光伏板清潔裝置的優缺點分析與前景展望

王凱璐 李子強 端木維禹 孔欣暢 渠鴻洋 張冉冉

1.山東理工大學農業工程與食品科學學院

2.山東理工大學電氣與電子工程學院

3.山東理工大學化學化工學院

0 引言

隨著煤炭、石油等傳統能源的逐漸減少，能源供需問題日益突出。未來，在人類社會發展過程中可再生能源的投入使用，是緩解對傳統化石燃料依賴必不可少的重要環節。太陽能光伏發電是綠色能源的主要來源之一，在能源結構中的占比程度也會不斷提升。“十三五”以來，我國光伏發電產業迅速發展，僅2021年我國光伏組件裝機新增5 488 kW，為近年來投產最多的一年。截至2021 年底，光伏發電設備累計裝機量達3.06 億kW[1］。但在實際使用場景中，太陽能光伏板所處環境中的塵埃、鳥糞[2］等易聚集在光伏板表面導致光伏組件發電效率降低，光伏企業也會因此承受巨大的損失[3］。

然而，我國集中式大型光伏發電站多建設于生態環境較為惡劣的偏遠地區[4］，電站維護工作開展難度較大，且光伏板表面積灰的出現會嚴重影響其發電效率及使用壽命。因此，研究出一款適用于我國光伏行業現狀的光伏板清潔裝置，探索出新型除塵方案是光伏行業進一步發展的必經之路。基于此，本文針對目前使用較多的幾種光伏清潔裝置進行了研究，并對比不同設備所存在的優缺點。

1 光伏板清潔主要方式與裝置分類

目前，市面上主要的清潔方式為機械除塵。機械除塵作業過程中以水為主，清潔劑等物質為輔，通過電驅動式滾刷對光伏板表面進行清潔，采用這種方式的光伏板清潔裝置由于制作難度小、制作與后期維護成本低等特點得到了廣泛的應用。

其次，機械除塵中也有部分清潔裝置采取無水清潔方式來完成清潔任務，無水清潔裝置主要依靠滾刷筒兩側的軸頭安裝支撐軸承和帶輪，裝置能感應灰塵方位，自主開啟除塵裝置，尼龍滾刷在光伏板表面旋轉，使表面的灰塵脫離光伏板，當灰塵積累達到一定量時，自主卸塵裝置得到感應，自動將沙塵收集到專用沙塵儲藏罐中，以實現對光伏板的無水清潔。無水清潔機器人主要由自主清潔系統、自主控制器系統、電機驅動系統、無線通信系統、行走限定系統、定位感知系統等裝置系統及其眾多的光伏元件組成。據統計，1 MW 無水清潔機器人的清潔周期比人工清潔周期縮短約22.6 天，清潔成本下降約86.52%。利用灰塵積累為8 g/m2的透光率計算出其清潔效率高達90.09%，當灰塵積累量為6 g/m2時，其清潔效率高達91.04%，遠遠高于普通的機械除塵清潔裝置[5］。其高效無污染的清潔過程有效解決了傳統清潔方式帶來的清潔作業過程中用水量大、清潔劑污染土壤及周邊環境的問題。

以上兩種清潔方式在目前的光伏板清潔行業都有采用，但前者依靠較低的制造與維護成本在該行業中擁有較高的市場占有率。后者具有清潔能力強、清潔周期短、環保無污染等優點，但因其前期投入成本過高，并未得到大面積的推廣使用。光伏清潔裝置廠家在上述兩種清潔方式的基礎上研制出各種用于光伏板清潔作業的裝置，若通過裝置移動與作業方式對其進行分類，可分為板上清潔裝置與地面清潔裝置兩種。

1.1 板上太陽能光伏板清潔裝置

板上太陽能光伏板清潔裝置，是指清潔裝置依靠軌道或自身結構可實現在光伏板表面移動并完成清洗作業的光伏板清潔裝置。板上太陽能光伏板清潔裝置主要分為以下三種：

1.1.1 板上式與地面式相互配合完成清潔任務

此類光伏板清潔機器人，是依靠位于光伏板表面的清潔裝置與在地面行走的“運輸車”配合完成工作。位于板上的機器人擔任清除光伏板表面積灰任務，“運輸車”則負責向清潔裝置提供能源、水源、清潔劑等清潔過程中所消耗的“必需品”。通過兩種裝置的相互配合完成太陽能光伏板表面積灰清潔工作。

圖1為BQ-1200型光伏電站清潔機器人，該類清潔裝置通過機器人主體、高壓水泵車及遙控系統等組成，可在有水、無水兩種清潔方式中進行切換，可針對不同作業環境與作業要求進行調整。該機器人總長1 300 mm，寬1 320 mm，高400 mm，重約48 kg，清潔效能高達每小時3 000 m2[6］。

圖1 BQ-1200型光伏電站清潔機器人

1.1.2 自主式板上太陽能光伏板清潔機器人

此類機器人主要靠真空吸附式、推力吸附式、磁吸附式以及仿生吸附式等四種方式為主，以此來保持裝置在光伏板表面不會滑落，實現在光伏板表面自由行走。為減輕機身自重，該類光伏清潔機器人多采用無水清潔方式，利用無水清潔，無需搭載水箱的優點來減輕裝置自重，可有效避免清潔裝置在清洗作業時因自身過重而導致光伏組件損傷所帶來的經濟損失。

由日本Sinfonia Technology 有限公司所設計的一款自主式板上清潔機器人，該型機器人采用滾刷與清潔劑相配合的方式對光伏板表面積灰進行處理，清潔速率約為每小時100 m2[7］。

1.1.3 軌道式板上太陽能光伏板清潔機器人

軌道式板載清潔機器人依靠提前在光伏板表面鋪設導軌或將裝置頂部與底部通過滾輪與光伏板相結合，依托光伏板進行移動作業。在完成清潔作業時清潔裝置隨導軌進行移動。此類清潔裝置擁有運行穩定的優點，但存在著制作難度大、維護建設成本高等不足。在完成光伏板積灰清潔作業的實際使用中，該種裝置表現出較高的工作效率，除塵率更是達到了97%。但由于其特殊的移動方式導致此類清潔裝置對作業環境要求較為苛刻，因此該種清潔裝置只適用于地形平坦、光伏板緊密排列的大型集中式光伏發電站。

西安運維電氣科技有限公司研發的光伏清掃機器人為該類機器人。該機器人是依靠頂部與底部安裝的滾輪在光伏組件表面移動，通過自身攜帶的清掃裝置對光伏板積灰進行清理。但該類機器人對作業環境要求較高，需在地面平坦的光伏電站進行工作，并在每排陣列均需要安裝一個機器人才可完成對光伏電站內所有光伏板的清潔任務。

1.2 地面式太陽能光伏板清潔機器人

地面式光伏板清潔機器人在我國應用較多，圖2所示的由青島昱臣智能機器人有限公司設計的無水清潔光伏板機器人，該機器人加入履帶行走方式，可適應惡劣的外部條件。8 000 m2的清潔工作僅1 h 即可完成。這款清潔效率高、清潔效果好的機器填補了我國光伏清潔行業的諸多空白。

圖2 昱臣清潔機器人[7]

趙波等人[8］組成的團隊研制出一款如圖3 所示的新型地面式太陽能光伏板清潔機器人（MDCS），通過在吉林省內一處光伏電站進行實驗所得出的數據進行分析，分析結果顯示，使用MDCS對積灰6至14 天的光伏組件進行清潔后發電效率可增加3.14%至6.17%。

圖3 移動光伏板清潔機器人[7]

上述光伏清潔車由于體型過大，實際運行中需要在太陽能光伏組附近建設清潔車專用通道，大幅提高了光伏電站的建設成本并造成了大量土地資源的浪費。對于處在丘陵湖泊等分布式小型光伏電站而言，傳統光伏清洗車并不能勝任此類場景下的分布式太陽能光伏板積灰清潔工作。

2 光伏清潔裝置前景展望

從長遠來看，光伏發電行業的進一步發展與廣闊應用是人類社會發展的必然趨勢。截至目前一些發達國家和地區如歐盟、美國已將光伏發電列入重要可再生能源序列。我國已經成為全球光伏行業中占比規模最大的國家，截至2021 年底，光伏發電設備累計裝機量達3.06 億kW[9］。但在光伏發電系統的實際使用中環境因素對其輸出功率的影響很大,其中一個主要因素是光伏板表面的積塵[10］。根據數據統計，光伏板發電效率會隨著積灰量的增加呈現下降趨勢，8d的自然積灰就會使光伏組件上層玻璃的相對透光率減小約20%，有時甚至低到只有60%[4］，若不能有效地解決采光玻璃表面的污染問題，就會降低對光電轉化效率。

我國主要的大型光伏發電站集中分布在中西部地區。在西部戈壁等空曠地區，主要采用集中式光伏電站，比如地面光伏電站，此類電站具有占地面積大、集中安裝的特點[2］。現有的光伏板清潔裝置難以適用于大規模光伏發電站，如何高效地對光伏板進行清潔維護，同時解放勞動力，減少運行成本，成為光伏發電行業急需解決的問題。隨著光伏產業的迅速發展所帶來的光伏清潔行業缺口會越來越大，這也給光伏清潔裝置的發展提供了機會。

目前國家相關部門也不斷加強光伏發電的宣傳與推廣，許多高校也成立了光伏發電領域相關團隊，培養該領域的優秀人才，研究出很多好的除塵方法，光伏清潔裝置也在不斷創新發展。這些舉措都在為我國光伏產業的進一步壯大提供動力，展現出光伏清潔裝置未來廣闊的市場與良好的發展前景。