光伏组件表面积尘智能清扫机器人的研究

张 冰 ， 王 莉 胡国武

（1.甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室， 甘肃 酒泉 735000；2.酒泉职业技术学院， 甘肃 酒泉 735000）

1 积尘对光伏系统发电的影响

光伏发电系统的核心部件就是光伏组件，也就是光伏电池板。光伏组件是利用光伏电池的光生伏特效应来发电的，而当光伏组件表面积尘，就会对光伏面板的发电量产生较大影响，导致电池的效率降低，影响光伏发电系统整体的发电效果；灰尘主要对光伏组件表面接收太阳辐照度和影响电池板散热有直接关系，光伏组件表面的灰尘具有反射、散射和吸收太阳辐射的作用，可以将太阳的通过率降到最低，减少面板吸收过多的太阳辐射，输出功率也会减少很多。这一作用主要是将灰尘的累积厚度控制在正比值的范围内。与此同时，灰尘吸收太阳辐射的大小也会影响到光伏面板的升温情况，灰尘本身含有部分腐蚀性强的化学成分，这也是为什么光伏的光电转换效率会比正常运作情况下低很多的原因，而且不同地区的积尘指数不一样对光伏组件的影响也存在较大差异[1]。

根据知名服务机器人企业科沃斯公司的实验数据，其苏州总部的屋顶电站在没有降雨的情况下，仅仅连续8天没有对电池板进行清洁工作，就导致发电量损失高达14.3%。若按一年的普通灰尘沉积量预测，损失预计达40%，如为油性灰尘将可能造成高达60%的损失。在工业污染相对严重的北方以及风沙大、雨量少的一些地区，灰尘导致的发电量损失将会更大。因此，光伏电站后期运维工作中，清洁工作对于提高电站发电量，提高收益，增加光伏组件寿命都是一个重要的工作。

2 光伏组件表面积尘清洁现状

我国光伏电站多数位于自然环境较为恶劣的偏远地区，恶劣天气例如沙尘暴等相对较多。偏远地区除了容易受到恶劣天气的影响外，偏远地区周边植被非常少，这对于我国西北地区的大型地面电站而言，不仅会受到风沙天气频率高的影响还面临着远离水源地，降水量较少，而且地下水也十分匮乏，通过雨水自然冲刷和消防水车难以实现对光伏组件及时清洗的问题。光伏电站的装机规模一般分布在数十兆瓦甚至数百兆瓦之间，大规模的光伏电站占地面积通常达数万平方米，电池板数量更是高达上万块乃至数十万块，所以即便处在拥有充足的水源以及设备和人力，想要完成一次完整且彻底的清洗，不管是人力还是物力都是极其庞大的工作量[2]。目前，光伏组件表面积尘的清洁主要有以下几种方式。

1）人工方式。部分中小型光伏电站由于条件与经济有限只能选择采用人工清洁的方式对光伏电站进行清理。人工清洁组件主要可以分为干洗和水洗两种方式。人工干洗通过利用长柄绒拖布配合专业的光伏面板清洁剂进行清洗，其中还需借用油性静电吸尘剂，运用静电吸附原理对光伏面板上的灰尘以及沙粒进行吸附，增强清洁的去污能力，能够很好地避免清扫过程中灰尘颗粒飞扬，不仅妨碍了清洁人员的打扫效率，也会对清洁人员的身体健康造成伤害但是人工清洁全部靠的是人力，由于光伏面板使用时间长，表面残留物多，如果清洁人员过于用力清洗可能会导致组件受力不均最后变形的情况。这个时候可以考虑压缩空气吹扫，吹扫通过专门的吹扫工具吹出已被压缩过的空气，利用空气对组件进行清洗。但是压缩空气吹扫效率低，且存在很大的灰尘高速摩擦组件的问题，一般光伏电站人员很少使用，仅限于水源匮乏的地区。人工水洗的方式主要是将水车上的喷头对向光伏面板进行高压喷洗，进而达到清洗面板的作用。

2）半自动机械方式。人工清洗方式仅适用于中小型光伏电场，大型光伏电站利用人工清洗难度大，在结合电场实际的运转状况以及经济情况后一般都会选择半自动机械清洁的方式。半自动机械是利用高压水枪，将内部的水加压后形成水汽混合物，将光伏面板表面进行冲洗。半自动化机械比人工清洗效果更好；但是机械清洁存在一个很大的缺点，对水电的需求大，需要大功率的电以及大量的水提供支撑，清洁过程中容易产生大量的污水与废渣物，如果没有及时进行清理，对环境会造成很大的污染，且机器和人员的工资是一笔很大的支出。虽然有以上的不足之处，但是对面板几乎没有损伤，效率较高，且不会对光伏发电系统造成损坏，但对光伏组件阵列的高度、宽度、阵列间路面状况的要求较为苛刻。

3）全自动方式。较常见的自动清洁方式是将清洗装置安装在光伏组件阵列上，通过程序控制电机的转动实现装置对光伏组件的自动清洗。另外就是智能清洁机器人，主要区别于普通自动清洁设备的就是以自动定期清扫，无人值守为基本要求的智能化清洁。

3 光伏组件表面积尘清洁机器人的功能分析

光伏组件电池板的发电效率每提升一个百分点都需要企业耗费大量的资金进行维修与清理，而尘埃阻挡了太阳光照射到光伏组件更会影响到硅光伏组件的光电转换效果，导致发电的整体效率降低，尤其是大型光伏电站多处在人烟稀少的地区，所以推广清洁机器人清洁光伏组件表面是科技发展的必然趋势。

光伏组件表面积尘智能清扫机器人可以设计成有水式或无水式、地面行走或光伏组件表面行走、轨道式运动或无轨道式运动等几种。由于我国大规模光伏电站多地处西北地区，考虑戈壁荒漠地区地势较崎岖，地面行走不方便，而且西北地区干旱少雨，水资源缺乏，因此可采用光伏组件表面行走无水清洁且不加轨道的设计思路[3]。

光伏组件表面积尘智能清扫机器人在设计时应考虑体积小、重量轻，携带方便且操控方便，不损伤光伏组件，续航时间长。应配备防掉落传感器，保障机器人清洁工作。采用柔性履带式设计理念，对组件压强小、无损害。可以实现组件间前后、高低跨越、长距离跨串清洁工作，结合机器人搬运车，实现跨排清洗功能，能平稳快速的在前后组件间移动。在解决清洁困难问题的同时，尽可能降低机器人投入数量，节省投入成本。

4 结语

光伏组件智能清扫机器人仍然是一个较新的事物，需要一段时间不断完善，以达到市场规模化。但随着人们环保理念的不断提升，新能源应用不断推广，人们生活水平的持续提升，必将对光伏组件智能清扫机器人有越来越多的需求，光伏组件智能清扫机器人的推广，不仅解决了光伏组件传统清洁的问题，在很大程度上保证光伏组件的正常的运作，提高工作人员的工作效率，从而不断助推我国光伏产业的发展[4]。