張元海 袁小燕 楊吉洲 任斌

摘 要：分別以中國西北地區(qū)的甘肅省金塔縣某集中式光伏電站、華中地區(qū)的湖南省平江縣某集中式光伏電站、華南地區(qū)的廣東省廣州市某工業(yè)園屋頂分布式光伏電站作為研究對象，對中國西北、華中、華南3個地區(qū)（下文簡稱為“中國北中南三地”）光伏電站的清洗方式和清洗頻率進行了研究，對清洗工具的適用情況及使用情況進行了總結(jié)，并對清洗效益進行了經(jīng)濟性分析。研究結(jié)果表明：中國北中南三地中，清洗成本呈現(xiàn)由北向南依次遞增的趨勢；集中式光伏電站的單位清洗成本小于屋頂分布式光伏電站的；華南地區(qū)屋頂光伏電站的清洗盈虧平衡點最高，清洗效益最優(yōu)。研究結(jié)果對中國乃至全球光伏電站發(fā)電效率提升具有重大意義。

關(guān)鍵詞：集中式光伏電站；分布式光伏電站；光伏組件；清洗方式；清洗效益；西北地區(qū)；華中地區(qū)；華南地區(qū)；經(jīng)濟性分析

中圖分類號：TK514 文獻標志碼：A

0? 引言

近10年來，隨著中國清潔能源的發(fā)展，光伏發(fā)電累計裝機容量逐年增加，光伏發(fā)電企業(yè)之間的競爭日益加劇。運營成本決定企業(yè)競爭力，而光伏組件清洗方式及其經(jīng)濟性研究逐步成為廣大光伏發(fā)電企業(yè)提高競爭力的核心抓手，部分企業(yè)聯(lián)合高校展開了光伏組件清洗頻次經(jīng)濟性研究，并取得了一定成果。

文獻[1]～文獻[3]的研究結(jié)果表明：采取有效清洗措施可使光伏電站發(fā)電量提高5%～12%。以水洗為例，不同時期、不同區(qū)域條件下光伏電站的清洗成本差異性較大：2014年中國西北地區(qū)某荒漠集中式光伏電站的單次清洗成本為1000元/MW[1]；2013年之前青海省錫鐵山集中式光伏電站的單次清洗成本為4400元/MW[4]；山東省某屋頂分布式光伏電站的單次清洗成本為1344.5元/MW[5]；遼寧省沈陽市某頂棚分布式光伏電站的單次清洗成本為2164.5元/MW[2]；浙江省嘉興市某分布式光伏電站的單次清洗成本為3500元/MW[6]；安徽省合肥市高新區(qū)晶澳公司場區(qū)光伏電站的單次清洗成本為2296.9元/MW[7]。

但以上研究結(jié)果均建立在1個光伏電站或局部地域的基礎(chǔ)上，未對中國環(huán)境差異性極大的不同地區(qū)光伏電站、集中式和分布式光伏電站的清洗效益進行研究。針對不同地區(qū)、不同類型光伏電站由不同污染源導致的發(fā)電效率降低的問題，分析污染物的來源及不同污染物附著對光伏電站發(fā)電效率的影響很有必要?；诖耍疚囊灾袊鞅钡貐^(qū)的甘肅省金塔縣某集中式光伏電站（下文簡稱為“甘肅金塔集中式光伏電站”）、華中地區(qū)的湖南省平江縣某集中式光伏電站（下文簡稱為“湖南平江集中式光伏電站”）、華南地區(qū)的廣東省廣州市某工業(yè)園屋頂分布式光伏電站（下文簡稱為“廣東廣州屋頂光伏電站”）為樣本，對目前中國西北、華中、華南3個地區(qū)（下文簡稱為“中國北中南三地”）光伏電站的清洗效益進行研究分析，并對清洗工具的適用情況及使用情況進行研究和總結(jié)。

1? 3個地區(qū)光伏電站的清洗概況

1.1? 3個地區(qū)的污染源

對中國北中南三地光伏電站類型分布特點進行分析。由于不同地域的地形地貌不同，導致建設(shè)的光伏電站類型不同：廣闊的西北地區(qū)以大型集中式光伏電站為主；華中地區(qū)多為高低不平的山丘地形，因此以小型集中式光伏電站為主；而在工業(yè)發(fā)達的華南地區(qū)，多為利用閑置屋頂?shù)奈蓓敺植际焦夥娬緸橹?，布置靈活，潛在裝機容量可觀。

中國北中南三地的地形條件、氣候條件、光照條件等都不同，造成各地光伏電站中光伏組件表面附著物的污染源也不同。本文選取的中國北中南三地光伏電站樣本中：甘肅金塔集中式光伏電站位于中國西北地區(qū)黃河上游，地理位置為39.58°N、99°E，該地區(qū)光伏組件面臨的污染源主要為沙塵積垢污染；湖南平江集中式光伏電站位于中國華中地區(qū)長江中下游，地理位置為28.25°N、113.10°E，該地區(qū)光伏組件面臨的主要污染源為最常見的自然塵埃積垢污染；廣東廣州屋頂光伏電站位于中國華南地區(qū)，地理位置為23.13°N、113.27°E，該地區(qū)光伏組件面臨的最大污染源為各種工業(yè)化學污染。

中國北中南三地光伏電站的光照條件、氣候條件調(diào)查統(tǒng)計表如表1所示。

1.2? 3個地區(qū)適用的光伏組件清洗方式

目前很多光伏電站及相關(guān)電力公司都在探索研究光伏組件在不同地區(qū)采用不同清洗方式時的經(jīng)濟性，有效的光伏組件清洗方案能夠大幅提升光伏電站的發(fā)電效益。

按狀態(tài)方式不同，光伏組件清洗可以分為自然清洗和人工清洗；按清洗方式是否用水，光伏組件清洗可以分為有水清洗和無水清洗；按清洗自動化程度不同，光伏組件清洗可分為人工清洗、半自動清洗、全自動清洗[7]。無水清洗對光伏組件的損傷較大，所以業(yè)界常采用的是有水清洗方式。下文針對有水清洗的幾種清洗方式和清洗工具進行研究和應(yīng)用分析。

1.2.1? 適合西北地區(qū)集中式光伏電站的清洗方式

中國西北地區(qū)的水資源匱乏，戈壁較多，常發(fā)生沙塵暴，自然環(huán)境惡劣，但光照資源卻很豐富。中國大型集中式光伏電站主要建設(shè)在這個區(qū)域，此類光伏電站通常以固定光伏組件安裝傾角為主，光伏場區(qū)面積大，前后排光伏組串之間的間距（下文簡稱為“光伏組串間距”）設(shè)置較寬，工程車輛可以在前后兩排光伏組串中間行走，因此西北地區(qū)集中式光伏電站普遍采用車載移動式清洗方式[10]。

按照操作方式的不同，車載移動式清洗方式可分為高壓槍沖洗法、灑水車沖洗法、車載多噴頭沖洗法3種，其作業(yè)圖分別如圖1～圖3所示。車載移動式清洗方式使用具有蓄水功能的交通工具，比如裝有水箱的拖拉機或城市灑水車作為移

動前進的動力，用接在水車上（或水管上）的噴頭向光伏組件表面噴水沖洗，從而達到清洗光伏組件的目的；一般采用壓力不超過0.4 MPa的壓力噴頭來清洗光伏組件，需要多人配合同時操作，比如1人開車移動，1人噴水清洗光伏組件。

這3種清洗方法的清洗工具各有優(yōu)、缺點，其中車載多噴頭沖洗法優(yōu)于另外兩種方法。車載多噴頭沖洗法的優(yōu)點在于：1）該方法是以改裝工程車輛作為載體的清潔設(shè)備進行清洗工作，清洗時對光伏組件造成的壓力一致性好，水壓均衡，不會造成光伏組件隱裂；2）該方法用水少，其用水量只占高壓槍沖洗法用水量的1/3左右；3）該方法在清洗時還能夠進行噴水角度和高度的調(diào)節(jié)，不必耗費大量的人力，可以對沙塵和鳥糞進行及時有效地清洗；4）清洗效率較高，2 h可清洗1 MW及以上裝機容量的光伏組件，1周可清洗50 MW裝機容量的光伏組件。車載多噴頭沖洗法比較適用于中國西北地區(qū)大型集中式光伏電站的光伏組件清洗。

1.2.2? 適合華中地區(qū)集中式光伏電站的清洗方式

中國華中地區(qū)常年雨水較多，光照資源屬于Ⅲ類太陽能資源區(qū)，地形為高低不平的山丘地形，光伏電站類型以山地小型集中式光伏電站居多。因地形起伏，光伏組件離地高度參差不齊；光伏組件排布規(guī)律，但安裝相對集中，光伏組串間距較??；光伏組件下部植被茂盛，不利于采用大型機械設(shè)備進行光伏組件清洗，但該地區(qū)大多數(shù)光伏電站的位置臨近河湖，取水方便。因此，華中地區(qū)集中式光伏電站適合采用半自動化清洗機器人的光伏組件清洗方式。

半自動化清洗機器人就是人工搭配清洗機器人工具，根據(jù)操作方式不同，可分為人工拖拉式清洗機器人和人工智能遙控式清洗機器人兩種，作業(yè)圖分別如圖4、圖5所示。

人工拖拉式清洗機器人需要多人同時配合操作，清洗速度緩慢；另外，由于清洗機器人自身重量在30 kg以上，容易使光伏組件因受外界機

械力不均衡的影響而損壞。針對此，將人工拖拉式清洗機器人改造為人工智能遙控式清洗機器人。首先將左右平衡走向滾輪改成遙控式左右自動行走滾輪，以減少人工操作，提高清洗速度及清洗效率；再將清洗機器人由鋼材質(zhì)改為鋁材質(zhì)，大幅減輕了清洗機器人的重量；最后增加了1根電動滾刷，如此中間共有2根電動滾刷同向勻速轉(zhuǎn)動，滾刷兩邊分別配置1根塑料水管，共2根水管，既加快了清洗速度，又增強了清洗效果。顯然，人工智能遙控式清洗機器人的清洗效率和清洗效果優(yōu)于人工拖拉式清洗機器人。

1.2.3? 適合華南地區(qū)屋頂光伏電站的清洗方式

廣東廣州屋頂光伏電站地處經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，該地區(qū)光伏組件面臨的污染源是典型的工業(yè)化學污染[11]。屋頂光伏組件表面污染物如圖6所示。

針對此類光伏電站，嘗試過多種光伏組件清洗方式，清洗方式包括純手工化學劑清洗法、干磨清洗法、電動刷沖洗法（見圖7）和電動滾筒滾抹法（見圖8）[12]。

因受光伏場區(qū)空間狹小限制，供水又不方便，再加上化工污染源影響，清洗光伏組件非常困難。經(jīng)過多次試驗，屋頂光伏電站除了需要根據(jù)污染源來選擇不同的清洗方式外，清洗工具也應(yīng)選擇既小巧靈活又易于拆裝，且能節(jié)水的工具。

電動滾筒滾抹法是一種單人背負式半機械清洗方式，是華南地區(qū)屋頂光伏電站普遍使用的一種光伏組件清洗方式，可使光伏組件清洗效率和清洗效果得到很大提升。電動滾筒滾抹法采用90型外置傳動式電機，人工手持高密度百潔布一體滾筒，重量約為5 kg，背負磷酸鐵鋰電池供電，作業(yè)模式是帶水作業(yè)；利用百潔布容易清洗頑固污垢的特性，由電機驅(qū)動滾輪，滾輪上的帶水百潔布與光伏組件表面玻璃面板接觸，以清除玻璃面板上的粉塵、污垢等，部分污垢順水流出光伏組件邊框，部分雜質(zhì)隱藏在百潔布里，需根據(jù)光伏組件清洗情況對百潔布進行不定期拆解清洗。電動滾筒滾抹法具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、噪音低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作可靠、密封性能好、占據(jù)空間小、安裝方便等優(yōu)點，適用于各種環(huán)境惡劣、空間小、移動方便的工作環(huán)境。

1.2.4 小結(jié)

根據(jù)上文分析進行總結(jié)，中國北中南三地光伏電站的最優(yōu)光伏組件清洗方式對比如表2所示。

從表2可以看出：中國北中南三地光伏電站的最優(yōu)光伏組件清洗方式中，西北地區(qū)采用的車載多噴頭沖洗法每平方米清洗成本最低，清洗1 MW裝機容量光伏組件的耗水量最低且耗時最低（清洗速度最快）；華中地區(qū)采用的人工智能遙控式清洗機器人每平方米清洗成本及清洗速度次之；華南地區(qū)采用的電動滾筒滾抹法每平方米清洗成本最高，清洗速度最慢。

1.3? 發(fā)電數(shù)據(jù)對照采集

有研究數(shù)據(jù)顯示[13]，在相同條件下，清潔的光伏組件輸出功率比積灰光伏組件輸出功率至少高15%，且積灰量越高，光伏組件輸出性能下降越大。試驗數(shù)據(jù)表明，制定合理的光伏組件清洗方案，研制特殊環(huán)境下的清洗設(shè)備，合理選擇清洗工具，合理安排清洗作業(yè)時間及進度，可以使光伏電站經(jīng)濟效益提高10%以上。對于不同區(qū)域的光伏電站而言，不同的污染源對光伏組件造成的遮擋影響不同，而光伏組件清洗后光伏電站的發(fā)電量提升率也會不同?？茖W高效地清洗光伏組件，對于提高光伏電站輸出功率、確保投資回報率、減少設(shè)備運行安全隱患具有非常重要的意義。

對甘肅金塔集中式光伏電站清洗前、后的最大瞬時功率進行對比分析。選擇其中兩臺逆變器（編號分別為A1#、A2#），分別對光伏組件清洗前、后這兩臺逆變器的數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ?，具體如表3所示。

從表3可以看出：在光伏組件未清洗前的同一天內(nèi)，A1#和A2#逆變器的最大瞬時功率僅相差17.42 kW；A1#逆變器對應(yīng)的光伏組件清洗后，A2#逆變器對應(yīng)的光伏組件未清洗，此情況下兩臺逆變器的最大瞬時功率相差76.02 kW；同一臺A1#逆變器，對應(yīng)的光伏組件清洗前、后其最大瞬時功率提高了54.66 kW；而A2#逆變器對應(yīng)的光伏組件一直未清洗，后一次測試得到的最大瞬時功率比前一次減少了3.94 kW，但變化不大。綜上，光伏組件清洗后單臺逆變器的最大瞬時功率可提升54.66 kW，換算為全電站的100臺逆變器，最大瞬時功率可提升5466 kW，則有功功率提升了12%。

對湖南平江集中式光伏電站清洗前、后的有功功率進行對比分析，選擇其中3臺逆變器（編號分別為B1#、B2#、B3#）的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出：對應(yīng)光伏組件未清洗的B1#、B3#逆變器的有功功率曲線幾乎重疊，均低于對應(yīng)光伏組件已清洗的B2#逆變器的有功功率曲線；對B3#逆變器對應(yīng)的光伏組件進行清洗后，其有功功率曲線與B2#逆變器的有功功率曲線基本重疊，均大于對應(yīng)光伏組件未清洗的B1#逆變器的有功功率曲線。不同時間段的逆變器有功功率差值不同，最大的為31.5 kW，最小的為0.3 kW。不同時間段的有功功率提升率也不同，瞬時功率越大，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為9.33%。

對不同污染程度下，廣東廣州屋頂光伏電站清洗前、后的有功功率進行對比分析，結(jié)果如表4所示。

從表4可知：不同污染源對光伏組件造成的遮擋影響率不同，且工業(yè)化工污染對光伏組件清洗后的平均有功功率提升量也不一樣。所有區(qū)域中，油漆遮擋最嚴重的區(qū)域為晉豐C2區(qū)域，該區(qū)域油漆遮擋對光伏組件有功功率的影響達到33.33%，鐵粉最嚴重的區(qū)域?qū)夥M件有功功率的影響達到24.50%，白色小顆粒及水垢最嚴重的區(qū)域?qū)夥M件有功功率的影響達到11.71%。

2? 清洗盈虧平衡點分析

清洗盈虧平衡點又稱零利潤點或保本點。清洗后光伏組件的發(fā)電量減去未清洗時光伏組件應(yīng)發(fā)電量等于清洗后光伏組件的增發(fā)電量，增發(fā)電量所產(chǎn)生的利潤值等于清洗成本時的點稱為清洗盈虧平衡點。由清洗盈虧平衡點來確定光伏組件每年的清洗頻次及清洗效益。光伏電站清洗效益由光伏組件表面污染造成的損失額及全年清洗成本兩部分組成。

對中國北中南三地不同類型光伏電站每一次清洗后需要增發(fā)多少電量可以與清洗成本相抵，即達到清洗盈虧平衡點進行分析，結(jié)果如表5所示。

從表5可知：中國3個地區(qū)中，華南地區(qū)的廣東廣州屋頂光伏電站的清洗盈虧平衡點最高，華中地區(qū)湖南平江集中式光伏電站的清洗盈虧平衡點次之，西北地區(qū)甘肅金塔集中式光伏電站的清洗盈虧平衡點最低。綜上，清洗盈虧平衡點由南向北依次遞減。

3? 清洗頻次分析

光伏電站需要合理安排光伏組件清洗時間和清洗頻次。光伏組件表面污染遮擋的程度不是隨時間勻速增加的，地域差別、季節(jié)特征或局部環(huán)境因素都會使光伏組件表面污染遮擋程度存在不同的變化。北中南三地不管采取哪種光伏組件清洗方式，都要適應(yīng)這種變化，因此，應(yīng)建立有效的光伏組件表面污染量與發(fā)電量、清洗成本等的多邊量化關(guān)系，使清洗效果最佳，達到最大經(jīng)濟化、效益化。

結(jié)合北中南三地不同類型光伏電站數(shù)據(jù)，對不同類型光伏電站一年內(nèi)第1次清洗后的第1、2、3個月的月發(fā)電量提升率，以及第2次、第3次清洗后的月發(fā)電量提升率進行分析，結(jié)果如表6所示。

結(jié)合光伏電站當?shù)貧夂蛱攸c及實際情況進行分析：

1）針對西北地區(qū)的光伏電站而言，由于當?shù)?～4月的沙塵暴天氣較頻繁，建議進行動態(tài)清洗；5～10月為光伏發(fā)電的黃金期，可以結(jié)合當?shù)亟涤昵闆r進行清洗，最好是每月清洗一次；11月氣溫下降，容易結(jié)冰，應(yīng)在11月初進行一次全面清洗；12月、1月的溫度多在零下，不建議進行清洗；2月時可等天氣變暖再進行一次清洗。清洗時一般用清水即可。

2）針對華中地區(qū)的光伏電站而言，在春季3月、4月，陰雨連綿，可利用4月雨季對光伏組件進行一次全面徹底的清洗；5～10月為光伏發(fā)電高峰期，在高峰期到來前進行一次清洗，光伏組件清洗一次可維持3～6個月；而11月、12月、1月受季風影響，天氣寒冷，為光伏發(fā)電低谷期，不建議進行清洗，因為對發(fā)電量的提升意義不大。建議華中地區(qū)集中式光伏電站一年進行一次徹底的清洗，既可以使清洗效益最大化，又可以減少光伏組件受清洗工具自重的外界機械力的影響。

3）針對華南地區(qū)的屋頂光伏電站而言，雖然此類光伏電站的清洗價格昂貴，但為了維持光伏組件完好率，并提升光伏電站發(fā)電效率，建議光伏組件一年清洗3～4次。

另外需要說明的是，清洗光伏組件時都要根據(jù)光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)，選取太陽輻照度較小的早、晚時間，或陰、雨天對光伏組件進行清洗，以減少清洗液的溫差對光伏組件造成的傷害。

4? 3個地區(qū)光伏電站的清洗效益比較

對中國北中南三地不同類型光伏電站的清洗效益進行分析，如圖10所示。

從圖10可以看出：不同地區(qū)、不同類型的光伏電站清洗后，屋頂光伏電站的清洗耗時大于集中式光伏電站的清洗耗時；清洗成本呈現(xiàn)由北向南遞增的趨勢；西北地區(qū)甘肅金塔集中式光伏電站的每平方米清洗成本約為0.15元/m2、單位清洗效益約為1.16 m2/元，華中地區(qū)湖南平江集中式光伏電站的每平方米清洗成本約為0.67元/m2、單位清洗效益約為0.90 m2/元，華南地區(qū)廣東廣州屋頂光伏電站的每平方米清洗成本約為4.00元/m2、單位清洗效益約為10.16 m2/元；年清洗總效益為華南地區(qū)廣東廣州屋頂光伏電站﹥西北地區(qū)甘肅金塔集中式光伏電站﹥?nèi)A中地區(qū)湖南平江集中式光伏電站。

5? 結(jié)論

本文對中國西北、華中、華南3個地區(qū)不同類型光伏電站的清洗效益進行了考察研究，并對清潔工具的適用情況及使用情況進行了總結(jié)。因造成光伏組件表面污染的污染源不同，光伏電站采取的清洗方式及清洗工具都不同。研究結(jié)果表明：

1）對于光伏組件清洗方式，西北地區(qū)光伏電站適合采用清洗效率較高的車載多噴頭沖洗法；華中地區(qū)光伏電站適合采用人工智能遙控式清洗機器人；華南地區(qū)光伏電站適合采用電動滾筒滾抹法清洗方式。

2）華南地區(qū)屋頂光伏電站的清洗盈虧平衡點最高，華中地區(qū)集中式光伏電站的清洗盈虧平衡點次之，西北地區(qū)集中式光伏電站的清洗盈虧平衡點最低，清洗盈虧平衡點由南向北依次遞減；屋頂光伏電站的清洗耗時最高；清洗成本呈現(xiàn)由北向南遞增的趨勢；西北地區(qū)甘肅金塔集中式光伏電站的每平方米清洗成本約為0.15元/m2、單位清洗效益約為1.16 m2/元，華中地區(qū)湖南平江集中式光伏電站的每平方米清洗成本約為0.67元/m2、單位清洗效益約為0.90 m2/元，華南地區(qū)廣東廣州屋頂光伏電站的每平方米清洗成本約為4.00元/m2、單位清洗效益約為10.16 m2/元；年清洗總效益為華南地區(qū)廣東廣州屋頂光伏電站﹥西北地區(qū)甘肅金塔集中式光伏電站﹥?nèi)A中地區(qū)湖南平江集中式光伏電站。

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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