中国西北、华中、华南3个地区光伏电站的清洗效益比较分析

张元海 袁小燕 杨吉洲 任斌

摘 要：分别以中国西北地区的甘肃省金塔县某集中式光伏电站、华中地区的湖南省平江县某集中式光伏电站、华南地区的广东省广州市某工业园屋顶分布式光伏电站作为研究对象，对中国西北、华中、华南3个地区（下文简称为“中国北中南三地”）光伏电站的清洗方式和清洗频率进行了研究，对清洗工具的适用情况及使用情况进行了总结，并对清洗效益进行了经济性分析。研究结果表明：中国北中南三地中，清洗成本呈现由北向南依次递增的趋势；集中式光伏电站的单位清洗成本小于屋顶分布式光伏电站的；华南地区屋顶光伏电站的清洗盈亏平衡点最高，清洗效益最优。研究结果对中国乃至全球光伏电站发电效率提升具有重大意义。

关键词：集中式光伏电站；分布式光伏电站；光伏组件；清洗方式；清洗效益；西北地区；华中地区；华南地区；经济性分析

中图分类号：TK514 文献标志码：A

0  引言

近10年来，随着中国清洁能源的发展，光伏发电累计装机容量逐年增加，光伏发电企业之间的竞争日益加剧。运营成本决定企业竞争力，而光伏组件清洗方式及其经济性研究逐步成为广大光伏发电企业提高竞争力的核心抓手，部分企业联合高校展开了光伏组件清洗频次经济性研究，并取得了一定成果。

文献[1]～文献[3]的研究结果表明：采取有效清洗措施可使光伏电站发电量提高5%～12%。以水洗为例，不同时期、不同区域条件下光伏电站的清洗成本差异性较大：2014年中国西北地区某荒漠集中式光伏电站的单次清洗成本为1000元/MW[1]；2013年之前青海省锡铁山集中式光伏电站的单次清洗成本为4400元/MW[4]；山东省某屋顶分布式光伏电站的单次清洗成本为1344.5元/MW[5]；辽宁省沈阳市某顶棚分布式光伏电站的单次清洗成本为2164.5元/MW[2]；浙江省嘉兴市某分布式光伏电站的单次清洗成本为3500元/MW[6]；安徽省合肥市高新区晶澳公司场区光伏电站的单次清洗成本为2296.9元/MW[7]。

但以上研究结果均建立在1个光伏电站或局部地域的基础上，未对中国环境差异性极大的不同地区光伏电站、集中式和分布式光伏电站的清洗效益进行研究。针对不同地区、不同类型光伏电站由不同污染源导致的发电效率降低的问题，分析污染物的来源及不同污染物附着对光伏电站发电效率的影响很有必要。基于此，本文以中国西北地区的甘肃省金塔县某集中式光伏电站（下文简称为“甘肃金塔集中式光伏电站”）、华中地区的湖南省平江县某集中式光伏电站（下文简称为“湖南平江集中式光伏电站”）、华南地区的广东省广州市某工业园屋顶分布式光伏电站（下文简称为“广东广州屋顶光伏电站”）为样本，对目前中国西北、华中、华南3个地区（下文简称为“中国北中南三地”）光伏电站的清洗效益进行研究分析，并对清洗工具的适用情况及使用情况进行研究和总结。

1  3个地区光伏電站的清洗概况

1.1  3个地区的污染源

对中国北中南三地光伏电站类型分布特点进行分析。由于不同地域的地形地貌不同，导致建设的光伏电站类型不同：广阔的西北地区以大型集中式光伏电站为主；华中地区多为高低不平的山丘地形，因此以小型集中式光伏电站为主；而在工业发达的华南地区，多为利用闲置屋顶的屋顶分布式光伏电站为主，布置灵活，潜在装机容量可观。

中国北中南三地的地形条件、气候条件、光照条件等都不同，造成各地光伏电站中光伏组件表面附着物的污染源也不同。本文选取的中国北中南三地光伏电站样本中：甘肃金塔集中式光伏电站位于中国西北地区黄河上游，地理位置为39.58°N、99°E，该地区光伏组件面临的污染源主要为沙尘积垢污染；湖南平江集中式光伏电站位于中国华中地区长江中下游，地理位置为28.25°N、113.10°E，该地区光伏组件面临的主要污染源为最常见的自然尘埃积垢污染；广东广州屋顶光伏电站位于中国华南地区，地理位置为23.13°N、113.27°E，该地区光伏组件面临的最大污染源为各种工业化学污染。

中国北中南三地光伏电站的光照条件、气候条件调查统计表如表1所示。

1.2  3个地区适用的光伏组件清洗方式

目前很多光伏电站及相关电力公司都在探索研究光伏组件在不同地区采用不同清洗方式时的经济性，有效的光伏组件清洗方案能够大幅提升光伏电站的发电效益。

按状态方式不同，光伏组件清洗可以分为自然清洗和人工清洗；按清洗方式是否用水，光伏组件清洗可以分为有水清洗和无水清洗；按清洗自动化程度不同，光伏组件清洗可分为人工清洗、半自动清洗、全自动清洗[7]。无水清洗对光伏组件的损伤较大，所以业界常采用的是有水清洗方式。下文针对有水清洗的几种清洗方式和清洗工具进行研究和应用分析。

1.2.1  适合西北地区集中式光伏电站的清洗方式

中国西北地区的水资源匮乏，戈壁较多，常发生沙尘暴，自然环境恶劣，但光照资源却很丰富。中国大型集中式光伏电站主要建设在这个区域，此类光伏电站通常以固定光伏组件安装倾角为主，光伏场区面积大，前后排光伏组串之间的间距（下文简称为“光伏组串间距”）设置较宽，工程车辆可以在前后两排光伏组串中间行走，因此西北地区集中式光伏电站普遍采用车载移动式清洗方式[10]。

按照操作方式的不同，车载移动式清洗方式可分为高压枪冲洗法、洒水车冲洗法、车载多喷头冲洗法3种，其作业图分别如图1～图3所示。车载移动式清洗方式使用具有蓄水功能的交通工具，比如装有水箱的拖拉机或城市洒水车作为移

动前进的动力，用接在水车上（或水管上）的喷头向光伏组件表面喷水冲洗，从而达到清洗光伏组件的目的；一般采用压力不超过0.4 MPa的压力喷头来清洗光伏组件，需要多人配合同时操作，比如1人开车移动，1人喷水清洗光伏组件。

这3种清洗方法的清洗工具各有优、缺点，其中车载多喷头冲洗法优于另外两种方法。车载多喷头冲洗法的优点在于：1）该方法是以改装工程车辆作为载体的清洁设备进行清洗工作，清洗时对光伏组件造成的压力一致性好，水压均衡，不会造成光伏组件隐裂；2）该方法用水少，其用水量只占高压枪冲洗法用水量的1/3左右；3）该方法在清洗时还能够进行喷水角度和高度的调节，不必耗费大量的人力，可以对沙尘和鸟粪进行及时有效地清洗；4）清洗效率较高，2 h可清洗1 MW及以上装机容量的光伏组件，1周可清洗50 MW装机容量的光伏组件。车载多喷头冲洗法比较适用于中国西北地区大型集中式光伏电站的光伏组件清洗。

1.2.2  适合华中地区集中式光伏电站的清洗方式

中国华中地区常年雨水较多，光照资源属于Ⅲ类太阳能资源区，地形为高低不平的山丘地形，光伏电站类型以山地小型集中式光伏电站居多。因地形起伏，光伏组件离地高度参差不齐；光伏组件排布规律，但安装相对集中，光伏组串间距较小；光伏组件下部植被茂盛，不利于采用大型机械设备进行光伏组件清洗，但该地区大多数光伏电站的位置临近河湖，取水方便。因此，华中地區集中式光伏电站适合采用半自动化清洗机器人的光伏组件清洗方式。

半自动化清洗机器人就是人工搭配清洗机器人工具，根据操作方式不同，可分为人工拖拉式清洗机器人和人工智能遥控式清洗机器人两种，作业图分别如图4、图5所示。

人工拖拉式清洗机器人需要多人同时配合操作，清洗速度缓慢；另外，由于清洗机器人自身重量在30 kg以上，容易使光伏组件因受外界机

械力不均衡的影响而损坏。针对此，将人工拖拉式清洗机器人改造为人工智能遥控式清洗机器人。首先将左右平衡走向滚轮改成遥控式左右自动行走滚轮，以减少人工操作，提高清洗速度及清洗效率；再将清洗机器人由钢材质改为铝材质，大幅减轻了清洗机器人的重量；最后增加了1根电动滚刷，如此中间共有2根电动滚刷同向匀速转动，滚刷两边分别配置1根塑料水管，共2根水管，既加快了清洗速度，又增强了清洗效果。显然，人工智能遥控式清洗机器人的清洗效率和清洗效果优于人工拖拉式清洗机器人。

1.2.3  适合华南地区屋顶光伏电站的清洗方式

广东广州屋顶光伏电站地处经济开发区，该地区光伏组件面临的污染源是典型的工业化学污染[11]。屋顶光伏组件表面污染物如图6所示。

针对此类光伏电站，尝试过多种光伏组件清洗方式，清洗方式包括纯手工化学剂清洗法、干磨清洗法、电动刷冲洗法（见图7）和电动滚筒滚抹法（见图8）[12]。

因受光伏场区空间狭小限制，供水又不方便，再加上化工污染源影响，清洗光伏组件非常困难。经过多次试验，屋顶光伏电站除了需要根据污染源来选择不同的清洗方式外，清洗工具也应选择既小巧灵活又易于拆装，且能节水的工具。

电动滚筒滚抹法是一种单人背负式半机械清洗方式，是华南地区屋顶光伏电站普遍使用的一种光伏组件清洗方式，可使光伏组件清洗效率和清洗效果得到很大提升。电动滚筒滚抹法采用90型外置传动式电机，人工手持高密度百洁布一体滚筒，重量约为5 kg，背负磷酸铁锂电池供电，作业模式是带水作业；利用百洁布容易清洗顽固污垢的特性，由电机驱动滚轮，滚轮上的带水百洁布与光伏组件表面玻璃面板接触，以清除玻璃面板上的粉尘、污垢等，部分污垢顺水流出光伏组件边框，部分杂质隐藏在百洁布里，需根据光伏组件清洗情况对百洁布进行不定期拆解清洗。电动滚筒滚抹法具有结构紧凑、传动效率高、噪音低、运转平稳、工作可靠、密封性能好、占据空间小、安装方便等优点，适用于各种环境恶劣、空间小、移动方便的工作环境。

1.2.4 小结

根据上文分析进行总结，中国北中南三地光伏电站的最优光伏组件清洗方式对比如表2所示。

从表2可以看出：中国北中南三地光伏电站的最优光伏组件清洗方式中，西北地区采用的车载多喷头冲洗法每平方米清洗成本最低，清洗1 MW装机容量光伏组件的耗水量最低且耗时最低（清洗速度最快）；华中地区采用的人工智能遥控式清洗机器人每平方米清洗成本及清洗速度次之；华南地区采用的电动滚筒滚抹法每平方米清洗成本最高，清洗速度最慢。

1.3  发电数据对照采集

有研究数据显示[13]，在相同条件下，清洁的光伏组件输出功率比积灰光伏组件输出功率至少高15%，且积灰量越高，光伏组件输出性能下降越大。试验数据表明，制定合理的光伏组件清洗方案，研制特殊环境下的清洗设备，合理选择清洗工具，合理安排清洗作业时间及进度，可以使光伏电站经济效益提高10%以上。对于不同区域的光伏电站而言，不同的污染源对光伏组件造成的遮挡影响不同，而光伏组件清洗后光伏电站的发电量提升率也会不同。科学高效地清洗光伏组件，对于提高光伏电站输出功率、确保投资回报率、减少设备运行安全隐患具有非常重要的意义。

对甘肃金塔集中式光伏电站清洗前、后的最大瞬时功率进行对比分析。选择其中两台逆变器（编号分别为A1#、A2#），分别对光伏组件清洗前、后这两台逆变器的数据进行横向对比和纵向对比，具体如表3所示。

从表3可以看出：在光伏组件未清洗前的同一天内，A1#和A2#逆变器的最大瞬时功率仅相差17.42 kW；A1#逆变器对应的光伏组件清洗后，A2#逆变器对应的光伏组件未清洗，此情况下两台逆变器的最大瞬时功率相差76.02 kW；同一台A1#逆变器，对应的光伏组件清洗前、后其最大瞬时功率提高了54.66 kW；而A2#逆变器对应的光伏组件一直未清洗，后一次测试得到的最大瞬时功率比前一次减少了3.94 kW，但变化不大。综上，光伏组件清洗后单台逆变器的最大瞬时功率可提升54.66 kW，换算为全电站的100台逆变器，最大瞬时功率可提升5466 kW，则有功功率提升了12%。

对湖南平江集中式光伏电站清洗前、后的有功功率进行对比分析，选择其中3台逆变器（编号分别为B1#、B2#、B3#）的数据，结果如图9所示。

从图9可以看出：对应光伏组件未清洗的B1#、B3#逆变器的有功功率曲线几乎重叠，均低于对应光伏组件已清洗的B2#逆变器的有功功率曲线；对B3#逆变器对应的光伏组件进行清洗后，其有功功率曲线与B2#逆变器的有功功率曲线基本重叠，均大于对应光伏组件未清洗的B1#逆变器的有功功率曲线。不同时间段的逆变器有功功率差值不同，最大的为31.5 kW，最小的为0.3 kW。不同时间段的有功功率提升率也不同，瞬时功率越大，有功功率差值越大，有功功率提升率也越大，最大的提升了11.73%，平均有功功率提升率为9.33%。

对不同污染程度下，广东广州屋顶光伏电站清洗前、后的有功功率进行对比分析，结果如表4所示。

从表4可知：不同污染源对光伏组件造成的遮挡影响率不同，且工业化工污染对光伏组件清洗后的平均有功功率提升量也不一样。所有区域中，油漆遮挡最严重的区域为晋丰C2区域，该区域油漆遮挡对光伏组件有功功率的影响达到33.33%，铁粉最严重的区域对光伏组件有功功率的影响达到24.50%，白色小颗粒及水垢最严重的区域对光伏组件有功功率的影响达到11.71%。

2  清洗盈亏平衡点分析

清洗盈亏平衡点又称零利润点或保本点。清洗后光伏组件的发电量减去未清洗时光伏组件应发电量等于清洗后光伏组件的增发电量，增发电量所产生的利润值等于清洗成本时的点称为清洗盈亏平衡点。由清洗盈亏平衡点来确定光伏组件每年的清洗频次及清洗效益。光伏电站清洗效益由光伏组件表面污染造成的损失额及全年清洗成本两部分组成。

对中国北中南三地不同类型光伏电站每一次清洗后需要增发多少电量可以与清洗成本相抵，即达到清洗盈亏平衡点进行分析，结果如表5所示。

从表5可知：中国3个地区中，华南地区的广东广州屋顶光伏电站的清洗盈亏平衡点最高，华中地区湖南平江集中式光伏电站的清洗盈亏平衡点次之，西北地区甘肃金塔集中式光伏电站的清洗盈亏平衡点最低。综上，清洗盈亏平衡点由南向北依次递减。

3  清洗频次分析

光伏电站需要合理安排光伏组件清洗时间和清洗频次。光伏组件表面污染遮挡的程度不是随时间匀速增加的，地域差别、季节特征或局部环境因素都会使光伏组件表面污染遮挡程度存在不同的变化。北中南三地不管采取哪种光伏组件清洗方式，都要适应这种变化，因此，应建立有效的光伏组件表面污染量与发电量、清洗成本等的多边量化关系，使清洗效果最佳，达到最大经济化、效益化。

结合北中南三地不同类型光伏电站数据，对不同类型光伏电站一年内第1次清洗后的第1、2、3个月的月发电量提升率，以及第2次、第3次清洗后的月发电量提升率进行分析，结果如表6所示。

结合光伏电站当地气候特点及实际情况进行分析：

1）针对西北地区的光伏电站而言，由于当地3～4月的沙尘暴天气较频繁，建议进行动态清洗；5～10月为光伏发电的黄金期，可以结合当地降雨情况进行清洗，最好是每月清洗一次；11月气温下降，容易结冰，应在11月初进行一次全面清洗；12月、1月的温度多在零下，不建议进行清洗；2月时可等天气变暖再进行一次清洗。清洗时一般用清水即可。

2）针对华中地区的光伏电站而言，在春季3月、4月，阴雨连绵，可利用4月雨季对光伏组件进行一次全面彻底的清洗；5～10月为光伏发电高峰期，在高峰期到来前进行一次清洗，光伏组件清洗一次可维持3～6个月；而11月、12月、1月受季风影响，天气寒冷，为光伏发电低谷期，不建议进行清洗，因为对发电量的提升意义不大。建议华中地区集中式光伏电站一年进行一次彻底的清洗，既可以使清洗效益最大化，又可以减少光伏组件受清洗工具自重的外界机械力的影响。

3）针对华南地区的屋顶光伏电站而言，虽然此类光伏电站的清洗价格昂贵，但为了维持光伏组件完好率，并提升光伏电站发电效率，建议光伏组件一年清洗3～4次。

另外需要说明的是，清洗光伏组件时都要根据光伏发电功率预测系统，选取太阳辐照度较小的早、晚时间，或阴、雨天对光伏组件进行清洗，以减少清洗液的温差对光伏组件造成的伤害。

4  3个地区光伏电站的清洗效益比较

对中国北中南三地不同类型光伏电站的清洗效益进行分析，如图10所示。

从图10可以看出：不同地区、不同类型的光伏电站清洗后，屋顶光伏电站的清洗耗时大于集中式光伏电站的清洗耗时；清洗成本呈现由北向南递增的趋势；西北地区甘肃金塔集中式光伏电站的每平方米清洗成本约为0.15元/m2、单位清洗效益约为1.16 m2/元，华中地区湖南平江集中式光伏电站的每平方米清洗成本约为0.67元/m2、单位清洗效益约为0.90 m2/元，华南地区广东广州屋顶光伏电站的每平方米清洗成本约为4.00元/m2、单位清洗效益约为10.16 m2/元；年清洗总效益为华南地区广东廣州屋顶光伏电站﹥西北地区甘肃金塔集中式光伏电站﹥华中地区湖南平江集中式光伏电站。

5  结论

本文对中国西北、华中、华南3个地区不同类型光伏电站的清洗效益进行了考察研究，并对清洁工具的适用情况及使用情况进行了总结。因造成光伏组件表面污染的污染源不同，光伏电站采取的清洗方式及清洗工具都不同。研究结果表明：

1）对于光伏组件清洗方式，西北地区光伏电站适合采用清洗效率较高的车载多喷头冲洗法；华中地区光伏电站适合采用人工智能遥控式清洗机器人；华南地区光伏电站适合采用电动滚筒滚抹法清洗方式。

2）华南地区屋顶光伏电站的清洗盈亏平衡点最高，华中地区集中式光伏电站的清洗盈亏平衡点次之，西北地区集中式光伏电站的清洗盈亏平衡点最低，清洗盈亏平衡点由南向北依次递减；屋顶光伏电站的清洗耗时最高；清洗成本呈现由北向南递增的趋势；西北地区甘肃金塔集中式光伏电站的每平方米清洗成本约为0.15元/m2、单位清洗效益约为1.16 m2/元，华中地区湖南平江集中式光伏电站的每平方米清洗成本约为0.67元/m2、单位清洗效益约为0.90 m2/元，华南地区广东广州屋顶光伏电站的每平方米清洗成本约为4.00元/m2、单位清洗效益约为10.16 m2/元；年清洗总效益为华南地区广东广州屋顶光伏电站﹥西北地区甘肃金塔集中式光伏电站﹥华中地区湖南平江集中式光伏电站。

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COMPARISON AND ANALYSIS OF CLEANING BENEFITS OF PV POWER STATIONS IN NORTHWESTERN，CENTRAL AND SOUTHERN CHINA

Zhang Yuanhai1，2，Yuan Xiaoyan3，Yang Jizhou2，Ren bin4

（1. Guangdong Second Hydropower Bureau Co.，Ltd.，Guangzhou 511340，China；

2. Xuwen Guangdong Hydropower Energy Investment Co.，Ltd.，Zhanjiang 524100，China；

3. Southeast Guangdong Hydropower Investment Co.，Ltd.，Haikou 570208，China；

4. Gansu Jinta Investment Co.，Ltd.，Jiuquan 735300，China）

Abstract：In this paper，a centralized PV power station in Jinta County，Gansu Province in Northwestern China，a centralized PV power station in Pingjiang County，Hunan Province in Central China，and a industrial park rooftop distributed PV power station in Guangzhou City，Guangdong Province in Southern China are taking as the research objects，the cleaning methods and cleaning frequencies of PV power stations in Northwestern，Central and Southern China are studied，and the application and use of cleaning tools are summarized，and the economic analysis of cleaning efficiency is also carried out. The results show that in Northwestern，Central and Southern China，the cleaning cost is increasing from north to south. The unit cleaning cost of centralized PV power stations is less than that of rooftop distributed PV power stations. The cleaning break-even point of rooftop PV power stations in Southern China is the highest，and the cleaning benefits is the best. The research results are of great significance to the improvement of power generation efficiency in China and even the global PV power stations.

Keywords：centralized PV power station；distributed PV power station；PV modules；cleaning method；cleaning benefits；Northwestern China；Central China；Southern China；economic analysis