.2.2 光伏組件積塵產生的溫度效應

光伏組件表面的積塵不僅遮擋太陽光線對光伏組件的照射，而且還會導致光伏組件的傳熱形式發生改變。積塵附著在光伏組件表面會阻擋光伏組件的內部熱量向外傳遞，導致光伏組件自身熱量得不到釋放；同時，被積塵遮擋區域的太陽電池的電流低于無積塵遮擋區域的太陽電池的電流，當后者的電流流經被積塵遮擋區域時，多出的電流將以熱量的形式釋放。上述2項因素的綜合作用致使被積塵遮擋區域的太陽電池的溫度越來越高，從而影響整個光伏組件的光電轉換效率。

有研究表明，晶體硅光伏組件的內部溫度每上升1 ℃，其輸出功率約下降0.5%[34]。當光伏組件表面產生積塵并經歷長時間日照后，被積塵遮擋區域的升溫速度遠大于無積塵遮擋區域的升溫速度；當溫度嚴重過高時，光伏組件表面會出現燒壞的暗斑，稱為熱斑效應。熱斑效應會嚴重影響光伏組件的使用壽命和輸出功率，其造成的影響輕則會降低光伏組件的發電量，重則會燒壞光伏組件，甚至引發火災，造成不可挽回的損失[33,35]。

1.2.3 光伏組件積塵產生的腐蝕效應

光伏組件的玻璃蓋板主要是由二氧化硅和石灰石等組成，而積塵一般具有酸性或堿性。當具有酸、堿性的積塵落到光伏組件表面后，在濕潤條件下其會與光伏組件玻璃蓋板中的成分發生化學反應。經過長時間的酸、堿腐蝕后，玻璃蓋板表面就會變得坑坑洼洼，增加玻璃蓋板表面的粗糙度，導致漫反射增大，折射減少，使入射到太陽電池上的光照強度減弱，光電效應減弱，從而降低光伏組件的光電轉換效率[33]。

2 國內外干旱地區大型光伏電站中光伏組件除塵技術的研究與應用現狀

光伏組件除塵技術是指基于特定的原理和裝置，將光伏組件表面的覆蓋物或異物清除，提高光伏組件的透光率，從而達到提高光伏組件光電轉換效率的目的[36]。通過查閱相關文獻發現，現有文獻研究大多聚焦于積塵對光伏組件發電性能的影響，而關于光伏組件除塵技術的文獻資料相對較少，這可能歸因于以往的研究地區主要集中在歐洲、日本等降雨較多、積塵不嚴重的地區，導致光伏組件除塵技術未得到足夠的重視。近年來，隨著我國西北部、美國西南部、中東地區、印度北部、澳大利亞等干旱地區光伏發電規模的不斷增長，光伏組件表面的清潔問題也得到了各國研究學者的高度重視，專業的光伏組件除塵技術也在不斷涌現。根據現有的文獻和在線網絡資源，結合筆者實際調研和多年光伏組件除塵的一線工作經驗，對現有光伏組件除塵技術進行分類。根據該技術目前在市場上的占有率及技術的成熟度情況，可將光伏組件除塵技術分為3類，即：已成熟且已大范圍使用的光伏組件除塵技術、仍需完善但已小范圍使用的光伏組件除塵技術和實驗室階段的光伏組件除塵技術。

下文對這3類光伏組件除塵技術的相關研究進行詳細介紹。

2.1 已成熟且已大范圍使用的光伏組件除塵技術

已成熟且已大范圍使用的光伏組件除塵技術主要包括自然除塵技術、人工清洗技術、高壓水沖洗技術。

2.1.1 自然除塵技術

自然除塵技術是指通過降雨、風力、融雪、重力等自然力量清除光伏組件表面積塵的清潔方式，較適用于降雨量充沛的地區。各國學者就自然降水的清潔效應進行了諸多研究，得出結論：在降雨量充沛的地區，自然降水在大多數情況下能夠清除光伏組件表面的積塵，并可使光伏組件的輸出功率幾乎恢復到初始輸出功率。

APPELS等[37]、HAEBERLIN 等[38]和RYAN等[39]分別在比利時勒芬市、瑞士伯爾尼州、美國俄勒岡州尤金市的光伏電站進行了試驗，結果表明：充足的降雨完全可以恢復積塵造成的光伏組件輸出功率損失，無需再進行人工清洗。武永鑫等[40]對我國大理地區安裝的光伏組件經過6-10月期間的雨水沖刷前、后的相對光電轉換效率的變化進行了研究，結果表明：光伏組件的相對光電轉換效率由6月未經雨水沖刷時的78.1%提高至10月經過雨水沖刷后的90.0%，但由于當地土壤等原因，光伏組件的相對光電轉換效率在回到90%左右后不再提高。當降雨量不足以清洗光伏組件表面的積塵，反而會形成濕降塵，從而導致光伏電站發電量的極速減少[40-41]。同時，風力除塵可以清除光伏組件表面較大顆粒的積塵，而且隨著風速的增大，光伏組件的溫度會下降，周圍空氣的相對濕度也會下降，這將有助于提高光伏組件的光電轉換效率[42]。但風力亦可能會攜帶浮塵從而引起光伏組件積塵，而且風力除塵對直徑小于50 μm的積塵顆粒的效果不大[43]。

由于干旱地區的降雨量和有效降雨次數都較少，因此自然除塵技術不適用于干旱地區光伏電站的光伏組件除塵，僅適合作為該地區光伏電站中光伏組件除塵的一種輔助方式。

2.1.2 人工清洗技術

人工清洗技術是指通過雇傭人力，使用壓力較低的自來水或去離子水，借助長柄拖布或專用刷等清掃工具，或配合專用清潔劑對光伏組件表面進行清潔的方式，較適用于中小型光伏電站中光伏組件表面積塵的清除[22,44-45]。人工清洗技術如圖3所示。

圖3 人工清洗技術Fig. 3 Manual cleaning technology

但對于大型光伏電站而言，人工清洗技術存在效率低、清洗周期長、人力成本高及耗水量大的缺點[46]；而且最好是在早晨或傍晚采用該除塵技術進行光伏組件清洗，且避免在炎熱天氣下清洗光伏組件，因為強光下的光伏組件在遇到水后會引發熱應力，損壞光伏組件，從而縮短光伏組件的壽命[47]。

由于干旱地區的光伏電站通常建在沙漠或戈壁地區，此類區域的人煙稀少、水資源缺乏，因此，人工清洗技術并不適用于干旱地區大型光伏電站的光伏組件除塵。

2.1.3 高壓水沖洗技術

高壓水沖洗技術是指利用接頭端連接在儲水車或水管上的高壓噴頭向光伏組件表面噴水沖刷，從而達到清洗光伏組件表面積塵的目的，具體如圖4所示。高壓水沖洗技術無需大量人工參與、操作簡單、設備成本低、清洗速度快，且能夠適用不同類型和不同地形的光伏電站，可實現按需除塵，不污染環境，被認為是目前最有效的光伏組件除塵技術之一[48]。

圖4 高壓水沖洗技術Fig. 4 High-pressure water jets technology

國內外學者針對高壓水沖洗技術進行的相關研究較多。PAVAN等[49]通過在意大利普利亞區光伏電站的試驗研究發現：用高壓去離子水清洗光伏組件后，再配合刷子對光伏組件表面進行清潔，光伏組件的輸出功率相較于未清洗前增加了6.9%，顯著高于只采用高壓去離子水清洗后光伏組件增加的輸出功率(1.1%)。這表明高壓水沖洗與刷子擦拭結合使用可以清除光伏組件表面高度粘結的細顆粒積塵；但過度擦拭極易刮傷光伏組件表面，因此采用刷子擦洗光伏組件表面時必須謹慎。

也有研究認為，結合專用清潔劑的高壓水沖洗技術是迄今為止最好的光伏組件除塵技術，因為相對于人工清洗技術而言，高壓水沖洗技術僅需相對較少的水量，而結合專用清潔劑后還可以避免過度沖洗和刷子擦拭引起的光伏組件損壞的情況發生[50]。但是大量清潔劑的使用有可能會造成環境污染，這還需要通過后期試驗來進行進一步的驗證。

目前，我國大部分光伏電站主要采用高壓水沖洗的方式進行光伏組件的清洗，但干旱地區本來就缺乏水資源，因此，利用高壓水沖洗技術清洗光伏組件并非該地區理想的光伏組件除塵技術。

2.2 仍需完善但已小范圍使用的光伏組件除塵技術

仍需完善但已小范圍使用的光伏組件除塵技術主要包括吹洗除塵技術、振動除塵技術、噴淋除塵技術、機器人除塵技術、“專用載水車+機械臂”除塵技術，以及納米膜自清潔除塵技術。

2.2.1 吹洗除塵技術

吹洗除塵技術是指通過將空氣噴射到光伏組件表面的方式來吹掉光伏組件表面的積塵；為減少二次揚塵造成的污染，級別較高的除塵設備還增加了吸塵功能。該除塵技術的除塵速度快，能夠實現按需除塵，地形適用性強，而且避免了傳統除塵技術(指前文所述已成熟且已大范圍使用的除塵技術)對光伏組件的長期磨損和對水資源的浪費。此種除塵技術一般應用于水資源匱乏的地區。

陳澤糧[51]設計了一種基于壓縮氣體的吹洗除塵系統，其原理為：壓縮空氣通過壓縮空氣儲能罐、壓力表、控制閥、溫度表、加熱裝置進入清理裝置(清理裝置由高壓氣管和至少1個噴嘴組成)，清理裝置被固定在移動裝置上，隨移動裝置在光伏陣列上移動，壓縮空氣通過噴嘴形成高壓氣流以沖擊光伏組件表面，從而實現光伏陣列的除塵。基于壓縮氣體的吹洗除塵系統的總體結構原理圖[51]如圖5所示。

圖5 基于壓縮空氣的吹洗除塵系統的總體結構原理圖[51]Fig. 5 Overall structure schematic diagram of purging and dust removal system based on compressed air[51]

張紹華等[52]、杜小強等[53]均證明了吹洗除塵技術具有較好的光伏組件除塵效果，但該技術對濕積塵或與光伏組件表面粘結力較強的積塵的清除效果并不明顯。目前，國內外光伏電站都較少使用吹洗除塵技術對光伏組件進行除塵。

2.2.2 振動除塵技術

振動除塵技術是在光伏組件支架上安裝高頻率振動的裝置，在裝置振動的同時，利用積塵自身的重力使其脫離光伏組件表面[54]。該技術的除塵速度快，可以實現按需除塵，并且無需耗水，比較適用于缺水的干旱地區。陳澤糧[51]使用EDEM離散單元法仿真軟件，結合離散單元法，對振動除塵技術進行了仿真實驗，實驗結果表明：振動除塵后，光伏組件表面的積塵顆粒明顯減少。

但振動除塵技術的清潔效率不高，只有大顆粒積塵能通過振動滑落，尤其對濕積塵變干后的狀態不起作用，因此該技術還有待進一步的研究與改進。

2.2.3 噴淋除塵技術

噴淋除塵技術的原理與草坪或高爾夫球場的噴灌原理類似，噴淋除塵系統可頻繁地一次性清潔整列光伏陣列或整個光伏電站，該系統的實物圖如圖6所示。

圖6 噴淋除塵系統Fig. 6 Spray and dust removal system

2008年，SolarWash公司發明了一套可自動清洗的噴淋除塵系統，并將該系統在小型光伏電站中進行了應用試驗，取得了較為滿意的效果[55]。隨后，MOHARRAM等[56]又發明了一套與SolarWash公司發明的可自動清洗的噴淋除塵系統相似的自動清洗噴淋除塵系統，但2套系統的不同之處在于，這套自動清洗噴淋除塵系統增加了水分循環再使用系統，可對水分進行多次循環利用。

噴淋除塵技術的除塵速度快，可實現自動化操作，幾乎不需要人工成本，能夠按需除塵，較適用于小型光伏電站。但對于干旱地區的大型光伏電站而言，噴淋除塵技術的耗水量較大，且需要鋪設大量的輸水管線和購買大量的噴頭，初始成本高；并且在冬季最低溫度下降到0 ℃以下時，無法使用該技術。因此，噴淋除塵技術并不適用于干旱地區的大型光伏電站的光伏組件除塵。

2.2.4 機器人除塵技術

近些年，隨著光伏發電裝機容量的飛速增長，國內外關于機器人除塵技術的研究百花齊放。ANDERSON等[57]發明了第1套光伏陣列清洗機器人裝置，該裝置主要包含2個分別連著光伏組件上端和下端的橫向行走的傳動小車和1個可以上下移動的清洗噴頭，該裝置的除塵技術原理示意圖如圖7所示。該機器人裝置的清洗效率高，能在短時間內完成大面積的光伏組件清洗，且水資源利用率高。但該機器人裝置的體積過大，其移動需要另備小車進行拖動；同時該裝置需要安裝噴水裝置，造價昂貴。

圖7 光伏陣列清洗機器人裝置的除塵技術原理示意圖[57]Fig. 7 Principle schematic diagram of dust removal technology for PV array cleaning robot device[57]

2014年，以色列的Ecoppia公司生產了一款無水清潔機器人[58]，其示意圖如圖8所示。該機器人的工作原理為：通過超細纖維毛刷旋轉并輔以氣流吹掃，自上而下地將光伏組件表面的積塵清除。該機器人在降雨稀少、積塵較松散的中東沙漠地區的應用較為廣泛。

圖8 Ecoppia公司的無水清潔機器人示意圖Fig. 8 Schematic diagram of Ecoppia’s anhydrous cleaning robot

我國也涌現了諸多光伏清潔機器人，以南京天創電子技術有限公司(下文簡稱“南京天創”)的光伏清潔機器人為代表的清潔機器人的應用最為廣泛，如圖9所示。

圖9 南京天創的光伏清潔機器人Fig. 9 PV cleaning robot of Nanjing Tianchuang

南京天創的光伏清潔機器人的工作原理為：通過毛刷高速轉動將積塵從光伏組件表面撣起，然后在毛刷的沖擊和旋轉氣流的共同作用下將積塵驅趕至光伏組件縫隙處并使其脫落[59]。該清潔機器人可實現遠程實時監控，但其最大缺點在于行走系統對光伏組件的安裝精度的要求較為苛刻，一旦光伏組件出現高低落差、傾斜安裝的情況，該清潔機器人很容易因行走不協調而導致其行走輪“自鎖”[59]。

總體來說，機器人除塵技術的自動化程度高、人工成本低、水資源利用效率高，可實現按需除塵；但此類機器人的安裝和維護成本高，并且對操作人員的技術要求高。由于現有的清潔機器人各有弊端，均未能獲得大面積推廣應用。目前僅有少數光伏電站使用機器人除塵技術對光伏組件進行清潔，且均發現在運行一段時間后機器人的故障率較高，需專業人員及時維護。

2.2.5 “專用載水車+機械臂”除塵技術

干旱地區大型光伏電站一般都位于遠離城鎮、條件惡劣的自然環境中，尤其是沙漠、戈壁、荒地等地區，這類地區的風沙和積塵較多，距離水源地較遠，自然降水量少；而此類地區光伏電站中的光伏組件主要采用固定式傾角的安置方式。針對這種特殊情況，國內外相關機構研發出了“專用載水車+機械臂”除塵技術。該技術的工作原理為：車輛前行時滾動刷隨之一起轉動，并帶有噴水裝置，通過采用多重操作來清潔光伏組件表面的積塵。“專用載水車+機械臂”除塵技術如圖10所示。

圖10 “專用載水車+機械臂”除塵技術Fig. 10 “Dedicated water truck + robotic arm” dust removal technology

德國、意大利等國家均有企業研發了“專用載水車+機械臂”的光伏組件除塵技術。我國一些企業結合國內光伏電站的實際情況，在國外此種除塵設備的基礎上進行了一定程度的創新，典型企業代表如：重慶太初新能源有限公司、青島昱臣智能機器人有限公司等。

“專用載水車+機械臂”除塵技術的自動化程度較高，人力耗費少，除塵效果好，但該除塵設備的體型笨重，價格昂貴，無法應對復雜的地形地貌，主要適用于西北地區地勢相對平坦的光伏電站。但由于西北地區的水資源相對缺乏，因此，“專用載水車+機械臂”除塵技術在該地區的應用前景不具有普遍性。

2.2.6 納米膜自清潔除塵技術

納米膜自清潔除塵技術主要分為超親水薄膜除塵技術和超疏水薄膜除塵技術。該技術的工作原理為：在光伏組件玻璃蓋板表面噴涂1層超親水或超疏水涂層，以實現光伏組件的自清潔。

超疏水薄膜除塵技術是通過涂層表面的乳突納米結構使水滴極易滾動，水滴在滾動時會帶走積塵，從而達到自清潔的效果，該現象也稱“荷葉自潔效應”，可使雨滴和積塵都不易粘附在光伏組件表面，尤其適用于降雨量較少的地區[60]。

KONG等[61]使用二氧化硅、氧化鋅在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面形成了柔性透明超疏水薄膜，EBERT等[62]使用正硅酸乙酯在玻璃表面制備出了透明的超疏水薄膜，并對其進行測試。測試結果表明：超疏水薄膜有利于提高光伏組件對太陽光的利用率，進而提高光伏組件的光電轉換效率。謝解解[63]比較了硅類超疏水薄膜和氟類超疏水薄膜對光伏組件的光伏特性的影響，得出結論：硅類超疏水薄膜的透光率比氟類超疏水薄膜的高，但在應對外界環境變化時，氟類超疏水薄膜的透光率更為穩定；而且這2種薄膜均能減少積塵對光伏組件光電轉換效率的影響，其中采用噴涂氟類超疏水薄膜的光伏組件的光電轉換效率受積塵的影響相對較小。

超親水薄膜除塵技術是利用光伏組件表面形成的超親水薄膜阻止積塵與光伏組件表面直接接觸，并在雨水等的沖刷下將污染物帶離組件表面，進而實現光伏組件的自清潔[64]。該類技術適用于降雨量較多的地區。目前應用于光伏組件玻璃蓋板的超親水薄膜主要是基于無機光催化半導體材料的自清潔涂層材料，其中最典型的是二氧化鈦涂層[64]。根據國外有關研究報道可知，噴涂有超親水薄膜的光伏組件的光電轉換效率可以提高5%[65]。

納米膜自清潔除塵技術能夠實時除塵，無需耗水，而且噴涂涂層后無需額外的機械運動，可減少對光伏組件的摩擦。我國研究人員通過對照實驗發現，通過采用自清潔薄膜不僅可提升光伏組件的透光率及自清潔功能，還可以使其發電量提高4.4%[66]。

納米膜自清潔除塵技術對濕積塵不起作用，有的自清潔薄膜的壽命有限，耐磨性較低，在使用其他清洗工具工作時，存在刮壞自清潔薄膜的風險。有報道表示，我國青海省格爾木地區有光伏電站采用了納米膜自清潔除塵技術進行光伏組件除塵[67]，但該技術目前并未能在光伏發電領域獲得廣泛應用。

2.3 實驗室階段的光伏組件除塵技術

當前，實驗室階段的光伏組件除塵技術主要為電簾除塵技術。

電簾除塵技術最初于1967年由美國國家航空和宇宙航行局的TATOM等[68]提出，其原理是在光伏組件表面玻璃蓋板內嵌入正、負電極，然后給正、負電極通電，形成電磁場，電磁場隨著時間和空間不斷變化，利用電磁行波能夠在大氣環境中搬運帶電微塵。文獻[69]研發了通過連接交流電源的平行電極產生電磁行波的方法，最終將帶有正、負離子的積塵驅離光伏組件表面。電簾除塵技術原理的橫截面示意圖如圖11所示。

圖11 電簾除塵技術原理的橫截面示意圖[69]Fig. 11 Cross-section schematic diagram of principle of electrodynamic screen (EDS) dust removal technology[69]

近些年，電簾除塵技術已經被成功應用于探月工程和火星計劃中光伏組件的除塵，并且有大量研究嘗試將該技術應用于地球上的光伏組件除塵。電簾除塵技術無需耗水；自動化程度高，幾乎不需要人工；可以短時間內清潔大范圍的光伏組件，除塵效率高；無機械運動，不會產生沙粒的磨損；耗電量小；可實現每天除塵或更短時間間隔的除塵。據報道，電簾除塵技術可在2 min內去除光伏組件表面90%的積塵[46]。然而目前該技術尚處于實驗室階段，在光伏電站的應用還不成熟，存在很多限制因素，例如：空氣相對濕度超過50%的地區不能使用該技術，該技術對濕積塵不起作用，采用該技術的設備的使用壽命未知，內置的電極會影響極小部分太陽光線的入射等。

2.4 各類光伏組件除塵技術小結

光伏組件積塵危害是光伏發電技術規模化應用中遇到的關鍵技術難題之一，綜上所述可知，現有的大型光伏電站中光伏組件除塵技術均存在一定的局限性，制約著光伏產業的可持續發展。目前，大型光伏電站普遍采用的除塵技術為高壓水沖洗技術[49,70]。而現在市場上研發投入最大、品種最多的光伏組件除塵技術主要是機器人除塵技術和“專用載水車+機械臂”除塵技術，這2種技術也被認為是未來最有前途的光伏電站中光伏組件除塵技術。但這些光伏組件除塵技術均存在自身的缺陷，尚未被市場完全認可。因此，大型光伏電站中光伏組件的除塵技術在原理、方法和新技術等方面都有待突破。

對干旱地區大型光伏電站中光伏組件除塵技術及其優、缺點進行詳細對比，具體如表1所示。

表1 干旱地區大型光伏電站中光伏組件除塵技術及其優、缺點對比Table 1 Comparison of dust removal technology of PV modules in large PV power stations in arid areas and its advantages and disadvantages

3 大型光伏電站中光伏組件除塵技術研發的基本原則

根據上述各種大型光伏電站中光伏組件除塵技術的優、缺點，以及光伏電站業主的需求，本文提出了研發大型光伏電站中光伏組件除塵技術的5個基本原則，即：除塵設備的初始成本和后期維護成本低、除塵效率高、安全性高、用水量少但除塵效率高、干濕兩用。下文進行具體分析。

3.1 除塵設備的初始成本和后期維護成本低

收益率是光伏電站業主選擇除塵技術和除塵設備最重要的指標，而成本是決定收益率的最重要影響因子之一。當除塵設備的除塵效率高，但成本也較高時，會導致收益率降低，將不會被業主所接受。而除塵設備的成本不僅包括設備本身的成本，還包括在設備使用期內的維護費用。尤其是后者，由于大型光伏電站一般都位于人煙罕至的不可利用土地上，維修一次的成本較高且時間(加上往返光伏電站的時間)較長。因此，為降低光伏組件的除塵成本，除塵設備的初始成本和后期維護成本都需要很低。

3.2 除塵效率高

由于光伏組件積塵的累積效應，若不及時清洗，因光伏組件積塵造成的發電量損失會越來越大，尤其在一次揚沙或沙塵暴之后，需要迅速地將整個光伏電站清洗干凈。而我國西北干旱地區在春季時的積塵嚴重，沙塵天氣較為頻繁[4]，若除塵速度較慢，下次積塵發生時，上一次的積塵還未完全清除，2次積塵疊加在一起造成的發電量損失更大。而除塵效率高則意味著單塊光伏組件進行一次除塵的費用會降低。

3.3 安全性高

無論除塵設備的初始成本和后期維護成本多低、除塵效率多高，若除塵設備在使用過程中的安全性得不到保證，會對光伏電站業主造成一定的經濟損失，亦得不到業主的認可。比如：“專用載水車+機械臂”除塵技術，盡管該技術的除塵效果和除塵速度都獲得了光伏電站業主的認可，但該技術的機械臂存在壓壞光伏組件的風險，因此仍未被大規模推廣使用。

同時，安全性也包括操作人員在工作過程中不會發生觸電的事故，因為光伏組件串并聯以后的電壓高達幾百伏，遠超出了人體的耐受極限。而光伏組件存在漏電的隱患，若除塵過程中人體通過不絕緣的工具接觸到漏電的光伏組件，很有可能引發安全事故。因此，在光伏組件除塵的過程中，應盡可能保證人體不和光伏組件有不絕緣的直接接觸。

3.4 用水量少但除塵效率高

大型光伏電站主要分布在中國、歐洲、中東、澳大利亞和美國等國家和地區的太陽能資源充足的戈壁地區，而這些地區氣候干燥且風力較大，光伏組件表面的積塵比較嚴重，對光伏電站發電量的影響也較大。比如采用與用水相關的除塵技術時對水資源的需求較高，而且此類技術通常是用水量越大，除塵效果越好，但這些地區的水資源往往較為稀缺，提高了使用此類技術進行除塵工作的成本[71]。因此，這兩者其實是一個矛盾體，在技術研發的過程中需通過試驗尋求用水量和除塵效果之間的平衡點，后期亦可通過清潔水的循環利用減少用水量。

3.5 干濕兩用

我國的大型光伏電站主要分布在西北地區，該地區冬季較寒冷，一般從11月初到來年3月下旬期間，最低溫度都在0 ℃以下，無法開展水洗相關的除塵工作。而該地區此段時間積塵的影響又較大，尤其是下完小雪以后，積塵現象更嚴重，單一的干洗或水洗方式都不能完成除塵作業。因此，如果某種除塵技術只能干洗或水洗，這就要求業主需要購買2種除塵設備，且只能分別在不同的氣溫條件下使用，導致除塵作業的成本較高且單個除塵設備的利用率較低。這也要求未來的除塵技術要兼顧干洗和水洗2種功能。

4 展望

光伏發電系統已在全球獲得大規模推廣應用，未來隨著光伏發電成本的不斷下降，以及全球對可再生能源的逐漸重視，光伏發電的規模還將逐步擴大。尤其是在荒漠地區，比如中東和北非地區(MENA)及我國西北的沙漠、戈壁地區，這將是未來大型光伏電站最重要的建設區域。而在這些區域建設的光伏電站的后期維護是影響其能否高效運行的重要環節，其中，光伏組件表面積塵對光伏電站的發電效率起到了制約作用，而光伏組件除塵技術是提高光伏電站運行效率的重要技術。由于得天獨厚的太陽能資源條件，近幾年我國許多中大型光伏發電企業將光伏電站建設在西北干旱地區，而西北干旱地區的積塵又嚴重制約了這些光伏電站的發電量。若光伏組件表面的積塵問題得不到解決，將嚴重影響光伏發電系統的工作效率，降低其發電量，造成巨大的經濟損失。

目前，國內光伏電站中光伏組件除塵業務的市場需求與除塵設備供應情況出現脫節，光伏電站中的光伏組件要么不清洗，要么采用效率極低的人工清洗方式，或采用國外進口的成本相對較高的“專用載水車+機械臂”技術來進行除塵，再加上光伏電站裝機容量和除塵規劃的不透明，隨之產生了光伏電站業主對除塵業務需求的迫切性與實際除塵設備不能滿足除塵要求的極大反差。因此，光伏組件除塵技術在工作原理、除塵方法和新技術研發等方面都有待突破。

筆者認為，隨著除塵設備智能化程度的不斷提高，以及研究人員對于積塵機理和光伏組件布設特殊性的深入研究，能夠自動感知光伏組件表面積塵的累積程度及未來一段時間氣候條件變化，能據此提供最優清潔方案，可以全天候獨立完成除塵工作且無需人員干預的智能化除塵設備將會是未來大型光伏電站除塵設備研發的主要方向之一。

5 結論

本文介紹了積塵對干旱地區大型光伏電站發電量的影響機理，根據除塵技術目前在市場上的占有率及技術的成熟度情況，將光伏組件除塵技術分為3個大類，對每類除塵技術的優、缺點進行了詳細介紹和分析，并提出了現階段干旱地區大型光伏電站中光伏組件除塵技術研發的基本原則為：初始成本和后期維護成本低、除塵效率高、安全性高、用水量少但除塵效率高、干濕兩用。未來，能夠自動感知光伏組件表面積塵的累積程度和未來一段時間氣候條件變化情況，能據此提供最優清潔方案，且可以全天候獨立完成除塵工作、無需人員干預的智能化除塵設備將會是大型光伏電站除塵設備的主要研發方向之一。