清洗參數對光伏組件表面壓力影響的實驗研究

苗寶平，賈海清，霍舒龍，白 雄，張朝輝*，吳正人

(1. 中廣核新能源投資(深圳)有限公司內蒙古分公司，呼和浩特 010020； 2. 華北電力大學(保定)動力工程系，保定 071003)

0 引言

如今，碳中和已經成為全球共識，全球范圍內的碳減排勢在必行。太陽能憑借來源廣、易獲得和可再生等優勢，獲得了世界各國的青睞，而光伏發電有望成為碳中和的主力軍[1]。

灰塵在光伏組件表面的沉積問題是世界各國的光伏產業均面臨的主要問題之一[2]。國內外研究學者均指出，與清潔光伏組件相比，表面積塵的光伏組件發電時的輸出功率會明顯降低[3-4]。此外，光伏組件表面的灰塵影響了其表面玻璃的粗糙度和透光率，降低了其輸出功率[5]。光伏組件表面積灰還會導致其工作溫度升高，降低其輸出功率，嚴重時還會導致光伏組件熱斑效應的產生，直接損壞光伏組件，從而給光伏電站的高效運行帶來安全隱患[6]。

對光伏組件進行清洗，并制定合理的清洗周期是保證光伏電站中光伏組件輸出功率的重要手段。光伏組件的清洗方式眾多，主要包括水射流清洗、干洗、化學清洗及靜電清洗等方式[7]。基于成本、技術等考慮，水射流清洗是目前國內光伏電站采用較多的清洗方式。水射流清洗積灰的工作原理主要分為2種：一種是采用以水滲透為主的破碎機理；另一種是采用水壓力直接壓縮和剪切的破碎機理[8]。根據光伏組件表面的積灰類型，可認定水射流清洗光伏組件積灰采用的是以水滲透為主的破碎機理。為了達到清潔的目的，需要到達光伏組件表面的水射流達到一定壓力，以克服灰塵與光伏組件表面的粘附力[9]。

國內外研究學者對射流清洗進行了廣泛研究。王麗萍等[10]研發了一種高壓水射流實驗臺，并測試了不同清洗靶距和水射流入射角度對射流打擊力的影響。測試結果表明：隨著清洗靶距的增加，射流打擊力呈先增加后減小的趨勢；隨著水射流入射角度的增加，射流打擊力呈降低趨勢；但考慮到清洗效率問題，射流需要一定入射角度以提供剪切力，該入射角度需要根據不同清洗場景來確定。王國志等[11]利用Fluent軟件對錐形噴嘴的外流場進行了仿真模擬分析，仿真結果表明：隨著射流壓力的增加，射流打擊力、射流動壓和有效射流距離都在增加；隨著錐形噴嘴直徑的增加，射流壓力、射流打擊力、射流動壓和有效射流距離也在增加；水射流清洗存在一個臨界壓力，有效射流距離為錐形噴嘴直徑的1800～2000倍。Guha等[12]從水射流清洗理論出發，結合實驗和數值研究對水射流清洗過程進行了研究，得出以下結論：滯止壓力沿著軸線線性衰減；有效清洗距離應小于5倍噴嘴直徑；清洗距離在26倍噴嘴直徑之外，射流會失去其清洗能力。Fuchs等[13]為了評估有效射流距離對射流破碎、清潔能力及不同受洗介質的影響，選用直徑為3 mm的噴嘴，分別在2 bar和4 bar的射流壓力下進行清洗實驗，實驗結果表明：不同的受洗介質需要不同的清洗時間；清洗面積會受不同距離工況下射流破碎的影響。Damkj?r等[14]在噴嘴直徑為2.0～5.5 mm、清洗距離為80～2490 mm、流量為0.05～3.00 m3/h的條件下對容積為19 m3的水箱的水射流清洗效果進行了研究，并建立了預測模型；同時該研究也指出，對于較長的清洗距離和較大的噴嘴直徑，只能對清洗的初始階段進行建模，因為射流破碎會帶來數學模型中未考慮到的復雜性和動量損失。

從水射流清洗積灰的工作原理可知，在進行光伏組件清洗時，光伏組件表面壓力是需要考慮的重要因素。光伏組件表面壓力過小，不能達到清洗的目的；表面壓力過大，則可能導致清洗過程中形成不必要的浪費，甚至對光伏組件造成損害。此外，當前對光伏組件清洗參數的研究相對較少，缺少對光伏組件表面壓力分布規律的研究，且對清洗過后光伏組件安全性的研究更少。

基于此，本文搭建了水射流清洗光伏組件積灰實驗臺，針對不同清洗靶距、射流壓力和水射流入射角度下光伏組件表面的壓力大小及分布規律進行了實驗研究，并對清洗后光伏組件表面的隱裂情況進行了定性分析，以期為光伏電站在不同清洗環境下清洗參數的選擇提供理論參考。

1 水射流清洗光伏組件積灰實驗臺

為獲取不同清洗參數下光伏組件表面的壓力大小及分布規律，以及進行清洗后光伏組件安全性的研究，本研究設計搭建了水射流清洗光伏組件積灰實驗臺，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 水射流清洗光伏組件積灰實驗臺的結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of test bench of water jet cleaning dust deposition for PV modules

該實驗臺主要由射流及調節模塊、壓力采集模塊、光伏組件調節模塊3個模塊組成。

1.1 射流及調節模塊

水射流清洗光伏組件積灰實驗臺的射流及調節模塊主要由高壓清洗水泵系統、噴嘴及噴嘴移動控制系統構成。其中，高壓清洗水泵系統中的高壓水泵為可調壓水泵，調節壓力范圍為0～25 MPa，可以覆蓋本實驗所需壓力范圍；本實驗選取的噴嘴為出口直徑2 mm的圓柱形噴嘴；噴嘴移動控制系統由步進電機驅動，可實現0.05 mm的精確定位。射流及調節模塊的實物圖如圖2所示。

圖2 射流及調節模塊的實物圖Fig. 2 Photos of jet and regulating module

實驗中，通過射流及調節模塊整體的前后移動來模擬光伏組件實際清洗過程中清洗人員與光伏組件的清洗距離。

1.2 壓力采集模塊

該實驗臺的壓力采集模塊用于實現光伏組件表面的壓力大小采集及分布規律分析，該模塊主要由壓力傳感器及壓力信息采集系統組成，以實時記錄不同清洗條件下光伏組件表面的壓力情況。其中，壓力信息采集系統主要包括應力應變采集儀和壓力信息采集軟件。壓力采集模塊的實物圖如圖3所示。

本實驗選用的壓力傳感器采用應變式傳感器，量程范圍為0.1～2.0 MPa；采用8通道的應力應變采集儀，最大采樣速度為100 Hz；設置壓力信息采集軟件的采樣間隔時間為0.1 s，即1 s記錄10次壓力信息。實驗數據采集時，選取壓力穩定后的壓力值作為光伏組件表面壓力數據。

圖3 壓力采集模塊的實物圖Fig. 3 Photos of pressure acquisition module

對壓力傳感器進行布置時，需考慮到清洗過程中光伏組件表面壓力的不同主要體現在縱向(沿光伏組件從下至上)上，且主要集中在整個光伏組件的下半部分。因此，本實驗中壓力傳感器在光伏組件表面的布置位置采用如圖4所示的方式。

圖4 壓力傳感器在光伏組件表面的布置位置Fig. 4 Arrangement position of pressure sensor on the surface of PV module

1.3 光伏組件調節模塊

該實驗臺的光伏組件調節模塊主要由光伏組件和光伏組件傾角調節支架組成。其中，光伏組件傾角調節支架用于調節光伏組件傾角，通過改變光伏組件傾角來模擬光伏組件實際清洗過程中水射流入射角度的改變。

2 實驗參數的選取及實驗步驟

2.1 選取實驗參數

本實驗主要選取清洗靶距、射流壓力及水射流入射角度3個清洗參數進行研究。3個清洗參數的關系示意圖如圖5所示。

圖5 實驗選取的3個清洗參數的關系示意圖Fig. 5 Schematic diagram of relationship between three cleaning parameters selected in the experiment

1)清洗靶距。本實驗將清洗靶距定義為噴嘴出口前端面至光伏組件受洗面最下沿的水平距離，其對光伏組件受洗面壓力存在直接影響。清洗靶距對光伏組件清洗的影響主要在于：隨著清洗靶距的增大，水流與空氣的混合作用逐漸增強，射流發散性隨之增強，與空氣的動量交換逐漸加劇，造成射流動壓下降，導致光伏組件表面壓力降低；但同時，隨著清洗靶距的增大，清洗寬度隨之增大，清洗面積也相應增加，而這對于提升光伏組件清洗效果是有益的。

2)水射流入射角度。光伏組件實際清洗時，由于受清洗高度及地形的限制，噴嘴角度不可避免的會出現改變，且根據清洗時水射流打擊力的分解原理，角度的改變將直接導致光伏組件表面壓力產生變化，最終會影響光伏組件的清洗效果。

本實驗方案采用調節光伏組件傾角的方式來模擬光伏組件實際清洗過程中噴嘴角度的改變。將光伏組件傾角依次調節為53°、43°、38°、33°、23°，對應噴嘴角度(即水射流入射角度)改變為-15°、-5°、0°、5°、15°(噴嘴向上傾斜定義為正向，向下傾斜定義為負向)，共5組水射流入射角度數值。

3)射流壓力。射流壓力對射流結構的影響明顯，且隨著射流壓力的增加，水流的霧化程度也會隨之增強，光伏組件的清洗效果也隨之提升。此外，射流壓力與清洗消耗功率直接相關，其直接決定了光伏組件清洗時能源的消耗情況。

綜上所述，本實驗所選取的清洗參數及其數值如表1所示。

表1 本實驗選取的清洗參數及其數值Table 1 Cleaning parameters and their values selected in this experiment

2.2 實驗設備

本實驗中，對清洗后光伏組件的安全性進行定性分析時，采用電致發光(EL)測試儀。EL測試儀是利用晶體硅的電致發光原理，采用高分辨率的紅外相機拍攝光伏組件的近紅外圖像，從而獲取并判定光伏組件的缺陷情況。EL測試儀的實物圖如圖6所示。

圖6 EL測試儀的實物圖Fig. 6 Photo of EL tester

2.3 實驗步驟

本實驗的具體步驟為：

1)在固定光伏組件傾角工況下，進行不同射流壓力和清洗靶距的清洗實驗。固定光伏組件傾角為某一角度后，分別對不同清洗靶距進行逐次固定；然后在每個固定清洗靶距工況下，進行射流壓力參數的全調節實驗，并采集實驗數據；每次實驗后，采用EL測試儀，對清洗后光伏組件的安全性進行分析，根據EL圖像鑒別光伏組件表面是否存在隱裂現象，并保留EL圖像。

2)調節光伏組件傾角，依次調節為53°、43°、38°、33°、23°，然后在每一固定光伏組件傾角工況下重復實驗步驟1)。

3)統計實驗數據，完成實驗。

3 實驗結果分析

3.1 射流壓力對光伏組件表面壓力的影響

將光伏組件傾角調節為38°，此時對應的水射流入射角度為0°，并將清洗靶距固定為400 mm，以此工況的實驗數據作為分析射流壓力的特征工況，通過調整射流壓力的數值來分析不同射流壓力對光伏組件表面壓力的影響。該工況下光伏組件表面壓力隨射流壓力變化的情況如圖7所示。圖中：縱向距離為沿光伏組件從下至上的距離，下同。

圖7 水射流入射角度為0°、清洗靶距為400 mm時， 光伏組件表面壓力隨射流壓力變化的情況Fig. 7 When water jet incidence angle is 0° and cleaning target distance is 400 mm，surface pressure of PV module changes with jet pressure

從圖7可以看出：當水射流入射角度為0°、清洗靶距為400 mm時，光伏組件表面壓力隨射流壓力的增加逐漸增加，但并不呈現線性變化規律，即光伏組件表面壓力隨射流壓力增加而增加的幅度并不相同。光伏組件下半部分壓力增加幅度較大，而上半部分壓力增加幅度較小，基本趨向于定值。該現象產生的原因在于射流在光伏組件上部已趨近尾段，霧化效果明顯。

另外，從圖7還可以發現：不同射流壓力下光伏組件表面壓力的分布趨勢均基本呈現“W”型，均存在2個壓力“塌陷”區，集中在光伏組件第2塊和第6塊太陽電池(由下至上)處，且“W”型分布趨勢隨著射流壓力的增加逐漸清晰。這是因為在這2塊太陽電池處，水滴反濺數量較其他位置相對較少，根據動量守恒原理，反濺的水滴數量越多，則光伏組件表面壓力越大。

3.2 清洗靶距對光伏組件表面壓力的影響

將光伏組件傾角調節為38°，此時對應的水射流入射角度為0°，并將射流壓力固定為8 MPa，以此工況的實驗數據作為分析清洗靶距的特征工況，通過調整清洗靶距的數值來分析不同清洗靶距對光伏組件表面壓力的影響。該工況下光伏組件表面壓力隨清洗靶距變化的情況如圖8所示。

圖8 水射流入射角度為0°、射流壓力為8 MPa時， 光伏組件表面壓力隨清洗靶距變化的情況Fig. 8 When water jet incidence angle is 0° and jet pressure is 8 MPa，surface pressure of PV module changes with cleaning target distance

從圖8可以看出：當水射流入射角度為0°、射流壓力為8 MPa時，光伏組件表面壓力隨清洗靶距的增加逐漸減小；在清洗靶距為200 mm時，光伏組件表面壓力達到最大，且最大壓力點的值為32 kPa。在此工況條件中，光伏組件表面壓力的分布趨勢仍然呈“W”型，存在2個壓力“塌陷”位置，也仍然位于第2塊和第6塊太陽電池(由下至上)處；且隨著清洗靶距的減小，“W”型逐漸清晰。

3.3 水射流入射角度對光伏組件表面壓力的影響

選取射流壓力為6 MPa、清洗靶距為200 mm時的實驗數據作為分析水射流入射角度的特征工況，通過調整水射流入射角度來分析其對光伏組件表面壓力的影響。該工況下光伏組件表面壓力隨水射流入射角度變化的情況如圖9所示。

圖9 射流壓力為6 MPa、清洗靶距為200 mm時， 光伏組件表面壓力隨水射流入射角度變化的情況Fig. 9 When jet pressure is 6 MPa and cleaning target distance is 200 mm，surface pressure of PV module changes with water jet incidence angle

從圖9可以看出：當射流壓力為6 MPa、清洗靶距為200 mm時，不同水射流入射角度下，光伏組件表面壓力呈現出無序分布的狀態，變化規律并無統一性，統計學意義較弱。但在水射流入射角度為-5°和-15°時，2條光伏組件表面壓力曲線基本呈對稱分布。

根據其他的實驗數據可知，不同射流壓力時，光伏組件表面壓力隨水射流入射角度變化的情況均呈現上述2種態勢，因此認定實驗數據準確，但光伏組件表面壓力隨水射流入射角度變化的規律性不強。

3.4 清洗后光伏組件表面隱裂情況分析

在射流壓力高、清洗靶距小、清洗時間長(每個水射流入射角度工況下共保持約2 h的持續沖擊，假設光伏電站進行清洗作業時，每塊光伏組件的清洗時長為60 s，則本實驗清洗次數共折合約為600次)的清洗條件下對單塊光伏組件進行清洗，然后采用EL測試儀對清洗后的光伏組件進行測試，通過EL圖像分析光伏組件表面的隱裂情況。光伏組件表面隱裂測試結果如圖10所示。

圖10 光伏組件表面隱裂測試結果Fig. 10 Test results of surface crack of PV module

從圖10可以看出：光伏組件的EL圖像未出現異常，說明光伏組件表面未出現隱裂，證明本實驗所采用的清洗參數不會對光伏組件的安全性產生影響，從而不會對光伏組件的輸出功率產生負面影響。

4 結論

本文為研究不同清洗參數對光伏組件表面壓力的影響及壓力分布規律，搭建了水射流清洗光伏組件積灰實驗臺，并對清洗后光伏組件表面的隱裂情況進行了定性分析。實驗結果表明：

1)在不同射流壓力和清洗靶距下，光伏組件表面壓力的分布趨勢均呈“W”型，均存在2個壓力“塌陷”區，且都位于第2塊和第6塊太陽電池(由下至上)處；且隨光伏組件表面壓力的增加，“W”型逐漸清晰。

2)在射流壓力和清洗靶距固定的情況下，光伏組件表面壓力隨水射流入射角度變化的規律不明顯，分布較為雜亂。

3)清洗后光伏組件表面并未產生隱裂現象，證明本實驗的清洗參數不會對光伏組件的安全性產生影響。

本實驗研究對光伏組件清洗參數的確定具有重要意義，研究結果可為光伏電站在不同清洗環境下光伏組件清洗參數的選擇提供理論參考。