干旱地区大型光伏电站的光伏组件除尘技术研究现状及展望

崔永琴，孙家欢，肖建华*

(1. 山西财经大学资源环境学院，太原 030006；2. 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000)

0 引言

能源和环境是影响人类社会可持续发展的2个最重要问题。由于化石燃料等传统能源的储量有限，从可持续发展的角度分析，开发和利用可再生能源成为全球共识。在可再生能源利用方式中，太阳能被认为是最具潜力、未来最有可能代替化石能源的新能源之一，其中光伏发电因具有安全可靠、环境友好，水资源依赖小等特点，已成为目前发展速度最快的太阳能利用方式之一[1]。近几年，随着光伏组件制造成本持续下降和我国不断颁布针对光伏发电的支持性政策[2]，我国光伏产业的发展十分迅速，我国和全球的光伏产业规模均实现了爆发式增长。全球及中国的光伏发电累计装机容量情况如图1所示。

图1 全球及中国的光伏发电累计装机容量Fig. 1 Cumulative installed capacity of PV power generation in the world and in China

我国国家能源局公布的相关统计数据显示：2013年，我国光伏发电累计并网装机容量仅约为19.42 GW，而截至2019年底，我国光伏发电累计并网装机容量已增长至204.3 GW。

我国西北地区属于干旱地区，其整体的太阳能资源丰富[3-6]，除了新疆维吾尔自治区的古尔班通古特沙漠和塔克拉玛干沙漠的部分区域的太阳能资源较少以外，其他沙漠区域均属于太阳辐射量大于1700 kWh/m2的高值区域[7]，属于我国太阳能资源很丰富区域。同时，由于我国西北地区有大量戈壁滩、荒沙地、荒山地等未开发利用的区域，土地使用成本低，非常适合建设大型光伏电站。因此，西北干旱地区是我国光伏电站，尤其是大型光伏电站装机容量最大、装机规模增长最快的地区。根据国家能源局公布的相关统计结果，截至2019年底，我国西北五省、自治区(甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区、宁夏回族自治区、内蒙古自治区)的光伏发电累计装机容量已达到50.88 GW，占全国光伏发电累计装机容量的25%。

同时，西北地区也是我国风沙活动和沙尘暴多发区域[8-9]，年均沙尘暴天数可达10～34天[3-4]，导致该区域的降尘严重[5-7,10]。对于干旱地区的大型光伏电站而言，大多数光伏电站位于风沙天气频发、植被稀疏、自然环境较为恶劣的荒漠地区，沉降在光伏组件表面的积尘会使光伏组件的透光率下降，减小光伏组件接收的有效太阳辐射强度，降低其光电转换效率，从而使光伏组件的输出功率显著减少[11-13]。相关研究表明：1个月未清洗后，位于沙特阿拉伯的法赫德国王石油与矿业大学的光伏电站中的光伏组件输出功率损失大于5%[14]；位于阿联酋阿布扎比石油研究所的光伏电站中的光伏组件最大输出功率降低了13%[15]；而位于墨西哥埃莫西约索诺拉大学的光伏电站仅20天未清洗，其光伏组件的输出功率至少下降了5.8%[16]。埃及Helwan国家天文与地球物理研究所针对Helwan地区的研究发现：光伏组件在1个月未清洗后，其输出功率损失达到了33.5%；6个月未清洗后，其输出功率损失达到了65.8%[17]，大幅降低了光伏电站的发电效率。高德东等[18]通过研究发现：青海省柴达木荒漠区的光伏电站的发电效率受降尘的影响较大，可降低5%～25%。陈东兵等[19]通过研究发现：安装在安徽省蚌埠地区的光伏组件在连续积尘20天后，其输出功率降低了24%，日均降低1.2%。王伟志[20]对甘肃省武威地区某光伏电站的发电效率受积尘影响的情况进行现场实测发现，在秋季无降雨情况下，积尘15天可使光伏组件输出功率降低约22.60%，日均降低1.51%。以上研究结果表明：光伏组件表面的积尘能够显著降低光伏电站的发电量，尤其是建设在干旱地区的光伏电站[21-24]。因此，近年来，光伏组件表面积尘对发电量的影响越来越受到光伏电站管理者的重视，光伏组件表面积尘的清洁也受到研究学者和工程技术人员的普遍关注。

及时清理光伏组件表面的积尘可显著提高其光电转换效率[25-27]。据调查，青海省的格尔木京能光伏电站在安装了光伏组件自动清洁装置后，在全部为晴天的4月14-26日期间，每天清洁的光伏组件的日总输出功率相对于未清洁的光伏组件的日总输出功率平均提升了0.44%。由于测试时间是春季，属于格尔木空气比较干净的季节，因此在积尘最严重的冬季，光伏组件清洁后光伏电站的发电效率提升的比例将更高[28]。魏显文[29]对甘肃省古浪县某20 MW光伏扶贫配套电站进行了为期1个月的数据采集，结果发现：安装了清洁系统的光伏组件的日发电量比未安装清洁系统的光伏组件的日发电量高4.87%～9.85%。王锋等[30]通过对西安地区某屋顶光伏电站进行对比实验得出结论：清洁后的光伏组件的输出功率比清洁前的光伏组件的输出功率约提高了15%。雷贯强等[31]通过对新疆维吾尔自治区某光伏发电站近1年的数据进行对比和统计分析后发现：从最保守估计的角度来看，预计未进行光伏组件清洗时，每年因积尘造成的光伏电站发电效率损失率为12%；若按照传统的定期、定时、定次清洗模式对光伏组件进行清洗，从最保守估计的角度来看，预计每年因积尘造成的光伏电站发电效率损失率为7%。

在欧洲等地区，频繁的降雨一般能够清除光伏组件表面的积尘，但由于我国干旱地区属于干旱、半干旱气候，降水量少，且离水源地较远，同时地下水资源也很匮乏，因此仅通过降雨等自然条件无法达到及时有效地清洗光伏组件的效果。另一方面，干旱地区的光伏电站都趋向于大型光伏电站，装机规模可达数十兆瓦至数百兆瓦，占地面积可以达到数平方千米，光伏组件数量可达几十万块，且在降尘严重的干旱地区，光伏电站中光伏组件每年的清洗次数高达数十次，但该地区的水资源缺乏，大幅增加了光伏电站的运维成本和难度。因此，光伏组件的清洁已成为目前干旱地区大型光伏电站面临的最主要问题。本文简要介绍了积尘对干旱地区大型光伏电站发电量的影响机理(本研究中的积尘或降尘专指沉降于光伏组件表面的物质)，着重分析了目前应用较为广泛的光伏组件除尘技术及各种除尘技术的优、缺点，并提出了现阶段干旱地区大型光伏电站中光伏组件除尘技术研发的基本原则，以及未来干旱地区大型光伏电站中光伏组件除尘设备的研发方向。

1 积尘对干旱地区大型光伏电站发电量的影响机理

鉴于积尘对光伏电站造成的巨大损失，有必要探讨积尘对干旱地区大型光伏电站发电量的影响机理。积尘的来源可分为自然来源和人为来源。自然来源主要是指土壤和岩石经风化作用后，分解成细小的颗粒，然后被风力或雨滴等带到光伏组件表面，比如沙尘暴过后的积尘等；人为来源主要是指工业生产过程中和工程开发建设过程中产生的粉尘，以及交通产生的扬尘等[32]。

1.1 积尘的分类

西北干旱地区的自然环境恶劣，可按是否吸收水分，将光伏组件表面的积尘分为浮尘和积垢两大类。

1.1.1 浮尘

浮尘颗粒直径较小，一般呈干燥、松散状态，很容易附着在光伏组件表面，其积聚过程属于物理过程。由于干旱地区的光伏电站主要建设在沙漠戈壁地区，而这些地区沙尘天气频繁，地面的沙尘被风吹起后会沉降并附着在光伏组件表面。这种附着状态比较离散，与光伏组件之间的粘性较小，因此比较容易清除。

1.1.2 积垢

积垢既包括溶于降雨、降雪和冰雹中并随之沉降到光伏组件表面的积尘，也包括积聚在光伏组件表面的干降尘物通过雨/雪水的润湿或吸收了空气中的水气后溶解并附着在光伏组件表面形成的积尘[32]。这类积尘的形态呈现点状、雨滴状、片状和条状，比较坚硬，且不易清除；并且该类积尘与光伏组件之间的粘性较强，极易吸收空气中的杂质后一起附着在光伏组件表面。

1.2 积尘对光伏发电的影响类型和影响机理

按不同的影响机理，积尘对光伏组件光电转换效率的影响类型可分为遮挡效应、温度效应和腐蚀效应这3种。下文对不同影响类型及影响机理进行详细介绍。

1.2.1 光伏组件积尘产生的遮挡效应

太阳光线入射至光伏组件的玻璃盖板表面时会发生反射和折射作用。当光伏组件玻璃盖板表面产生积尘后，积尘会遮挡照射在光伏组件上的光线。积尘粒径的大小不同，对照射在光伏组件表面的太阳光线的遮挡程度也会不同，这种遮挡会使光伏组件表面接收太阳辐射的有效面积减少。积尘遮挡下太阳光线照射到光伏组件上的传播示意图[33]如图2所示。

图2 积尘遮挡下太阳光线照射到光伏组件表面后的传播示意图[33]Fig. 2 Schematic diagram of sun light transmission on surface of PV module under dust shielding[33]

从图2可以看出，当光伏组件玻璃盖板表面产生积尘后，光强为E的太阳光线照射到积尘表面时会被吸收和散射，其中一部分能量ΔE1被积尘吸收后转化为热能，另一部分能量ΔE2被积尘向四周散射。被散射的太阳光线中，可能有部分光强为E1的太阳光线照射到光伏组件的玻璃盖板上，然后再次形成了一次折射(即光强为E11的太阳光线)和反射(即光强为E12的太阳光线)。由于积尘的遮挡，仅有光强为E1的太阳光线到达光伏组件的玻璃盖板表面，相比于无积尘时，进入玻璃盖板的能量减少量为E-E1，从而使光伏组件的光电转换效率与发电量降低[33]。

1.2.2 光伏组件积尘产生的温度效应

光伏组件表面的积尘不仅遮挡太阳光线对光伏组件的照射，而且还会导致光伏组件的传热形式发生改变。积尘附着在光伏组件表面会阻挡光伏组件的内部热量向外传递，导致光伏组件自身热量得不到释放；同时，被积尘遮挡区域的太阳电池的电流低于无积尘遮挡区域的太阳电池的电流，当后者的电流流经被积尘遮挡区域时，多出的电流将以热量的形式释放。上述2项因素的综合作用致使被积尘遮挡区域的太阳电池的温度越来越高，从而影响整个光伏组件的光电转换效率。

有研究表明，晶体硅光伏组件的内部温度每上升1 ℃，其输出功率约下降0.5%[34]。当光伏组件表面产生积尘并经历长时间日照后，被积尘遮挡区域的升温速度远大于无积尘遮挡区域的升温速度；当温度严重过高时，光伏组件表面会出现烧坏的暗斑，称为热斑效应。热斑效应会严重影响光伏组件的使用寿命和输出功率，其造成的影响轻则会降低光伏组件的发电量，重则会烧坏光伏组件，甚至引发火灾，造成不可挽回的损失[33,35]。

1.2.3 光伏组件积尘产生的腐蚀效应

光伏组件的玻璃盖板主要是由二氧化硅和石灰石等组成，而积尘一般具有酸性或碱性。当具有酸、碱性的积尘落到光伏组件表面后，在湿润条件下其会与光伏组件玻璃盖板中的成分发生化学反应。经过长时间的酸、碱腐蚀后，玻璃盖板表面就会变得坑坑洼洼，增加玻璃盖板表面的粗糙度，导致漫反射增大，折射减少，使入射到太阳电池上的光照强度减弱，光电效应减弱，从而降低光伏组件的光电转换效率[33]。

2 国内外干旱地区大型光伏电站中光伏组件除尘技术的研究与应用现状

光伏组件除尘技术是指基于特定的原理和装置，将光伏组件表面的覆盖物或异物清除，提高光伏组件的透光率，从而达到提高光伏组件光电转换效率的目的[36]。通过查阅相关文献发现，现有文献研究大多聚焦于积尘对光伏组件发电性能的影响，而关于光伏组件除尘技术的文献资料相对较少，这可能归因于以往的研究地区主要集中在欧洲、日本等降雨较多、积尘不严重的地区，导致光伏组件除尘技术未得到足够的重视。近年来，随着我国西北部、美国西南部、中东地区、印度北部、澳大利亚等干旱地区光伏发电规模的不断增长，光伏组件表面的清洁问题也得到了各国研究学者的高度重视，专业的光伏组件除尘技术也在不断涌现。根据现有的文献和在线网络资源，结合笔者实际调研和多年光伏组件除尘的一线工作经验，对现有光伏组件除尘技术进行分类。根据该技术目前在市场上的占有率及技术的成熟度情况，可将光伏组件除尘技术分为3类，即：已成熟且已大范围使用的光伏组件除尘技术、仍需完善但已小范围使用的光伏组件除尘技术和实验室阶段的光伏组件除尘技术。

下文对这3类光伏组件除尘技术的相关研究进行详细介绍。

2.1 已成熟且已大范围使用的光伏组件除尘技术

已成熟且已大范围使用的光伏组件除尘技术主要包括自然除尘技术、人工清洗技术、高压水冲洗技术。

2.1.1 自然除尘技术

自然除尘技术是指通过降雨、风力、融雪、重力等自然力量清除光伏组件表面积尘的清洁方式，较适用于降雨量充沛的地区。各国学者就自然降水的清洁效应进行了诸多研究，得出结论：在降雨量充沛的地区，自然降水在大多数情况下能够清除光伏组件表面的积尘，并可使光伏组件的输出功率几乎恢复到初始输出功率。

APPELS等[37]、HAEBERLIN 等[38]和RYAN等[39]分别在比利时勒芬市、瑞士伯尔尼州、美国俄勒冈州尤金市的光伏电站进行了试验，结果表明：充足的降雨完全可以恢复积尘造成的光伏组件输出功率损失，无需再进行人工清洗。武永鑫等[40]对我国大理地区安装的光伏组件经过6-10月期间的雨水冲刷前、后的相对光电转换效率的变化进行了研究，结果表明：光伏组件的相对光电转换效率由6月未经雨水冲刷时的78.1%提高至10月经过雨水冲刷后的90.0%，但由于当地土壤等原因，光伏组件的相对光电转换效率在回到90%左右后不再提高。当降雨量不足以清洗光伏组件表面的积尘，反而会形成湿降尘，从而导致光伏电站发电量的极速减少[40-41]。同时，风力除尘可以清除光伏组件表面较大颗粒的积尘，而且随着风速的增大，光伏组件的温度会下降，周围空气的相对湿度也会下降，这将有助于提高光伏组件的光电转换效率[42]。但风力亦可能会携带浮尘从而引起光伏组件积尘，而且风力除尘对直径小于50 μm的积尘颗粒的效果不大[43]。

由于干旱地区的降雨量和有效降雨次数都较少，因此自然除尘技术不适用于干旱地区光伏电站的光伏组件除尘，仅适合作为该地区光伏电站中光伏组件除尘的一种辅助方式。

2.1.2 人工清洗技术

人工清洗技术是指通过雇佣人力，使用压力较低的自来水或去离子水，借助长柄拖布或专用刷等清扫工具，或配合专用清洁剂对光伏组件表面进行清洁的方式，较适用于中小型光伏电站中光伏组件表面积尘的清除[22,44-45]。人工清洗技术如图3所示。

图3 人工清洗技术Fig. 3 Manual cleaning technology

但对于大型光伏电站而言，人工清洗技术存在效率低、清洗周期长、人力成本高及耗水量大的缺点[46]；而且最好是在早晨或傍晚采用该除尘技术进行光伏组件清洗，且避免在炎热天气下清洗光伏组件，因为强光下的光伏组件在遇到水后会引发热应力，损坏光伏组件，从而缩短光伏组件的寿命[47]。

由于干旱地区的光伏电站通常建在沙漠或戈壁地区，此类区域的人烟稀少、水资源缺乏，因此，人工清洗技术并不适用于干旱地区大型光伏电站的光伏组件除尘。

2.1.3 高压水冲洗技术

高压水冲洗技术是指利用接头端连接在储水车或水管上的高压喷头向光伏组件表面喷水冲刷，从而达到清洗光伏组件表面积尘的目的，具体如图4所示。高压水冲洗技术无需大量人工参与、操作简单、设备成本低、清洗速度快，且能够适用不同类型和不同地形的光伏电站，可实现按需除尘，不污染环境，被认为是目前最有效的光伏组件除尘技术之一[48]。

图4 高压水冲洗技术Fig. 4 High-pressure water jets technology

国内外学者针对高压水冲洗技术进行的相关研究较多。PAVAN等[49]通过在意大利普利亚区光伏电站的试验研究发现：用高压去离子水清洗光伏组件后，再配合刷子对光伏组件表面进行清洁，光伏组件的输出功率相较于未清洗前增加了6.9%，显著高于只采用高压去离子水清洗后光伏组件增加的输出功率(1.1%)。这表明高压水冲洗与刷子擦拭结合使用可以清除光伏组件表面高度粘结的细颗粒积尘；但过度擦拭极易刮伤光伏组件表面，因此采用刷子擦洗光伏组件表面时必须谨慎。

也有研究认为，结合专用清洁剂的高压水冲洗技术是迄今为止最好的光伏组件除尘技术，因为相对于人工清洗技术而言，高压水冲洗技术仅需相对较少的水量，而结合专用清洁剂后还可以避免过度冲洗和刷子擦拭引起的光伏组件损坏的情况发生[50]。但是大量清洁剂的使用有可能会造成环境污染，这还需要通过后期试验来进行进一步的验证。

目前，我国大部分光伏电站主要采用高压水冲洗的方式进行光伏组件的清洗，但干旱地区本来就缺乏水资源，因此，利用高压水冲洗技术清洗光伏组件并非该地区理想的光伏组件除尘技术。

2.2 仍需完善但已小范围使用的光伏组件除尘技术

仍需完善但已小范围使用的光伏组件除尘技术主要包括吹洗除尘技术、振动除尘技术、喷淋除尘技术、机器人除尘技术、“专用载水车+机械臂”除尘技术，以及纳米膜自清洁除尘技术。

2.2.1 吹洗除尘技术

吹洗除尘技术是指通过将空气喷射到光伏组件表面的方式来吹掉光伏组件表面的积尘；为减少二次扬尘造成的污染，级别较高的除尘设备还增加了吸尘功能。该除尘技术的除尘速度快，能够实现按需除尘，地形适用性强，而且避免了传统除尘技术(指前文所述已成熟且已大范围使用的除尘技术)对光伏组件的长期磨损和对水资源的浪费。此种除尘技术一般应用于水资源匮乏的地区。

陈泽粮[51]设计了一种基于压缩气体的吹洗除尘系统，其原理为：压缩空气通过压缩空气储能罐、压力表、控制阀、温度表、加热装置进入清理装置(清理装置由高压气管和至少1个喷嘴组成)，清理装置被固定在移动装置上，随移动装置在光伏阵列上移动，压缩空气通过喷嘴形成高压气流以冲击光伏组件表面，从而实现光伏阵列的除尘。基于压缩气体的吹洗除尘系统的总体结构原理图[51]如图5所示。

图5 基于压缩空气的吹洗除尘系统的总体结构原理图[51]Fig. 5 Overall structure schematic diagram of purging and dust removal system based on compressed air[51]

张绍华等[52]、杜小强等[53]均证明了吹洗除尘技术具有较好的光伏组件除尘效果，但该技术对湿积尘或与光伏组件表面粘结力较强的积尘的清除效果并不明显。目前，国内外光伏电站都较少使用吹洗除尘技术对光伏组件进行除尘。

2.2.2 振动除尘技术

振动除尘技术是在光伏组件支架上安装高频率振动的装置，在装置振动的同时，利用积尘自身的重力使其脱离光伏组件表面[54]。该技术的除尘速度快，可以实现按需除尘，并且无需耗水，比较适用于缺水的干旱地区。陈泽粮[51]使用EDEM离散单元法仿真软件，结合离散单元法，对振动除尘技术进行了仿真实验，实验结果表明：振动除尘后，光伏组件表面的积尘颗粒明显减少。

但振动除尘技术的清洁效率不高，只有大颗粒积尘能通过振动滑落，尤其对湿积尘变干后的状态不起作用，因此该技术还有待进一步的研究与改进。

2.2.3 喷淋除尘技术

喷淋除尘技术的原理与草坪或高尔夫球场的喷灌原理类似，喷淋除尘系统可频繁地一次性清洁整列光伏阵列或整个光伏电站，该系统的实物图如图6所示。

图6 喷淋除尘系统Fig. 6 Spray and dust removal system

2008年，SolarWash公司发明了一套可自动清洗的喷淋除尘系统，并将该系统在小型光伏电站中进行了应用试验，取得了较为满意的效果[55]。随后，MOHARRAM等[56]又发明了一套与SolarWash公司发明的可自动清洗的喷淋除尘系统相似的自动清洗喷淋除尘系统，但2套系统的不同之处在于，这套自动清洗喷淋除尘系统增加了水分循环再使用系统，可对水分进行多次循环利用。

喷淋除尘技术的除尘速度快，可实现自动化操作，几乎不需要人工成本，能够按需除尘，较适用于小型光伏电站。但对于干旱地区的大型光伏电站而言，喷淋除尘技术的耗水量较大，且需要铺设大量的输水管线和购买大量的喷头，初始成本高；并且在冬季最低温度下降到0 ℃以下时，无法使用该技术。因此，喷淋除尘技术并不适用于干旱地区的大型光伏电站的光伏组件除尘。

2.2.4 机器人除尘技术

近些年，随着光伏发电装机容量的飞速增长，国内外关于机器人除尘技术的研究百花齐放。ANDERSON等[57]发明了第1套光伏阵列清洗机器人装置，该装置主要包含2个分别连着光伏组件上端和下端的横向行走的传动小车和1个可以上下移动的清洗喷头，该装置的除尘技术原理示意图如图7所示。该机器人装置的清洗效率高，能在短时间内完成大面积的光伏组件清洗，且水资源利用率高。但该机器人装置的体积过大，其移动需要另备小车进行拖动；同时该装置需要安装喷水装置，造价昂贵。

图7 光伏阵列清洗机器人装置的除尘技术原理示意图[57]Fig. 7 Principle schematic diagram of dust removal technology for PV array cleaning robot device[57]

2014年，以色列的Ecoppia公司生产了一款无水清洁机器人[58]，其示意图如图8所示。该机器人的工作原理为：通过超细纤维毛刷旋转并辅以气流吹扫，自上而下地将光伏组件表面的积尘清除。该机器人在降雨稀少、积尘较松散的中东沙漠地区的应用较为广泛。

图8 Ecoppia公司的无水清洁机器人示意图Fig. 8 Schematic diagram of Ecoppia’s anhydrous cleaning robot

我国也涌现了诸多光伏清洁机器人，以南京天创电子技术有限公司(下文简称“南京天创”)的光伏清洁机器人为代表的清洁机器人的应用最为广泛，如图9所示。

图9 南京天创的光伏清洁机器人Fig. 9 PV cleaning robot of Nanjing Tianchuang

南京天创的光伏清洁机器人的工作原理为：通过毛刷高速转动将积尘从光伏组件表面掸起，然后在毛刷的冲击和旋转气流的共同作用下将积尘驱赶至光伏组件缝隙处并使其脱落[59]。该清洁机器人可实现远程实时监控，但其最大缺点在于行走系统对光伏组件的安装精度的要求较为苛刻，一旦光伏组件出现高低落差、倾斜安装的情况，该清洁机器人很容易因行走不协调而导致其行走轮“自锁”[59]。

总体来说，机器人除尘技术的自动化程度高、人工成本低、水资源利用效率高，可实现按需除尘；但此类机器人的安装和维护成本高，并且对操作人员的技术要求高。由于现有的清洁机器人各有弊端，均未能获得大面积推广应用。目前仅有少数光伏电站使用机器人除尘技术对光伏组件进行清洁，且均发现在运行一段时间后机器人的故障率较高，需专业人员及时维护。

2.2.5 “专用载水车+机械臂”除尘技术

干旱地区大型光伏电站一般都位于远离城镇、条件恶劣的自然环境中，尤其是沙漠、戈壁、荒地等地区，这类地区的风沙和积尘较多，距离水源地较远，自然降水量少；而此类地区光伏电站中的光伏组件主要采用固定式倾角的安置方式。针对这种特殊情况，国内外相关机构研发出了“专用载水车+机械臂”除尘技术。该技术的工作原理为：车辆前行时滚动刷随之一起转动，并带有喷水装置，通过采用多重操作来清洁光伏组件表面的积尘。“专用载水车+机械臂”除尘技术如图10所示。

图10 “专用载水车+机械臂”除尘技术Fig. 10 “Dedicated water truck + robotic arm” dust removal technology

德国、意大利等国家均有企业研发了“专用载水车+机械臂”的光伏组件除尘技术。我国一些企业结合国内光伏电站的实际情况，在国外此种除尘设备的基础上进行了一定程度的创新，典型企业代表如：重庆太初新能源有限公司、青岛昱臣智能机器人有限公司等。

“专用载水车+机械臂”除尘技术的自动化程度较高，人力耗费少，除尘效果好，但该除尘设备的体型笨重，价格昂贵，无法应对复杂的地形地貌，主要适用于西北地区地势相对平坦的光伏电站。但由于西北地区的水资源相对缺乏，因此，“专用载水车+机械臂”除尘技术在该地区的应用前景不具有普遍性。

2.2.6 纳米膜自清洁除尘技术

纳米膜自清洁除尘技术主要分为超亲水薄膜除尘技术和超疏水薄膜除尘技术。该技术的工作原理为：在光伏组件玻璃盖板表面喷涂1层超亲水或超疏水涂层，以实现光伏组件的自清洁。

超疏水薄膜除尘技术是通过涂层表面的乳突纳米结构使水滴极易滚动，水滴在滚动时会带走积尘，从而达到自清洁的效果，该现象也称“荷叶自洁效应”，可使雨滴和积尘都不易粘附在光伏组件表面，尤其适用于降雨量较少的地区[60]。

KONG等[61]使用二氧化硅、氧化锌在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面形成了柔性透明超疏水薄膜，EBERT等[62]使用正硅酸乙酯在玻璃表面制备出了透明的超疏水薄膜，并对其进行测试。测试结果表明：超疏水薄膜有利于提高光伏组件对太阳光的利用率，进而提高光伏组件的光电转换效率。谢解解[63]比较了硅类超疏水薄膜和氟类超疏水薄膜对光伏组件的光伏特性的影响，得出结论：硅类超疏水薄膜的透光率比氟类超疏水薄膜的高，但在应对外界环境变化时，氟类超疏水薄膜的透光率更为稳定；而且这2种薄膜均能减少积尘对光伏组件光电转换效率的影响，其中采用喷涂氟类超疏水薄膜的光伏组件的光电转换效率受积尘的影响相对较小。

超亲水薄膜除尘技术是利用光伏组件表面形成的超亲水薄膜阻止积尘与光伏组件表面直接接触，并在雨水等的冲刷下将污染物带离组件表面，进而实现光伏组件的自清洁[64]。该类技术适用于降雨量较多的地区。目前应用于光伏组件玻璃盖板的超亲水薄膜主要是基于无机光催化半导体材料的自清洁涂层材料，其中最典型的是二氧化钛涂层[64]。根据国外有关研究报道可知，喷涂有超亲水薄膜的光伏组件的光电转换效率可以提高5%[65]。

纳米膜自清洁除尘技术能够实时除尘，无需耗水，而且喷涂涂层后无需额外的机械运动，可减少对光伏组件的摩擦。我国研究人员通过对照实验发现，通过采用自清洁薄膜不仅可提升光伏组件的透光率及自清洁功能，还可以使其发电量提高4.4%[66]。

纳米膜自清洁除尘技术对湿积尘不起作用，有的自清洁薄膜的寿命有限，耐磨性较低，在使用其他清洗工具工作时，存在刮坏自清洁薄膜的风险。有报道表示，我国青海省格尔木地区有光伏电站采用了纳米膜自清洁除尘技术进行光伏组件除尘[67]，但该技术目前并未能在光伏发电领域获得广泛应用。

2.3 实验室阶段的光伏组件除尘技术

当前，实验室阶段的光伏组件除尘技术主要为电帘除尘技术。

电帘除尘技术最初于1967年由美国国家航空和宇宙航行局的TATOM等[68]提出，其原理是在光伏组件表面玻璃盖板内嵌入正、负电极，然后给正、负电极通电，形成电磁场，电磁场随着时间和空间不断变化，利用电磁行波能够在大气环境中搬运带电微尘。文献[69]研发了通过连接交流电源的平行电极产生电磁行波的方法，最终将带有正、负离子的积尘驱离光伏组件表面。电帘除尘技术原理的横截面示意图如图11所示。

图11 电帘除尘技术原理的横截面示意图[69]Fig. 11 Cross-section schematic diagram of principle of electrodynamic screen (EDS) dust removal technology[69]

近些年，电帘除尘技术已经被成功应用于探月工程和火星计划中光伏组件的除尘，并且有大量研究尝试将该技术应用于地球上的光伏组件除尘。电帘除尘技术无需耗水；自动化程度高，几乎不需要人工；可以短时间内清洁大范围的光伏组件，除尘效率高；无机械运动，不会产生沙粒的磨损；耗电量小；可实现每天除尘或更短时间间隔的除尘。据报道，电帘除尘技术可在2 min内去除光伏组件表面90%的积尘[46]。然而目前该技术尚处于实验室阶段，在光伏电站的应用还不成熟，存在很多限制因素，例如：空气相对湿度超过50%的地区不能使用该技术，该技术对湿积尘不起作用，采用该技术的设备的使用寿命未知，内置的电极会影响极小部分太阳光线的入射等。

2.4 各类光伏组件除尘技术小结

光伏组件积尘危害是光伏发电技术规模化应用中遇到的关键技术难题之一，综上所述可知，现有的大型光伏电站中光伏组件除尘技术均存在一定的局限性，制约着光伏产业的可持续发展。目前，大型光伏电站普遍采用的除尘技术为高压水冲洗技术[49,70]。而现在市场上研发投入最大、品种最多的光伏组件除尘技术主要是机器人除尘技术和“专用载水车+机械臂”除尘技术，这2种技术也被认为是未来最有前途的光伏电站中光伏组件除尘技术。但这些光伏组件除尘技术均存在自身的缺陷，尚未被市场完全认可。因此，大型光伏电站中光伏组件的除尘技术在原理、方法和新技术等方面都有待突破。

对干旱地区大型光伏电站中光伏组件除尘技术及其优、缺点进行详细对比，具体如表1所示。

表1 干旱地区大型光伏电站中光伏组件除尘技术及其优、缺点对比Table 1 Comparison of dust removal technology of PV modules in large PV power stations in arid areas and its advantages and disadvantages

3 大型光伏电站中光伏组件除尘技术研发的基本原则

根据上述各种大型光伏电站中光伏组件除尘技术的优、缺点，以及光伏电站业主的需求，本文提出了研发大型光伏电站中光伏组件除尘技术的5个基本原则，即：除尘设备的初始成本和后期维护成本低、除尘效率高、安全性高、用水量少但除尘效率高、干湿两用。下文进行具体分析。

3.1 除尘设备的初始成本和后期维护成本低

收益率是光伏电站业主选择除尘技术和除尘设备最重要的指标，而成本是决定收益率的最重要影响因子之一。当除尘设备的除尘效率高，但成本也较高时，会导致收益率降低，将不会被业主所接受。而除尘设备的成本不仅包括设备本身的成本，还包括在设备使用期内的维护费用。尤其是后者，由于大型光伏电站一般都位于人烟罕至的不可利用土地上，维修一次的成本较高且时间(加上往返光伏电站的时间)较长。因此，为降低光伏组件的除尘成本，除尘设备的初始成本和后期维护成本都需要很低。

3.2 除尘效率高

由于光伏组件积尘的累积效应，若不及时清洗，因光伏组件积尘造成的发电量损失会越来越大，尤其在一次扬沙或沙尘暴之后，需要迅速地将整个光伏电站清洗干净。而我国西北干旱地区在春季时的积尘严重，沙尘天气较为频繁[4]，若除尘速度较慢，下次积尘发生时，上一次的积尘还未完全清除，2次积尘叠加在一起造成的发电量损失更大。而除尘效率高则意味着单块光伏组件进行一次除尘的费用会降低。

3.3 安全性高

无论除尘设备的初始成本和后期维护成本多低、除尘效率多高，若除尘设备在使用过程中的安全性得不到保证，会对光伏电站业主造成一定的经济损失，亦得不到业主的认可。比如：“专用载水车+机械臂”除尘技术，尽管该技术的除尘效果和除尘速度都获得了光伏电站业主的认可，但该技术的机械臂存在压坏光伏组件的风险，因此仍未被大规模推广使用。

同时，安全性也包括操作人员在工作过程中不会发生触电的事故，因为光伏组件串并联以后的电压高达几百伏，远超出了人体的耐受极限。而光伏组件存在漏电的隐患，若除尘过程中人体通过不绝缘的工具接触到漏电的光伏组件，很有可能引发安全事故。因此，在光伏组件除尘的过程中，应尽可能保证人体不和光伏组件有不绝缘的直接接触。

3.4 用水量少但除尘效率高

大型光伏电站主要分布在中国、欧洲、中东、澳大利亚和美国等国家和地区的太阳能资源充足的戈壁地区，而这些地区气候干燥且风力较大，光伏组件表面的积尘比较严重，对光伏电站发电量的影响也较大。比如采用与用水相关的除尘技术时对水资源的需求较高，而且此类技术通常是用水量越大，除尘效果越好，但这些地区的水资源往往较为稀缺，提高了使用此类技术进行除尘工作的成本[71]。因此，这两者其实是一个矛盾体，在技术研发的过程中需通过试验寻求用水量和除尘效果之间的平衡点，后期亦可通过清洁水的循环利用减少用水量。

3.5 干湿两用

我国的大型光伏电站主要分布在西北地区，该地区冬季较寒冷，一般从11月初到来年3月下旬期间，最低温度都在0 ℃以下，无法开展水洗相关的除尘工作。而该地区此段时间积尘的影响又较大，尤其是下完小雪以后，积尘现象更严重，单一的干洗或水洗方式都不能完成除尘作业。因此，如果某种除尘技术只能干洗或水洗，这就要求业主需要购买2种除尘设备，且只能分别在不同的气温条件下使用，导致除尘作业的成本较高且单个除尘设备的利用率较低。这也要求未来的除尘技术要兼顾干洗和水洗2种功能。

4 展望

光伏发电系统已在全球获得大规模推广应用，未来随着光伏发电成本的不断下降，以及全球对可再生能源的逐渐重视，光伏发电的规模还将逐步扩大。尤其是在荒漠地区，比如中东和北非地区(MENA)及我国西北的沙漠、戈壁地区，这将是未来大型光伏电站最重要的建设区域。而在这些区域建设的光伏电站的后期维护是影响其能否高效运行的重要环节，其中，光伏组件表面积尘对光伏电站的发电效率起到了制约作用，而光伏组件除尘技术是提高光伏电站运行效率的重要技术。由于得天独厚的太阳能资源条件，近几年我国许多中大型光伏发电企业将光伏电站建设在西北干旱地区，而西北干旱地区的积尘又严重制约了这些光伏电站的发电量。若光伏组件表面的积尘问题得不到解决，将严重影响光伏发电系统的工作效率，降低其发电量，造成巨大的经济损失。

目前，国内光伏电站中光伏组件除尘业务的市场需求与除尘设备供应情况出现脱节，光伏电站中的光伏组件要么不清洗，要么采用效率极低的人工清洗方式，或采用国外进口的成本相对较高的“专用载水车+机械臂”技术来进行除尘，再加上光伏电站装机容量和除尘规划的不透明，随之产生了光伏电站业主对除尘业务需求的迫切性与实际除尘设备不能满足除尘要求的极大反差。因此，光伏组件除尘技术在工作原理、除尘方法和新技术研发等方面都有待突破。

笔者认为，随着除尘设备智能化程度的不断提高，以及研究人员对于积尘机理和光伏组件布设特殊性的深入研究，能够自动感知光伏组件表面积尘的累积程度及未来一段时间气候条件变化，能据此提供最优清洁方案，可以全天候独立完成除尘工作且无需人员干预的智能化除尘设备将会是未来大型光伏电站除尘设备研发的主要方向之一。

5 结论

本文介绍了积尘对干旱地区大型光伏电站发电量的影响机理，根据除尘技术目前在市场上的占有率及技术的成熟度情况，将光伏组件除尘技术分为3个大类，对每类除尘技术的优、缺点进行了详细介绍和分析，并提出了现阶段干旱地区大型光伏电站中光伏组件除尘技术研发的基本原则为：初始成本和后期维护成本低、除尘效率高、安全性高、用水量少但除尘效率高、干湿两用。未来，能够自动感知光伏组件表面积尘的累积程度和未来一段时间气候条件变化情况，能据此提供最优清洁方案，且可以全天候独立完成除尘工作、无需人员干预的智能化除尘设备将会是大型光伏电站除尘设备的主要研发方向之一。