氦氣球懸浮管道光伏組件清洗方式的應(yīng)用研究

閆小龍 1 ， 馬小芳 2

（1.三峽新能源清水發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.中國三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司西北分公司，甘肅 蘭州 730050）

大規(guī)模集中式光伏電站一般位于自然環(huán)境較為惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，例如甘肅的河西走廊，青海、新疆、內(nèi)蒙的荒漠戈壁。這些地區(qū)多風(fēng)沙且距離水源地較遠(yuǎn)，光伏電站的裝機(jī)動(dòng)輒數(shù)百兆瓦，組件數(shù)量非常巨大，少量降雨的沖刷難以實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的清洗。即便有充足的水源、設(shè)備和人力，要完成一次如此大規(guī)模的清洗，其龐大的工作量也難以想象。而且天氣的變化可能導(dǎo)致清洗工作反復(fù)進(jìn)行，這就迫切需要一種高效、經(jīng)濟(jì)的清洗方式[1]。

1 常規(guī)光伏組件清洗方式

針對(duì)光伏組件表面積塵的清潔問題，國內(nèi)光伏電站主要采用設(shè)備清洗的方法，主要形式有人工清洗、設(shè)備清洗和清洗機(jī)器人智能清洗等。

人工清洗為最原始、最直接的組件清洗方式。通過清掃或水洗對(duì)組件進(jìn)行清潔，往往需要借助各種工具開展工作，對(duì)于裝機(jī)容量較大的電站，需要 雇傭大量的勞務(wù)工人進(jìn)行此項(xiàng)工作。清洗效率低下，清洗效果不一致，還可能對(duì) 組件表面產(chǎn)生損傷，從而影響組件壽命。

清洗設(shè)備主要有兩種：一種是由水車搭配噴淋設(shè)備發(fā)展而來；一種是旋轉(zhuǎn)的刷頭配合給水設(shè)施發(fā)展形成的集成式清洗車，其包含水箱、清洗機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、給水機(jī)構(gòu)。這兩種設(shè)備成本較大，尤其是設(shè)備的一次性投入資金過大[2-3]。

近年來，組件清洗技術(shù)也有了很好的發(fā)展，為提高清洗光伏板表面灰塵的效率，人工智能也被引入到組件清洗設(shè)備的生產(chǎn)制造中，并出現(xiàn)了組件清洗機(jī)器

人，用以徹底清理光伏板表面的灰塵及污垢，以提升發(fā)電效率，其方式是在電站每排光伏板中安裝一臺(tái)光伏板清洗機(jī)器人，機(jī)器人自動(dòng)定期清掃，無人值守[4]。常見組件清洗模式如表1所示。

表1 常見組件清洗模式對(duì)比分析

2 氦氣球清洗方式的原理和技術(shù)方案

2.1 基本原理與構(gòu)造

整個(gè)清洗結(jié)構(gòu)由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、水箱、高壓水泵、壓力表、管道、氣球、噴頭、備用氦氣及其他附件構(gòu)成。

動(dòng)力機(jī)構(gòu)：動(dòng)力機(jī)構(gòu)可由常見的灑水車、拖拉機(jī)等牽引車輛提供。

水箱：可直接使用灑水車或者根據(jù)牽引動(dòng)力車輛的構(gòu)造單獨(dú)配備水箱。

給水泵：常用高壓水泵。

壓力表：保證水壓不超過管道及噴嘴的額定工作壓力。

氦氣球：根據(jù)滿水管道的重量選擇合適的可反復(fù)充氣使用的、較為安全的氦氣。

管道：選擇輕質(zhì)耐高壓且與泵壓力匹配的管道。

噴嘴：選用扇形噴嘴。

2.2 技術(shù)方案和應(yīng)用模式

1）噴嘴的選用。噴嘴是一種較為成熟的產(chǎn)品，市面上噴嘴的種類繁多，用于清洗的噴嘴一般選用扇形噴嘴。根據(jù)噴嘴的規(guī)格參數(shù)，并在滿足清洗效果的前提下，需考慮噴嘴的安裝數(shù)量、安裝間距，且直接影響到噴嘴的噴射角度、噴射距離和覆蓋范圍。噴嘴的覆蓋范圍的理論數(shù)值是假定噴射角度在整個(gè)噴射距離范圍內(nèi)保持不變，根據(jù)噴嘴夾角及組件與噴嘴之間的距離計(jì)算得出的[5]。如圖1所示。

圖1 理論覆蓋范圍與噴射角度的關(guān)系圖

在清洗光伏組件時(shí)，對(duì)噴嘴離組件的距離沒有嚴(yán)格規(guī)定，但是，噴嘴口離組件太近的話，會(huì)影響清洗寬度；離組件太遠(yuǎn)，則達(dá)不到去污清潔效果。因此，一般選擇噴嘴口離組件距離200 mm～300 mm。綜合上述因素，常規(guī)選擇以扇形噴嘴60°噴角、離組件高度不低于250 mm為宜，此時(shí)組件清洗理論覆蓋范圍為280 mm。

扇形噴嘴與組件的接觸面可理解為一條直線，且邊緣位置略微變窄，因此，為保證清洗時(shí)有較大的覆蓋范圍和良好的清洗效果，相鄰噴嘴的扇形邊緣應(yīng)有合理的重 疊，從而獲得均勻的、全面覆蓋的效果面。安裝噴嘴的常規(guī)使用要求，噴嘴的 噴射寬度應(yīng)重疊1/3～1/4。并根據(jù)噴射角度和扇形噴嘴的特性，可計(jì)算出理論覆蓋范圍約 280 mm，相鄰噴嘴安裝距離為190 mm～220 mm。

2）高壓水泵的選擇。為保證系統(tǒng)工作壓力和流量符合設(shè)計(jì)要求，并考慮輸水距離以完成長距離清洗任務(wù)。高壓水泵擬選用工作壓力≤10 MPa、流量約600 L/h的柱高壓塞泵。

3）輸水管道的選擇。為保證系統(tǒng)壓力，首先應(yīng)滿足管道的壓力要求。按照壓力需求，管道應(yīng)該選用高壓管道，管道采用分段安裝的方式，可靈活調(diào)整輸水和清洗距離。根據(jù)水泵的選型和噴嘴的特性要求，同時(shí)需要管道質(zhì)量輕，具有柔軟性良好、壓力損失小的特點(diǎn)。依據(jù)這些特性，輸水管道選用PU夾紗管，PU夾紗管可承受的壓力是單層PU管的1.8倍。市場(chǎng)上常見的PU夾紗管技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 PU 夾紗管技術(shù)參數(shù)表

水管材質(zhì)：聚氨酯，增強(qiáng)纖維網(wǎng)。

水管規(guī)格： 10 mm（內(nèi)徑），14.5 mm（外徑）。

長度：輸出管總長20 m，分段長度約0.2 m 。

常用壓力：2 MPa～6 MPa。

采用該模式進(jìn)行光伏組件清洗，成本低廉，效率高，效果好。在設(shè)計(jì)上，假如管道長度為20 m，安裝100個(gè)噴嘴，那么理論上每小時(shí)清洗量可達(dá)100余畝，每天正常清洗量可達(dá)1 000～1 500畝。由此想到，采用這種方式在配備足夠壓力的泵、相匹配的管道、足夠多的氣球時(shí)，清洗范圍可以無限延長，因管道懸空，只需兩頭有少量的牽引力就可實(shí)現(xiàn)大范圍的組件清洗目標(biāo)，并可延伸出單向清洗方式和雙向清洗方式兩種模式。

除這兩種模式外，還可根據(jù)光伏區(qū)道路進(jìn)行縱向清洗工作[6-10]。

3 小結(jié)

利用氦氣球進(jìn)行組件清洗的模式有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

1）優(yōu)點(diǎn)。一是成本低廉，關(guān)鍵構(gòu)件為車輛、水箱、管道和氣球，一次性投入可反復(fù)、長久使用，比常規(guī)清洗設(shè)備價(jià)格便宜；二是操作方便，需用的人工少，2～3人即可完成；三是一次性清洗范圍大，清洗效率高，效果好；四是用水量小，采用多個(gè)噴頭同時(shí)進(jìn)行清洗，噴灑均勻，不會(huì)浪費(fèi)水；五是靈活性較強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)清洗水管的長度。

2）缺點(diǎn)。一是因采用氦氣球，需要做好防火防爆措施；二是受刮風(fēng)等天氣因素影響較大；三是為避免對(duì)組件產(chǎn)生陰影遮擋，應(yīng)將清洗作業(yè)安排在下午5點(diǎn)以后實(shí)施。

3）綜上所述，采用以氦氣球懸掛管道進(jìn)行光伏組件清洗的方式是可行的，且相比于常規(guī)形式的清洗方式，其具有顯著的優(yōu)勢(shì)。