分布式光伏的安全问题及清洗策略研究

2022-07-29李继安丁志远黄溢文

光源与照明 2022年4期

石杰，李继安，丁志远，黄溢文

1.华南理工大学环境与能源学院，广东广州 510000 2.几何智慧城市科技（广州）有限公司，广东广州 510000

0 引言

2007年，我国光伏建设进入了快速发展阶段，为确保年发电量，必须保证光伏发电站光伏组件的稳定运行。经过调研得知，空气中的污染物附着于光伏玻璃表面后，如果一年未清洗，直接造成发电量下降6%～8%。相应地，诞生了光伏发电效益的运维市场。分布式光伏多数建设在工厂厂房、高楼顶部，而且运维清洗大多是人工清洗，高空作业事故屡有发生，因此需要探究一种智能安全的运维模式。

1 光伏发展现状

1.1 研究背景

国家“双碳”目标提出以来，太阳能、风能、地热能等清洁能源以“取之不尽，用之不竭”的特点得到业界青睐，以利用太阳能为主的光伏行业的未来发展被普遍看好。2021年是我国“十四五”规划的开局之年、光伏全面平价的“启航年”，以及迈向“碳达峰、碳中和”目标的起始年，光伏行业的发展得到了新政策的支持和全社会的关注。但是，在分布式光伏的快速发展的同时，也产生了一系列问题，如安装安全、运维安全、运维成本等问题。文章主要简单介绍光伏行业的发展现状，同时针对分布式光伏安装及后期运维问题提出新的思考。

1.2 国内外发展现状

2001—2017 年，全世界光伏总装机量自1.25 GW升至304.30 GW，年复合增长率达40.98%[1]。匈牙利光伏产业在2020年的光伏总装机量达195 MW，比2016年增长73.1%[2]；比利时在2020年底累计光伏装机量超过6 GW，而且这些电力几乎全部来自住宅和商业光伏系统；美国2021年光伏总装机量已超过100 GW，过去十年的年均增长率为42%，根据美国能源部发布的研究报告，到2035年，光伏将占美国电力供应的40%[3]；法国2020年6月底的光伏累计安装总量达10.3 GW；印度计划，到2022年光伏装机容量达100 GW，到2030年可再生能源发电能力达450 GW[4]；韩国能源机构（KEA）发布的最新统计数据显示，2021年前三季度，新增2.82 GW光伏装机量；印尼计划到2030年新增4.7 GW光伏装机量；澳大利亚计划到2025年，在目前14 GW的基础上，再安装8.9 GW的太阳能电池板。

国内，《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》公开征求意见，首次提出到2025年，全国风电、光伏发电量占全社会用电量比重达16.5%左右的目标。截至2020年，中国光伏累计装机量为252.8 GW。2019年，我国光伏发电量为1.172 2×1011kW·h。2021年上半年，全国光伏新增装机量为1.301×107kW，其中，集中式光伏电站装机量为5.36×106kW，分布式光伏电站装机量为7.65×106kW[5]。2021年上半年，在光伏应用市场方面，我国光伏发电装机量为14 GW，分布式新增装机同比增长97.5%[6]。到2025年，我国光伏行业新增装机量将达110 GW，同比2020年增长128.22%。分布式光伏在经济效益持续提升的情况下，有望获得较快发展，保持约50%占比。分布式光伏快速发展，将促进我国城市建筑节能向建筑产能转变。光伏行业的发展呈现一片欣欣向荣的景象。

2 分布式光伏发电模式概述

分布式光伏是具备“就地开发、就近利用”的特点，以用户自发自用、多余电量上网，以及通过配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施，如图1所示。截至2021年9月，全国已有31个省（自治区、直辖市）及新疆生产建设兵团申报了整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案，并且已有676个整县（市、区）被列为屋顶分布式光伏开发试点，总装机容量将超过100 GW[7]。

图1 分布式光伏

分布式光伏与建筑联系紧密，“光伏+”各种应用场景的分布式项目，包括光伏+交通、光伏+加油站、光伏+屋顶等，其中，屋顶电站为主要应用方式。分布式光伏与建筑的结合方式目前包括BAPV与BIPV两种。其中，BAPV（Building-attached photovoltaics）指的是附着在建筑物上的光伏组件，这些光伏组件的主要功能是光伏发电，既不承担建筑物的功能，也不破坏或削弱原有建筑物的功能，现在已建设的大多数光伏建筑一体化指的就是BAPV。BIPV（Building-integrated photovoltaics）是指光伏与建筑物同时设计、同时施工和安装，并与建筑物相结合的光伏发电系统，也称为“构建型”和“建材型”建筑光伏，其既具有光伏发电功能，又能承担建筑构件和建筑材料的作用，可以更好地与建筑物融为一体。随着分布式光伏的快速发展，大城市中的住宅楼顶、办公屋顶和工厂厂房的屋顶都建设了大量的分布式光伏基站，为实现“碳中和”“碳达峰”贡献力量。

3 分布式光伏的安全问题

3.1 房屋安全

我国房屋形式多样，面积、朝向、材质、设计寿命、荷载等各不相同，屋面的设计使用寿命可以决定光伏电站的使用寿命等。

3.2 安装安全

通过调研了解到分布式光伏大多分布在工厂厂房，经过40年的高速发展，许多工厂都是老旧房子，这给光伏安装带来安全问题。

3.3 电压电流接入安全

在屋顶安装大面积的光伏发电装置后，产生的电流电压可能对楼里的居住人员带来安全隐患。

3.4 自然灾害安全

光伏板的耐风力不足，可能导致楼面震动；可能引来雷电，导致电流自动切断，影响供电。

3.5 后期运维安全

当前，在建设光伏电站时考虑更多的是建设规模、年发电量，很少关注光伏电站建设后期如何维护或者维持发电量，而这才是效益保证的关键。

光伏电站从荒漠走向农光、渔光、屋顶，在电站日常运维过程中攀爬必不可少，很多地面电站距离地面3～4 m，屋顶电站则更高，距离地面10～30 m，在日常运维过程中，往往需要通过爬梯攀爬。高度超过2 m，则属于高空作业。对于屋顶电站，很多厂房的爬梯没有任何安全护栏，爬梯均裸露在空气中，易出现生锈腐蚀现象，运维人员在上下爬梯时，稍有不慎，将造成意外安全事故，安全隐患大。同时，厂房顶棚四周无安全护栏，在四周边缘行走时，稍有不慎，容易失足坠落。例如，厂房顶棚安装塑料彩光瓦，日晒雨淋的彩光瓦早已老化发脆，承重能力不足，大部分彩光瓦上不设人行走的通道，同时没有醒目的警示标识，踩到彩光瓦上，就可能发生坠落。如果运维人员需要长时间户外工作，在高温天气中，长时间的高温、高强度工作很容易导致其中暑或身体不适。可见，解决分布式光伏运维安全问题十分重要。

4 分布式光伏的运维难点

分布式光伏除了安全问题，还存在很多运维难点，主要是环境污染物引起的发电效率下降。电站的发电量是衡量光伏发电系统最终性能的指标，而组件上的灰尘是影响发电量的重要因素之一。由于电站主要在室外工作，时间久了，光伏表面不可避免地会被污染，如被灰尘、油污、鸟粪等遮挡。同时，空气中存在大量灰尘，沉积在光伏板上的灰尘对光的漫反射和积累会导致组件前盖玻璃的透光率降低，从而导致透光率下降，而且灰尘沉积的浓度越大，透光率越低，从而使组件吸收辐照度越低。鸟粪、树叶等如果覆盖在光伏组件表面，轻则降低发电量，重则产生热斑效应，不仅不能发电，还会成为用电负载，甚至导致整个光伏组件报废。

5 传统的运维清洗方法

目前，针对环境污染物引起的发电效率下降的痛点问题，光伏电站常用的方法是清洗，而清洗方法主要分为人工清洗和机器人清洗两大类。

5.1 人工清洗

目前使用最广泛的方式为人工清洗，人工清洗灵活多变，成本低。但人员不易管理，清洗效率低下，清洗过程难以把控，质量低下。针对带有自动光源追踪装置的电站，人工清洗难度大，甚至无法开展清洗工作；对于厂房顶电站，光伏板铺满整个房顶，未预留人行通道，人员无法正常清洗，甚至为了贪图方便，站在光伏板上面行走清洗，高空清洗作业操作不便，危险性较大。

5.2 机器人清洗

目前使用的机器人清洗也未完全脱离人工清洗的范畴，由于光伏电站所处地理环境及铺设角度的特殊性，清洗机器人在安装不平整的光伏板上运行时，会出现机器人无法正常归位的现象；机器人在光伏板上行走会使玻璃产生微小形变，从而使电池片产生隐裂，加大组件的效率衰减；每个支架系统都需要配备一个机器人，造价过高。

6 分布式光伏清洗策略

针对上述环境污染物引起的发电效率下降的痛点问题，科研工作者开发了很多自清洁镀膜材料来减少污染物的附着。例如，Kaibn等[8]将SiO2/TiO2复合薄膜用于玻璃，实现自清洁和减反射功能；Rizgyandhaka Artha等[9]在玻璃等材料表面涂覆一层TiO2，使其免受污染物、灰尘的影响；许浩等[10]利用在线浮法玻璃生产设备和工艺技术，采用化学气相沉积技术（CVD），在玻璃表面生成永久性、纳米结构的TiO2薄膜，在雨水冲力作用下，污物不易附着表面，可以自动脱落，实现玻璃自洁净功能。这些涂层材料具有良好的自清洁效果，但是大多数局限于实验室的研究，离实际的应用仍有很大距离。例如，需要克服不同环境污染源、长时间紫外辐射的影响，存在仍需水冲洗等问题。

在光伏玻璃涂上一层自洁净材料之后，不能仅靠自然的雨水冲刷实现清洁，因为有的地区一个月甚至更长时间不下雨，导致灰尘的积累非常厚实，就算再下雨，也带不去灰尘，从而影响光线的透过率和整体的发电率。针对这种现象，文章提出一种新的解决思路——自清洁材料+智能监控系统。具体而言，是在光伏玻璃涂上自洁净材料之后，加上一套自动喷淋系统和灰尘监控系统。其工作原理为通过灰尘监控系统检测光伏表面的积灰厚度，在灰尘积累到一定程度后开启喷淋系统，从而解决光伏分布式清洁运维的难点问题。