国内光伏组件除尘专利技术比较研究

韩 涛，龚恒翔，周康渠，李江华，朱新才

(重庆理工大学 a.机械工程学院;b.物理实验中心，重庆 400054)

太阳能是太阳辐射到地球的辐照能的总称。太阳能储量近乎无限，是一种绿色清洁能源，在世界能源日益紧张的今天，受到人们越来越多的关注。光热、光电、光化学和光生物方式是目前利用太阳能的4种基本技术途径。其中光电方式利用太阳能的潜力更大，技术也更成熟［1］。根据我国国家能源局公布的最新统计结果，2014年上半年，全国新增光伏发电并网容量330万千瓦，比去年同期增长约100%，光伏发电累计上网电量约110亿千瓦时，同比增长超过200%［2］。可见，我国对光伏发电技术的应用呈现出直线上升的趋势。规模化商用太阳能发电系统的开发在我国也是近几年的事，故在技术和管理经验方面尚有欠缺，对系统长时间运行中可能出现的问题预计不足［3］。例如在大规模光伏发电系统运行中忽视光伏组件上灰尘的积累导致光伏组件电能输出量远低于设计值。据调查［4］，陕西榆林的一家20 MW太阳能光伏电站，总投资高达2亿元。最初设计年发电量2000多万千瓦时，按照国家每千瓦时补贴1元的标准，预计年收益可达2000万元以上。但由于光伏面板的灰尘覆盖，光伏组件的实际发电效率由15%～18%下降到10%左右，造成每年损失至少200万元，严重影响光伏电站的生产效益。

鉴于灰尘积累给光伏发电带来的巨大损失，有必要探讨这种灰尘污染的机理。光伏组件灰尘效应一般描述为:源自空气携载的固态微米量级灰尘颗粒物覆盖光伏组件表面，降低光伏组件光通量，进而导致光伏组件电能输出量降低［5］。有研究者从灰尘积累模型的微观角度出发，指出重力、范德瓦耳斯力、静电场力均对灰尘积累有贡献［6］。居发礼［7］从宏观角度对灰尘积累做了部分阐述，指出灰尘积累就是自然与人为因素产生的灰尘颗粒物相互作用，吸附于重力降尘和大气飘尘，并在一定条件下降落到地面或光伏面板。鲍官军等［8］指出大气灰尘在光伏面板上的累积效应主要受到面板倾角、风速风向、灰尘性质、环境湿度等因素影响。

灰尘覆盖不仅导致光伏组件电能输出量降低，而且会导致局部腐蚀、绝缘性降低和热斑效应等问题［9－10］，因此近年来受到学者和工程技术人员普遍的关注，相关研究报道和专利技术逐年增多。

光伏组件除尘就是通过某种特定的原理和装置，把光伏组件通光光伏玻璃表面降低光通量的覆盖物驱除，提高通光量，增加发电量［11］。常见的有4种除尘方式:①自然除尘法，即利用大自然的降雨、风力、冰雪融水等实现光伏面板的自洁;②人工清洁法，也就是雇佣清洁工人，借助清扫工具对光伏组件表面进行擦洗，这是小规模光伏电站常用的除尘方式;③光伏表面盖板应用新型材料或对其表面进行涂层处理，从根源上提高光伏组件抗污增透能力;④自动化除尘法，即借助自动化机械除尘设备进行清洁作业。此外，还有其他除尘技术，例如电帘除尘技术、激光除尘技术等［12－13］。

1 除尘装置

对于灰尘效应问题，技术上要么阻止或者尽可能减少灰尘的沉积过程，要么对已经沉积的灰尘进行驱除。前者不太现实，不可知和不可控因素较多，较为可行的是从驱除的角度出发解决灰尘覆盖导致的光伏发电损失问题，开发针对光伏组件的除尘技术和装置。

智能化的外置机械式除尘装置是目前解决光伏组件灰尘效应问题实际可行的技术手段。为了设计一种具有使用价值的光伏除尘结构，本文从控制、传动和执行3个方面对国内近年来公开的光伏组件除尘专利技术进行了比较分析研究。

1.1 控制部分

国内光伏组件除尘专利采用的控制方式主要有车载移动控制、普通自动控制、反馈调节控制等3种方式，其比较分析结果如表1所示。

从技术水平和综合经济成本角度考虑，国内光伏产业大多采用比较经济的普通自动控制方式。但对于大规模的光伏发电厂，其需要除尘的光伏组件数量巨大，必然要保持除尘装置长期高效的工作状态，减少其维修维护成本。从长期的效益来看，现有的反馈调节控制机构由于其自身结构的复杂性和先期投入成本较大的缺陷，尚不能达到规模化推广程度，故关于该控制机构的性能研究及结构优化将是光伏除尘研究者的努力方向。

表1 控制部分专利技术比较分析结果

1.2 传动部分

该部分常用滑轨传动、丝杠传动、齿轮齿条传动、连杆传动、带传动5种方式，其比较分析结果如表2所示。

这5种传动机构都具备传动效率较高且稳定的优点，理论上都可以作为光伏除尘装置的传动机构。在户外实地的传动工作过程中，可能会遇到由于机械故障等意外因素造成整个除尘动作发生卡停的状况，亦或在清除较厚粘性积灰层时除尘执行机构发生卡住的情况，此时若驱动电机继续工作，会对整个除尘装置造成一定破坏，故要求传动机构最好有过载保护的功能。表2中前4种传动方式属于刚性传动［22］，无法实现自我保护功能;而属于柔性传动的带传动，在出现上述故障时，传送带与带轮之间会发生的“打滑”现象［23］，从而避免了强行的传动作业对整个除尘装置造成的结构性损坏。对于传动带使用寿命较短的缺陷，可通过改善传送带的合成材料、加工工艺或对其表面覆盖一个保护性外壳等方式来弥补，故带传动可作为光伏组件除尘装置理想的传动方式。

表2 传动部分专利技术比较分析结果

1.3 执行部分

光伏组件除尘专利执行机构对光伏组件上灰尘的清除方式主要有干刷式、刷洗式、喷气式、超声波式4种，其比较分析结果如表3所示。

当前光伏除尘领域对一种理想的实用型除尘执行机构的要求如下:①结构简单，零部件越少越好;② 除尘效率高，能量消耗少;③ 状态稳定，振动小，噪音低。喷气式除尘执行机构需要空气压缩机等设备辅助工作，并且实现其旋转与直线动作时需要多个电机协调完成，其结构如图1所示。喷气除尘过程中还面临对相邻面板造成二次污染的问题，这些缺陷决定其无法规模化的推广与应用［30］。新型的超声波除尘执行机构初期投入较大，受外部环境因素(诸如雨露、雷电、冰雹等气候因素)干扰，无法保证正常工作。此外，其性能和工作状态对环境敏感度高，很难保持长期稳定除尘作业。从目前光伏组件除尘实地作业情况来看，采用干刷式和刷洗式的除尘执行机构可满足实用性要求。图2为某一典型刷洗式机构底面。

表3 执行部分专利技术比较分析结果

图1 喷气式除尘执行机构简图

图2 刷洗式除尘执行机构工作底面简图

目前，我国甘肃、青海等地光伏电站均遭遇到“水危机”。以一个10兆瓦(MW)太阳能电站清洗一遍的用水量为例，如果用移动水车直接冲洗光伏阵列，一遍大约需要100 t水;如果在光伏阵列上铺设水源管道，像浇草坪一样进行喷淋，一遍大约需要60～70 t水;如果采用移动水车用水刷进行刷洗，一遍大约需要50 t水［31］。由此可见，不受水限制的除尘执行机构才可能大规模推广，故干刷式除尘执行机构才是未来大规模光伏组件除尘作业的发展方向。

在干刷式除尘执行机构中，复合式干刷除尘执行机构可以实现复杂性灰尘分类并彻底清洁，其结构如图3所示。当3种清除不同种类灰尘的执行工具处于工作状态时，可依次对光伏面板施加擦拭作用，将其表面的灰尘颗粒由大到小进行清除。可见，该除尘执行机构理论上达到了可推广应用的标准。但其面临无水化作业能量消耗过大的问题。故可以简化该除尘执行结构，将重点放在清障铲构造的研究上，尤其是对其铲刃、铲面及其与光伏面板接触状态的分析与改进。例如，可将清障铲铲面、铲刃进行离散化［32－33］，不仅在很大程度上降低了铲结构制造的工艺难度，而且可以显著提高除尘效果。因此，可以预见清障铲结构的设计与改进将是未来光伏组件清洁技术的研究重点。

图3 复合式干刷执行结构简图

2 装置应用的思考

一种理想的光伏组件除尘装置，要实现其大规模的推广应用，在内部各个机构优化的同时也要实现装置整体在结构和性能上的优化［34］。

1)整体结构优化。以某电站为例［35］，其大约有5000到几万块光伏面板，如果每块光伏面板上都安装一套完整的除尘装置，那么会造成极大的成本压力。故可采用化整为零的方法，安装分块式除尘装置，原理如下:就每块光伏面板的除尘动作而言，除尘装置的传动机构和执行机构是不可或缺的。对于一定距离内的光伏面板，由于其外部环境等因素相似，故其灰尘沉积情况也基本一致，那么这些光伏面板的外置机械式除尘装置可以共用一个系统控制机构，实现了整体结构的优化，减少了成本。

2)整体性能优化。重要方式之一是保持各机构在性能上的“均匀性”，从而达到“一同上岗，一同下岗”的目的。机构的统一安装与更换可极大减少对装置中单个机构的人工维护成本。在规模化生产一种光伏组件除尘装置时，对于其中不同功能的机构应选择相同或属性相近的材料，并尽可能采用类似的工艺。

3 结束语

光伏组件灰尘效应是光伏发电技术规模化应用中遇到的关键技术难题之一，设计一种可以大规模实际应用的光伏除尘装置是业界的迫切期望。本文首先对国内光伏组件的控制、传动、执行机构的不同专利技术进行比较分析，指出了国内现有的光伏组件除尘专利技术各自的优缺点。然后根据节能、环保、高效、经济、可规模化推广的原则，并结合各个机构的横向比较分析，从结构与性能优化的角度，对如何设计并改进这3部分机构进行了方向性预测。结果表明:一种基于反馈调节控制、采用新型带传动、执行离散铲式除尘的装置设计方案具有较大发展潜力。

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