崔永琴，孫家歡，肖建華*

(1. 山西財經(jīng)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太原 030006；2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000)

0 引言

能源和環(huán)境是影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的2個最重要問題。由于化石燃料等傳統(tǒng)能源的儲量有限，從可持續(xù)發(fā)展的角度分析，開發(fā)和利用可再生能源成為全球共識。在可再生能源利用方式中，太陽能被認(rèn)為是最具潛力、未來最有可能代替化石能源的新能源之一，其中光伏發(fā)電因具有安全可靠、環(huán)境友好，水資源依賴小等特點，已成為目前發(fā)展速度最快的太陽能利用方式之一[1]。近幾年，隨著光伏組件制造成本持續(xù)下降和我國不斷頒布針對光伏發(fā)電的支持性政策[2]，我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速，我國和全球的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模均實現(xiàn)了爆發(fā)式增長。全球及中國的光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量情況如圖1所示。

圖1 全球及中國的光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量Fig. 1 Cumulative installed capacity of PV power generation in the world and in China

我國國家能源局公布的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2013年，我國光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量僅約為19.42 GW，而截至2019年底，我國光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量已增長至204.3 GW。

我國西北地區(qū)屬于干旱地區(qū)，其整體的太陽能資源豐富[3-6]，除了新疆維吾爾自治區(qū)的古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠的部分區(qū)域的太陽能資源較少以外，其他沙漠區(qū)域均屬于太陽輻射量大于1700 kWh/m2的高值區(qū)域[7]，屬于我國太陽能資源很豐富區(qū)域。同時，由于我國西北地區(qū)有大量戈壁灘、荒沙地、荒山地等未開發(fā)利用的區(qū)域，土地使用成本低，非常適合建設(shè)大型光伏電站。因此，西北干旱地區(qū)是我國光伏電站，尤其是大型光伏電站裝機(jī)容量最大、裝機(jī)規(guī)模增長最快的地區(qū)。根據(jù)國家能源局公布的相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果，截至2019年底，我國西北五省、自治區(qū)(甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū))的光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量已達(dá)到50.88 GW，占全國光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量的25%。

同時，西北地區(qū)也是我國風(fēng)沙活動和沙塵暴多發(fā)區(qū)域[8-9]，年均沙塵暴天數(shù)可達(dá)10～34天[3-4]，導(dǎo)致該區(qū)域的降塵嚴(yán)重[5-7,10]。對于干旱地區(qū)的大型光伏電站而言，大多數(shù)光伏電站位于風(fēng)沙天氣頻發(fā)、植被稀疏、自然環(huán)境較為惡劣的荒漠地區(qū)，沉降在光伏組件表面的積塵會使光伏組件的透光率下降，減小光伏組件接收的有效太陽輻射強(qiáng)度，降低其光電轉(zhuǎn)換效率，從而使光伏組件的輸出功率顯著減少[11-13]。相關(guān)研究表明：1個月未清洗后，位于沙特阿拉伯的法赫德國王石油與礦業(yè)大學(xué)的光伏電站中的光伏組件輸出功率損失大于5%[14]；位于阿聯(lián)酋阿布扎比石油研究所的光伏電站中的光伏組件最大輸出功率降低了13%[15]；而位于墨西哥埃莫西約索諾拉大學(xué)的光伏電站僅20天未清洗，其光伏組件的輸出功率至少下降了5.8%[16]。埃及Helwan國家天文與地球物理研究所針對Helwan地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)：光伏組件在1個月未清洗后，其輸出功率損失達(dá)到了33.5%；6個月未清洗后，其輸出功率損失達(dá)到了65.8%[17]，大幅降低了光伏電站的發(fā)電效率。高德東等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)：青海省柴達(dá)木荒漠區(qū)的光伏電站的發(fā)電效率受降塵的影響較大，可降低5%～25%。陳東兵等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)：安裝在安徽省蚌埠地區(qū)的光伏組件在連續(xù)積塵20天后，其輸出功率降低了24%，日均降低1.2%。王偉志[20]對甘肅省武威地區(qū)某光伏電站的發(fā)電效率受積塵影響的情況進(jìn)行現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，在秋季無降雨情況下，積塵15天可使光伏組件輸出功率降低約22.60%，日均降低1.51%。以上研究結(jié)果表明：光伏組件表面的積塵能夠顯著降低光伏電站的發(fā)電量，尤其是建設(shè)在干旱地區(qū)的光伏電站[21-24]。因此，近年來，光伏組件表面積塵對發(fā)電量的影響越來越受到光伏電站管理者的重視，光伏組件表面積塵的清潔也受到研究學(xué)者和工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注。

及時清理光伏組件表面的積塵可顯著提高其光電轉(zhuǎn)換效率[25-27]。據(jù)調(diào)查，青海省的格爾木京能光伏電站在安裝了光伏組件自動清潔裝置后，在全部為晴天的4月14-26日期間，每天清潔的光伏組件的日總輸出功率相對于未清潔的光伏組件的日總輸出功率平均提升了0.44%。由于測試時間是春季，屬于格爾木空氣比較干凈的季節(jié)，因此在積塵最嚴(yán)重的冬季，光伏組件清潔后光伏電站的發(fā)電效率提升的比例將更高[28]。魏顯文[29]對甘肅省古浪縣某20 MW光伏扶貧配套電站進(jìn)行了為期1個月的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：安裝了清潔系統(tǒng)的光伏組件的日發(fā)電量比未安裝清潔系統(tǒng)的光伏組件的日發(fā)電量高4.87%～9.85%。王鋒等[30]通過對西安地區(qū)某屋頂光伏電站進(jìn)行對比實驗得出結(jié)論：清潔后的光伏組件的輸出功率比清潔前的光伏組件的輸出功率約提高了15%。雷貫強(qiáng)等[31]通過對新疆維吾爾自治區(qū)某光伏發(fā)電站近1年的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)：從最保守估計的角度來看，預(yù)計未進(jìn)行光伏組件清洗時，每年因積塵造成的光伏電站發(fā)電效率損失率為12%；若按照傳統(tǒng)的定期、定時、定次清洗模式對光伏組件進(jìn)行清洗，從最保守估計的角度來看，預(yù)計每年因積塵造成的光伏電站發(fā)電效率損失率為7%。

在歐洲等地區(qū)，頻繁的降雨一般能夠清除光伏組件表面的積塵，但由于我國干旱地區(qū)屬于干旱、半干旱氣候，降水量少，且離水源地較遠(yuǎn)，同時地下水資源也很匱乏，因此僅通過降雨等自然條件無法達(dá)到及時有效地清洗光伏組件的效果。另一方面，干旱地區(qū)的光伏電站都趨向于大型光伏電站，裝機(jī)規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)十兆瓦至數(shù)百兆瓦，占地面積可以達(dá)到數(shù)平方千米，光伏組件數(shù)量可達(dá)幾十萬塊，且在降塵嚴(yán)重的干旱地區(qū)，光伏電站中光伏組件每年的清洗次數(shù)高達(dá)數(shù)十次，但該地區(qū)的水資源缺乏，大幅增加了光伏電站的運維成本和難度。因此，光伏組件的清潔已成為目前干旱地區(qū)大型光伏電站面臨的最主要問題。本文簡要介紹了積塵對干旱地區(qū)大型光伏電站發(fā)電量的影響機(jī)理(本研究中的積塵或降塵專指沉降于光伏組件表面的物質(zhì))，著重分析了目前應(yīng)用較為廣泛的光伏組件除塵技術(shù)及各種除塵技術(shù)的優(yōu)、缺點，并提出了現(xiàn)階段干旱地區(qū)大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)研發(fā)的基本原則，以及未來干旱地區(qū)大型光伏電站中光伏組件除塵設(shè)備的研發(fā)方向。

1 積塵對干旱地區(qū)大型光伏電站發(fā)電量的影響機(jī)理

鑒于積塵對光伏電站造成的巨大損失，有必要探討積塵對干旱地區(qū)大型光伏電站發(fā)電量的影響機(jī)理。積塵的來源可分為自然來源和人為來源。自然來源主要是指土壤和巖石經(jīng)風(fēng)化作用后，分解成細(xì)小的顆粒，然后被風(fēng)力或雨滴等帶到光伏組件表面，比如沙塵暴過后的積塵等；人為來源主要是指工業(yè)生產(chǎn)過程中和工程開發(fā)建設(shè)過程中產(chǎn)生的粉塵，以及交通產(chǎn)生的揚塵等[32]。

1.1 積塵的分類

西北干旱地區(qū)的自然環(huán)境惡劣，可按是否吸收水分，將光伏組件表面的積塵分為浮塵和積垢兩大類。

1.1.1 浮塵

浮塵顆粒直徑較小，一般呈干燥、松散狀態(tài)，很容易附著在光伏組件表面，其積聚過程屬于物理過程。由于干旱地區(qū)的光伏電站主要建設(shè)在沙漠戈壁地區(qū)，而這些地區(qū)沙塵天氣頻繁，地面的沙塵被風(fēng)吹起后會沉降并附著在光伏組件表面。這種附著狀態(tài)比較離散，與光伏組件之間的粘性較小，因此比較容易清除。

1.1.2 積垢

積垢既包括溶于降雨、降雪和冰雹中并隨之沉降到光伏組件表面的積塵，也包括積聚在光伏組件表面的干降塵物通過雨/雪水的潤濕或吸收了空氣中的水氣后溶解并附著在光伏組件表面形成的積塵[32]。這類積塵的形態(tài)呈現(xiàn)點狀、雨滴狀、片狀和條狀，比較堅硬，且不易清除；并且該類積塵與光伏組件之間的粘性較強(qiáng)，極易吸收空氣中的雜質(zhì)后一起附著在光伏組件表面。

1.2 積塵對光伏發(fā)電的影響類型和影響機(jī)理

按不同的影響機(jī)理，積塵對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響類型可分為遮擋效應(yīng)、溫度效應(yīng)和腐蝕效應(yīng)這3種。下文對不同影響類型及影響機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 光伏組件積塵產(chǎn)生的遮擋效應(yīng)

太陽光線入射至光伏組件的玻璃蓋板表面時會發(fā)生反射和折射作用。當(dāng)光伏組件玻璃蓋板表面產(chǎn)生積塵后，積塵會遮擋照射在光伏組件上的光線。積塵粒徑的大小不同，對照射在光伏組件表面的太陽光線的遮擋程度也會不同，這種遮擋會使光伏組件表面接收太陽輻射的有效面積減少。積塵遮擋下太陽光線照射到光伏組件上的傳播示意圖[33]如圖2所示。

圖2 積塵遮擋下太陽光線照射到光伏組件表面后的傳播示意圖[33]Fig. 2 Schematic diagram of sun light transmission on surface of PV module under dust shielding[33]

從圖2可以看出，當(dāng)光伏組件玻璃蓋板表面產(chǎn)生積塵后，光強(qiáng)為E的太陽光線照射到積塵表面時會被吸收和散射，其中一部分能量ΔE1被積塵吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，另一部分能量ΔE2被積塵向四周散射。被散射的太陽光線中，可能有部分光強(qiáng)為E1的太陽光線照射到光伏組件的玻璃蓋板上，然后再次形成了一次折射(即光強(qiáng)為E11的太陽光線)和反射(即光強(qiáng)為E12的太陽光線)。由于積塵的遮擋，僅有光強(qiáng)為E1的太陽光線到達(dá)光伏組件的玻璃蓋板表面，相比于無積塵時，進(jìn)入玻璃蓋板的能量減少量為E-E1，從而使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電量降低[33]。

1.2.2 光伏組件積塵產(chǎn)生的溫度效應(yīng)

光伏組件表面的積塵不僅遮擋太陽光線對光伏組件的照射，而且還會導(dǎo)致光伏組件的傳熱形式發(fā)生改變。積塵附著在光伏組件表面會阻擋光伏組件的內(nèi)部熱量向外傳遞，導(dǎo)致光伏組件自身熱量得不到釋放；同時，被積塵遮擋區(qū)域的太陽電池的電流低于無積塵遮擋區(qū)域的太陽電池的電流，當(dāng)后者的電流流經(jīng)被積塵遮擋區(qū)域時，多出的電流將以熱量的形式釋放。上述2項因素的綜合作用致使被積塵遮擋區(qū)域的太陽電池的溫度越來越高，從而影響整個光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。

有研究表明，晶體硅光伏組件的內(nèi)部溫度每上升1 ℃，其輸出功率約下降0.5%[34]。當(dāng)光伏組件表面產(chǎn)生積塵并經(jīng)歷長時間日照后，被積塵遮擋區(qū)域的升溫速度遠(yuǎn)大于無積塵遮擋區(qū)域的升溫速度；當(dāng)溫度嚴(yán)重過高時，光伏組件表面會出現(xiàn)燒壞的暗斑，稱為熱斑效應(yīng)。熱斑效應(yīng)會嚴(yán)重影響光伏組件的使用壽命和輸出功率，其造成的影響輕則會降低光伏組件的發(fā)電量，重則會燒壞光伏組件，甚至引發(fā)火災(zāi)，造成不可挽回的損失[33,35]。

1.2.3 光伏組件積塵產(chǎn)生的腐蝕效應(yīng)

光伏組件的玻璃蓋板主要是由二氧化硅和石灰石等組成，而積塵一般具有酸性或堿性。當(dāng)具有酸、堿性的積塵落到光伏組件表面后，在濕潤條件下其會與光伏組件玻璃蓋板中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過長時間的酸、堿腐蝕后，玻璃蓋板表面就會變得坑坑洼洼，增加玻璃蓋板表面的粗糙度，導(dǎo)致漫反射增大，折射減少，使入射到太陽電池上的光照強(qiáng)度減弱，光電效應(yīng)減弱，從而降低光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率[33]。

2 國內(nèi)外干旱地區(qū)大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

光伏組件除塵技術(shù)是指基于特定的原理和裝置，將光伏組件表面的覆蓋物或異物清除，提高光伏組件的透光率，從而達(dá)到提高光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的目的[36]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究大多聚焦于積塵對光伏組件發(fā)電性能的影響，而關(guān)于光伏組件除塵技術(shù)的文獻(xiàn)資料相對較少，這可能歸因于以往的研究地區(qū)主要集中在歐洲、日本等降雨較多、積塵不嚴(yán)重的地區(qū)，導(dǎo)致光伏組件除塵技術(shù)未得到足夠的重視。近年來，隨著我國西北部、美國西南部、中東地區(qū)、印度北部、澳大利亞等干旱地區(qū)光伏發(fā)電規(guī)模的不斷增長，光伏組件表面的清潔問題也得到了各國研究學(xué)者的高度重視，專業(yè)的光伏組件除塵技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)和在線網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合筆者實際調(diào)研和多年光伏組件除塵的一線工作經(jīng)驗，對現(xiàn)有光伏組件除塵技術(shù)進(jìn)行分類。根據(jù)該技術(shù)目前在市場上的占有率及技術(shù)的成熟度情況，可將光伏組件除塵技術(shù)分為3類，即：已成熟且已大范圍使用的光伏組件除塵技術(shù)、仍需完善但已小范圍使用的光伏組件除塵技術(shù)和實驗室階段的光伏組件除塵技術(shù)。

下文對這3類光伏組件除塵技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 已成熟且已大范圍使用的光伏組件除塵技術(shù)

已成熟且已大范圍使用的光伏組件除塵技術(shù)主要包括自然除塵技術(shù)、人工清洗技術(shù)、高壓水沖洗技術(shù)。

2.1.1 自然除塵技術(shù)

自然除塵技術(shù)是指通過降雨、風(fēng)力、融雪、重力等自然力量清除光伏組件表面積塵的清潔方式，較適用于降雨量充沛的地區(qū)。各國學(xué)者就自然降水的清潔效應(yīng)進(jìn)行了諸多研究，得出結(jié)論：在降雨量充沛的地區(qū)，自然降水在大多數(shù)情況下能夠清除光伏組件表面的積塵，并可使光伏組件的輸出功率幾乎恢復(fù)到初始輸出功率。

APPELS等[37]、HAEBERLIN 等[38]和RYAN等[39]分別在比利時勒芬市、瑞士伯爾尼州、美國俄勒岡州尤金市的光伏電站進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明：充足的降雨完全可以恢復(fù)積塵造成的光伏組件輸出功率損失，無需再進(jìn)行人工清洗。武永鑫等[40]對我國大理地區(qū)安裝的光伏組件經(jīng)過6-10月期間的雨水沖刷前、后的相對光電轉(zhuǎn)換效率的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：光伏組件的相對光電轉(zhuǎn)換效率由6月未經(jīng)雨水沖刷時的78.1%提高至10月經(jīng)過雨水沖刷后的90.0%，但由于當(dāng)?shù)赝寥赖仍?，光伏組件的相對光電轉(zhuǎn)換效率在回到90%左右后不再提高。當(dāng)降雨量不足以清洗光伏組件表面的積塵，反而會形成濕降塵，從而導(dǎo)致光伏電站發(fā)電量的極速減少[40-41]。同時，風(fēng)力除塵可以清除光伏組件表面較大顆粒的積塵，而且隨著風(fēng)速的增大，光伏組件的溫度會下降，周圍空氣的相對濕度也會下降，這將有助于提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率[42]。但風(fēng)力亦可能會攜帶浮塵從而引起光伏組件積塵，而且風(fēng)力除塵對直徑小于50 μm的積塵顆粒的效果不大[43]。

由于干旱地區(qū)的降雨量和有效降雨次數(shù)都較少，因此自然除塵技術(shù)不適用于干旱地區(qū)光伏電站的光伏組件除塵，僅適合作為該地區(qū)光伏電站中光伏組件除塵的一種輔助方式。

2.1.2 人工清洗技術(shù)

人工清洗技術(shù)是指通過雇傭人力，使用壓力較低的自來水或去離子水，借助長柄拖布或?qū)Ｓ盟⒌惹鍜吖ぞ?，或配合專用清潔劑對光伏組件表面進(jìn)行清潔的方式，較適用于中小型光伏電站中光伏組件表面積塵的清除[22,44-45]。人工清洗技術(shù)如圖3所示。

圖3 人工清洗技術(shù)Fig. 3 Manual cleaning technology

但對于大型光伏電站而言，人工清洗技術(shù)存在效率低、清洗周期長、人力成本高及耗水量大的缺點[46]；而且最好是在早晨或傍晚采用該除塵技術(shù)進(jìn)行光伏組件清洗，且避免在炎熱天氣下清洗光伏組件，因為強(qiáng)光下的光伏組件在遇到水后會引發(fā)熱應(yīng)力，損壞光伏組件，從而縮短光伏組件的壽命[47]。

由于干旱地區(qū)的光伏電站通常建在沙漠或戈壁地區(qū)，此類區(qū)域的人煙稀少、水資源缺乏，因此，人工清洗技術(shù)并不適用于干旱地區(qū)大型光伏電站的光伏組件除塵。

2.1.3 高壓水沖洗技術(shù)

高壓水沖洗技術(shù)是指利用接頭端連接在儲水車或水管上的高壓噴頭向光伏組件表面噴水沖刷，從而達(dá)到清洗光伏組件表面積塵的目的，具體如圖4所示。高壓水沖洗技術(shù)無需大量人工參與、操作簡單、設(shè)備成本低、清洗速度快，且能夠適用不同類型和不同地形的光伏電站，可實現(xiàn)按需除塵，不污染環(huán)境，被認(rèn)為是目前最有效的光伏組件除塵技術(shù)之一[48]。

圖4 高壓水沖洗技術(shù)Fig. 4 High-pressure water jets technology

國內(nèi)外學(xué)者針對高壓水沖洗技術(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究較多。PAVAN等[49]通過在意大利普利亞區(qū)光伏電站的試驗研究發(fā)現(xiàn)：用高壓去離子水清洗光伏組件后，再配合刷子對光伏組件表面進(jìn)行清潔，光伏組件的輸出功率相較于未清洗前增加了6.9%，顯著高于只采用高壓去離子水清洗后光伏組件增加的輸出功率(1.1%)。這表明高壓水沖洗與刷子擦拭結(jié)合使用可以清除光伏組件表面高度粘結(jié)的細(xì)顆粒積塵；但過度擦拭極易刮傷光伏組件表面，因此采用刷子擦洗光伏組件表面時必須謹(jǐn)慎。

也有研究認(rèn)為，結(jié)合專用清潔劑的高壓水沖洗技術(shù)是迄今為止最好的光伏組件除塵技術(shù)，因為相對于人工清洗技術(shù)而言，高壓水沖洗技術(shù)僅需相對較少的水量，而結(jié)合專用清潔劑后還可以避免過度沖洗和刷子擦拭引起的光伏組件損壞的情況發(fā)生[50]。但是大量清潔劑的使用有可能會造成環(huán)境污染，這還需要通過后期試驗來進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

目前，我國大部分光伏電站主要采用高壓水沖洗的方式進(jìn)行光伏組件的清洗，但干旱地區(qū)本來就缺乏水資源，因此，利用高壓水沖洗技術(shù)清洗光伏組件并非該地區(qū)理想的光伏組件除塵技術(shù)。

2.2 仍需完善但已小范圍使用的光伏組件除塵技術(shù)

仍需完善但已小范圍使用的光伏組件除塵技術(shù)主要包括吹洗除塵技術(shù)、振動除塵技術(shù)、噴淋除塵技術(shù)、機(jī)器人除塵技術(shù)、“專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)，以及納米膜自清潔除塵技術(shù)。

2.2.1 吹洗除塵技術(shù)

吹洗除塵技術(shù)是指通過將空氣噴射到光伏組件表面的方式來吹掉光伏組件表面的積塵；為減少二次揚塵造成的污染，級別較高的除塵設(shè)備還增加了吸塵功能。該除塵技術(shù)的除塵速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)按需除塵，地形適用性強(qiáng)，而且避免了傳統(tǒng)除塵技術(shù)(指前文所述已成熟且已大范圍使用的除塵技術(shù))對光伏組件的長期磨損和對水資源的浪費。此種除塵技術(shù)一般應(yīng)用于水資源匱乏的地區(qū)。

陳澤糧[51]設(shè)計了一種基于壓縮氣體的吹洗除塵系統(tǒng)，其原理為：壓縮空氣通過壓縮空氣儲能罐、壓力表、控制閥、溫度表、加熱裝置進(jìn)入清理裝置(清理裝置由高壓氣管和至少1個噴嘴組成)，清理裝置被固定在移動裝置上，隨移動裝置在光伏陣列上移動，壓縮空氣通過噴嘴形成高壓氣流以沖擊光伏組件表面，從而實現(xiàn)光伏陣列的除塵?；趬嚎s氣體的吹洗除塵系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理圖[51]如圖5所示。

圖5 基于壓縮空氣的吹洗除塵系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理圖[51]Fig. 5 Overall structure schematic diagram of purging and dust removal system based on compressed air[51]

張紹華等[52]、杜小強(qiáng)等[53]均證明了吹洗除塵技術(shù)具有較好的光伏組件除塵效果，但該技術(shù)對濕積塵或與光伏組件表面粘結(jié)力較強(qiáng)的積塵的清除效果并不明顯。目前，國內(nèi)外光伏電站都較少使用吹洗除塵技術(shù)對光伏組件進(jìn)行除塵。

2.2.2 振動除塵技術(shù)

振動除塵技術(shù)是在光伏組件支架上安裝高頻率振動的裝置，在裝置振動的同時，利用積塵自身的重力使其脫離光伏組件表面[54]。該技術(shù)的除塵速度快，可以實現(xiàn)按需除塵，并且無需耗水，比較適用于缺水的干旱地區(qū)。陳澤糧[51]使用EDEM離散單元法仿真軟件，結(jié)合離散單元法，對振動除塵技術(shù)進(jìn)行了仿真實驗，實驗結(jié)果表明：振動除塵后，光伏組件表面的積塵顆粒明顯減少。

但振動除塵技術(shù)的清潔效率不高，只有大顆粒積塵能通過振動滑落，尤其對濕積塵變干后的狀態(tài)不起作用，因此該技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

2.2.3 噴淋除塵技術(shù)

噴淋除塵技術(shù)的原理與草坪或高爾夫球場的噴灌原理類似，噴淋除塵系統(tǒng)可頻繁地一次性清潔整列光伏陣列或整個光伏電站，該系統(tǒng)的實物圖如圖6所示。

圖6 噴淋除塵系統(tǒng)Fig. 6 Spray and dust removal system

2008年，SolarWash公司發(fā)明了一套可自動清洗的噴淋除塵系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)在小型光伏電站中進(jìn)行了應(yīng)用試驗，取得了較為滿意的效果[55]。隨后，MOHARRAM等[56]又發(fā)明了一套與SolarWash公司發(fā)明的可自動清洗的噴淋除塵系統(tǒng)相似的自動清洗噴淋除塵系統(tǒng)，但2套系統(tǒng)的不同之處在于，這套自動清洗噴淋除塵系統(tǒng)增加了水分循環(huán)再使用系統(tǒng)，可對水分進(jìn)行多次循環(huán)利用。

噴淋除塵技術(shù)的除塵速度快，可實現(xiàn)自動化操作，幾乎不需要人工成本，能夠按需除塵，較適用于小型光伏電站。但對于干旱地區(qū)的大型光伏電站而言，噴淋除塵技術(shù)的耗水量較大，且需要鋪設(shè)大量的輸水管線和購買大量的噴頭，初始成本高；并且在冬季最低溫度下降到0 ℃以下時，無法使用該技術(shù)。因此，噴淋除塵技術(shù)并不適用于干旱地區(qū)的大型光伏電站的光伏組件除塵。

2.2.4 機(jī)器人除塵技術(shù)

近些年，隨著光伏發(fā)電裝機(jī)容量的飛速增長，國內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人除塵技術(shù)的研究百花齊放。ANDERSON等[57]發(fā)明了第1套光伏陣列清洗機(jī)器人裝置，該裝置主要包含2個分別連著光伏組件上端和下端的橫向行走的傳動小車和1個可以上下移動的清洗噴頭，該裝置的除塵技術(shù)原理示意圖如圖7所示。該機(jī)器人裝置的清洗效率高，能在短時間內(nèi)完成大面積的光伏組件清洗，且水資源利用率高。但該機(jī)器人裝置的體積過大，其移動需要另備小車進(jìn)行拖動；同時該裝置需要安裝噴水裝置，造價昂貴。

圖7 光伏陣列清洗機(jī)器人裝置的除塵技術(shù)原理示意圖[57]Fig. 7 Principle schematic diagram of dust removal technology for PV array cleaning robot device[57]

2014年，以色列的Ecoppia公司生產(chǎn)了一款無水清潔機(jī)器人[58]，其示意圖如圖8所示。該機(jī)器人的工作原理為：通過超細(xì)纖維毛刷旋轉(zhuǎn)并輔以氣流吹掃，自上而下地將光伏組件表面的積塵清除。該機(jī)器人在降雨稀少、積塵較松散的中東沙漠地區(qū)的應(yīng)用較為廣泛。

圖8 Ecoppia公司的無水清潔機(jī)器人示意圖Fig. 8 Schematic diagram of Ecoppia’s anhydrous cleaning robot

我國也涌現(xiàn)了諸多光伏清潔機(jī)器人，以南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司(下文簡稱“南京天創(chuàng)”)的光伏清潔機(jī)器人為代表的清潔機(jī)器人的應(yīng)用最為廣泛，如圖9所示。

圖9 南京天創(chuàng)的光伏清潔機(jī)器人Fig. 9 PV cleaning robot of Nanjing Tianchuang

南京天創(chuàng)的光伏清潔機(jī)器人的工作原理為：通過毛刷高速轉(zhuǎn)動將積塵從光伏組件表面撣起，然后在毛刷的沖擊和旋轉(zhuǎn)氣流的共同作用下將積塵驅(qū)趕至光伏組件縫隙處并使其脫落[59]。該清潔機(jī)器人可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，但其最大缺點在于行走系統(tǒng)對光伏組件的安裝精度的要求較為苛刻，一旦光伏組件出現(xiàn)高低落差、傾斜安裝的情況，該清潔機(jī)器人很容易因行走不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致其行走輪“自鎖”[59]。

總體來說，機(jī)器人除塵技術(shù)的自動化程度高、人工成本低、水資源利用效率高，可實現(xiàn)按需除塵；但此類機(jī)器人的安裝和維護(hù)成本高，并且對操作人員的技術(shù)要求高。由于現(xiàn)有的清潔機(jī)器人各有弊端，均未能獲得大面積推廣應(yīng)用。目前僅有少數(shù)光伏電站使用機(jī)器人除塵技術(shù)對光伏組件進(jìn)行清潔，且均發(fā)現(xiàn)在運行一段時間后機(jī)器人的故障率較高，需專業(yè)人員及時維護(hù)。

2.2.5 “專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)

干旱地區(qū)大型光伏電站一般都位于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、條件惡劣的自然環(huán)境中，尤其是沙漠、戈壁、荒地等地區(qū)，這類地區(qū)的風(fēng)沙和積塵較多，距離水源地較遠(yuǎn)，自然降水量少；而此類地區(qū)光伏電站中的光伏組件主要采用固定式傾角的安置方式。針對這種特殊情況，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)出了“專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)。該技術(shù)的工作原理為：車輛前行時滾動刷隨之一起轉(zhuǎn)動，并帶有噴水裝置，通過采用多重操作來清潔光伏組件表面的積塵?！皩Ｓ幂d水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)如圖10所示。

圖10 “專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)Fig. 10 “Dedicated water truck + robotic arm” dust removal technology

德國、意大利等國家均有企業(yè)研發(fā)了“專用載水車+機(jī)械臂”的光伏組件除塵技術(shù)。我國一些企業(yè)結(jié)合國內(nèi)光伏電站的實際情況，在國外此種除塵設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度的創(chuàng)新，典型企業(yè)代表如：重慶太初新能源有限公司、青島昱臣智能機(jī)器人有限公司等。

“專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)的自動化程度較高，人力耗費少，除塵效果好，但該除塵設(shè)備的體型笨重，價格昂貴，無法應(yīng)對復(fù)雜的地形地貌，主要適用于西北地區(qū)地勢相對平坦的光伏電站。但由于西北地區(qū)的水資源相對缺乏，因此，“專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)在該地區(qū)的應(yīng)用前景不具有普遍性。

2.2.6 納米膜自清潔除塵技術(shù)

納米膜自清潔除塵技術(shù)主要分為超親水薄膜除塵技術(shù)和超疏水薄膜除塵技術(shù)。該技術(shù)的工作原理為：在光伏組件玻璃蓋板表面噴涂1層超親水或超疏水涂層，以實現(xiàn)光伏組件的自清潔。

超疏水薄膜除塵技術(shù)是通過涂層表面的乳突納米結(jié)構(gòu)使水滴極易滾動，水滴在滾動時會帶走積塵，從而達(dá)到自清潔的效果，該現(xiàn)象也稱“荷葉自潔效應(yīng)”，可使雨滴和積塵都不易粘附在光伏組件表面，尤其適用于降雨量較少的地區(qū)[60]。

KONG等[61]使用二氧化硅、氧化鋅在聚對苯二甲酸乙二醇酯(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備出了透明的超疏水薄膜，并對其進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：超疏水薄膜有利于提高光伏組件對太陽光的利用率，進(jìn)而提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。謝解解[63]比較了硅類超疏水薄膜和氟類超疏水薄膜對光伏組件的光伏特性的影響，得出結(jié)論：硅類超疏水薄膜的透光率比氟類超疏水薄膜的高，但在應(yīng)對外界環(huán)境變化時，氟類超疏水薄膜的透光率更為穩(wěn)定；而且這2種薄膜均能減少積塵對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響，其中采用噴涂氟類超疏水薄膜的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率受積塵的影響相對較小。

超親水薄膜除塵技術(shù)是利用光伏組件表面形成的超親水薄膜阻止積塵與光伏組件表面直接接觸，并在雨水等的沖刷下將污染物帶離組件表面，進(jìn)而實現(xiàn)光伏組件的自清潔[64]。該類技術(shù)適用于降雨量較多的地區(qū)。目前應(yīng)用于光伏組件玻璃蓋板的超親水薄膜主要是基于無機(jī)光催化半導(dǎo)體材料的自清潔涂層材料，其中最典型的是二氧化鈦涂層[64]。根據(jù)國外有關(guān)研究報道可知，噴涂有超親水薄膜的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率可以提高5%[65]。

納米膜自清潔除塵技術(shù)能夠?qū)崟r除塵，無需耗水，而且噴涂涂層后無需額外的機(jī)械運動，可減少對光伏組件的摩擦。我國研究人員通過對照實驗發(fā)現(xiàn)，通過采用自清潔薄膜不僅可提升光伏組件的透光率及自清潔功能，還可以使其發(fā)電量提高4.4%[66]。

納米膜自清潔除塵技術(shù)對濕積塵不起作用，有的自清潔薄膜的壽命有限，耐磨性較低，在使用其他清洗工具工作時，存在刮壞自清潔薄膜的風(fēng)險。有報道表示，我國青海省格爾木地區(qū)有光伏電站采用了納米膜自清潔除塵技術(shù)進(jìn)行光伏組件除塵[67]，但該技術(shù)目前并未能在光伏發(fā)電領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

2.3 實驗室階段的光伏組件除塵技術(shù)

當(dāng)前，實驗室階段的光伏組件除塵技術(shù)主要為電簾除塵技術(shù)。

電簾除塵技術(shù)最初于1967年由美國國家航空和宇宙航行局的TATOM等[68]提出，其原理是在光伏組件表面玻璃蓋板內(nèi)嵌入正、負(fù)電極，然后給正、負(fù)電極通電，形成電磁場，電磁場隨著時間和空間不斷變化，利用電磁行波能夠在大氣環(huán)境中搬運帶電微塵。文獻(xiàn)[69]研發(fā)了通過連接交流電源的平行電極產(chǎn)生電磁行波的方法，最終將帶有正、負(fù)離子的積塵驅(qū)離光伏組件表面。電簾除塵技術(shù)原理的橫截面示意圖如圖11所示。

圖11 電簾除塵技術(shù)原理的橫截面示意圖[69]Fig. 11 Cross-section schematic diagram of principle of electrodynamic screen (EDS) dust removal technology[69]

近些年，電簾除塵技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于探月工程和火星計劃中光伏組件的除塵，并且有大量研究嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于地球上的光伏組件除塵。電簾除塵技術(shù)無需耗水；自動化程度高，幾乎不需要人工；可以短時間內(nèi)清潔大范圍的光伏組件，除塵效率高；無機(jī)械運動，不會產(chǎn)生沙粒的磨損；耗電量??；可實現(xiàn)每天除塵或更短時間間隔的除塵。據(jù)報道，電簾除塵技術(shù)可在2 min內(nèi)去除光伏組件表面90%的積塵[46]。然而目前該技術(shù)尚處于實驗室階段，在光伏電站的應(yīng)用還不成熟，存在很多限制因素，例如：空氣相對濕度超過50%的地區(qū)不能使用該技術(shù)，該技術(shù)對濕積塵不起作用，采用該技術(shù)的設(shè)備的使用壽命未知，內(nèi)置的電極會影響極小部分太陽光線的入射等。

2.4 各類光伏組件除塵技術(shù)小結(jié)

光伏組件積塵危害是光伏發(fā)電技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用中遇到的關(guān)鍵技術(shù)難題之一，綜上所述可知，現(xiàn)有的大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)均存在一定的局限性，制約著光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前，大型光伏電站普遍采用的除塵技術(shù)為高壓水沖洗技術(shù)[49,70]。而現(xiàn)在市場上研發(fā)投入最大、品種最多的光伏組件除塵技術(shù)主要是機(jī)器人除塵技術(shù)和“專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)，這2種技術(shù)也被認(rèn)為是未來最有前途的光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)。但這些光伏組件除塵技術(shù)均存在自身的缺陷，尚未被市場完全認(rèn)可。因此，大型光伏電站中光伏組件的除塵技術(shù)在原理、方法和新技術(shù)等方面都有待突破。

對干旱地區(qū)大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)及其優(yōu)、缺點進(jìn)行詳細(xì)對比，具體如表1所示。

表1 干旱地區(qū)大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)及其優(yōu)、缺點對比Table 1 Comparison of dust removal technology of PV modules in large PV power stations in arid areas and its advantages and disadvantages

3 大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)研發(fā)的基本原則

根據(jù)上述各種大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)的優(yōu)、缺點，以及光伏電站業(yè)主的需求，本文提出了研發(fā)大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)的5個基本原則，即：除塵設(shè)備的初始成本和后期維護(hù)成本低、除塵效率高、安全性高、用水量少但除塵效率高、干濕兩用。下文進(jìn)行具體分析。

3.1 除塵設(shè)備的初始成本和后期維護(hù)成本低

收益率是光伏電站業(yè)主選擇除塵技術(shù)和除塵設(shè)備最重要的指標(biāo)，而成本是決定收益率的最重要影響因子之一。當(dāng)除塵設(shè)備的除塵效率高，但成本也較高時，會導(dǎo)致收益率降低，將不會被業(yè)主所接受。而除塵設(shè)備的成本不僅包括設(shè)備本身的成本，還包括在設(shè)備使用期內(nèi)的維護(hù)費用。尤其是后者，由于大型光伏電站一般都位于人煙罕至的不可利用土地上，維修一次的成本較高且時間(加上往返光伏電站的時間)較長。因此，為降低光伏組件的除塵成本，除塵設(shè)備的初始成本和后期維護(hù)成本都需要很低。

3.2 除塵效率高

由于光伏組件積塵的累積效應(yīng)，若不及時清洗，因光伏組件積塵造成的發(fā)電量損失會越來越大，尤其在一次揚沙或沙塵暴之后，需要迅速地將整個光伏電站清洗干凈。而我國西北干旱地區(qū)在春季時的積塵嚴(yán)重，沙塵天氣較為頻繁[4]，若除塵速度較慢，下次積塵發(fā)生時，上一次的積塵還未完全清除，2次積塵疊加在一起造成的發(fā)電量損失更大。而除塵效率高則意味著單塊光伏組件進(jìn)行一次除塵的費用會降低。

3.3 安全性高

無論除塵設(shè)備的初始成本和后期維護(hù)成本多低、除塵效率多高，若除塵設(shè)備在使用過程中的安全性得不到保證，會對光伏電站業(yè)主造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，亦得不到業(yè)主的認(rèn)可。比如：“專用載水車+機(jī)械臂”除塵技術(shù)，盡管該技術(shù)的除塵效果和除塵速度都獲得了光伏電站業(yè)主的認(rèn)可，但該技術(shù)的機(jī)械臂存在壓壞光伏組件的風(fēng)險，因此仍未被大規(guī)模推廣使用。

同時，安全性也包括操作人員在工作過程中不會發(fā)生觸電的事故，因為光伏組件串并聯(lián)以后的電壓高達(dá)幾百伏，遠(yuǎn)超出了人體的耐受極限。而光伏組件存在漏電的隱患，若除塵過程中人體通過不絕緣的工具接觸到漏電的光伏組件，很有可能引發(fā)安全事故。因此，在光伏組件除塵的過程中，應(yīng)盡可能保證人體不和光伏組件有不絕緣的直接接觸。

3.4 用水量少但除塵效率高

大型光伏電站主要分布在中國、歐洲、中東、澳大利亞和美國等國家和地區(qū)的太陽能資源充足的戈壁地區(qū)，而這些地區(qū)氣候干燥且風(fēng)力較大，光伏組件表面的積塵比較嚴(yán)重，對光伏電站發(fā)電量的影響也較大。比如采用與用水相關(guān)的除塵技術(shù)時對水資源的需求較高，而且此類技術(shù)通常是用水量越大，除塵效果越好，但這些地區(qū)的水資源往往較為稀缺，提高了使用此類技術(shù)進(jìn)行除塵工作的成本[71]。因此，這兩者其實是一個矛盾體，在技術(shù)研發(fā)的過程中需通過試驗尋求用水量和除塵效果之間的平衡點，后期亦可通過清潔水的循環(huán)利用減少用水量。

3.5 干濕兩用

我國的大型光伏電站主要分布在西北地區(qū)，該地區(qū)冬季較寒冷，一般從11月初到來年3月下旬期間，最低溫度都在0 ℃以下，無法開展水洗相關(guān)的除塵工作。而該地區(qū)此段時間積塵的影響又較大，尤其是下完小雪以后，積塵現(xiàn)象更嚴(yán)重，單一的干洗或水洗方式都不能完成除塵作業(yè)。因此，如果某種除塵技術(shù)只能干洗或水洗，這就要求業(yè)主需要購買2種除塵設(shè)備，且只能分別在不同的氣溫條件下使用，導(dǎo)致除塵作業(yè)的成本較高且單個除塵設(shè)備的利用率較低。這也要求未來的除塵技術(shù)要兼顧干洗和水洗2種功能。

4 展望

光伏發(fā)電系統(tǒng)已在全球獲得大規(guī)模推廣應(yīng)用，未來隨著光伏發(fā)電成本的不斷下降，以及全球?qū)稍偕茉吹闹饾u重視，光伏發(fā)電的規(guī)模還將逐步擴(kuò)大。尤其是在荒漠地區(qū)，比如中東和北非地區(qū)(MENA)及我國西北的沙漠、戈壁地區(qū)，這將是未來大型光伏電站最重要的建設(shè)區(qū)域。而在這些區(qū)域建設(shè)的光伏電站的后期維護(hù)是影響其能否高效運行的重要環(huán)節(jié)，其中，光伏組件表面積塵對光伏電站的發(fā)電效率起到了制約作用，而光伏組件除塵技術(shù)是提高光伏電站運行效率的重要技術(shù)。由于得天獨厚的太陽能資源條件，近幾年我國許多中大型光伏發(fā)電企業(yè)將光伏電站建設(shè)在西北干旱地區(qū)，而西北干旱地區(qū)的積塵又嚴(yán)重制約了這些光伏電站的發(fā)電量。若光伏組件表面的積塵問題得不到解決，將嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，降低其發(fā)電量，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國內(nèi)光伏電站中光伏組件除塵業(yè)務(wù)的市場需求與除塵設(shè)備供應(yīng)情況出現(xiàn)脫節(jié)，光伏電站中的光伏組件要么不清洗，要么采用效率極低的人工清洗方式，或采用國外進(jìn)口的成本相對較高的“專用載水車+機(jī)械臂”技術(shù)來進(jìn)行除塵，再加上光伏電站裝機(jī)容量和除塵規(guī)劃的不透明，隨之產(chǎn)生了光伏電站業(yè)主對除塵業(yè)務(wù)需求的迫切性與實際除塵設(shè)備不能滿足除塵要求的極大反差。因此，光伏組件除塵技術(shù)在工作原理、除塵方法和新技術(shù)研發(fā)等方面都有待突破。

筆者認(rèn)為，隨著除塵設(shè)備智能化程度的不斷提高，以及研究人員對于積塵機(jī)理和光伏組件布設(shè)特殊性的深入研究，能夠自動感知光伏組件表面積塵的累積程度及未來一段時間氣候條件變化，能據(jù)此提供最優(yōu)清潔方案，可以全天候獨立完成除塵工作且無需人員干預(yù)的智能化除塵設(shè)備將會是未來大型光伏電站除塵設(shè)備研發(fā)的主要方向之一。

5 結(jié)論

本文介紹了積塵對干旱地區(qū)大型光伏電站發(fā)電量的影響機(jī)理，根據(jù)除塵技術(shù)目前在市場上的占有率及技術(shù)的成熟度情況，將光伏組件除塵技術(shù)分為3個大類，對每類除塵技術(shù)的優(yōu)、缺點進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析，并提出了現(xiàn)階段干旱地區(qū)大型光伏電站中光伏組件除塵技術(shù)研發(fā)的基本原則為：初始成本和后期維護(hù)成本低、除塵效率高、安全性高、用水量少但除塵效率高、干濕兩用。未來，能夠自動感知光伏組件表面積塵的累積程度和未來一段時間氣候條件變化情況，能據(jù)此提供最優(yōu)清潔方案，且可以全天候獨立完成除塵工作、無需人員干預(yù)的智能化除塵設(shè)備將會是大型光伏電站除塵設(shè)備的主要研發(fā)方向之一。