张元海，杨吉洲，魏启强

(1. 广东水电二局股份有限公司，广州 511340；2. 徐闻粤水电能源投资有限公司，湛江 524100)

0 引言

我国整体的太阳能资源丰富，但存在分布不均的情况，总体呈现出西北地区的太阳能资源最丰富，东南、东北地区的太阳能资源较丰富，四川盆地的太阳能资源较一般的特征。从全国清洁能源电力的消纳情况来看，其消纳程度的分布基本与太阳能资源丰富程度的分布呈相反的情况，广东省等沿海地区因经济工业发达，清洁能源电力的消纳情况最好。随着清洁能源补贴政策的退坡及光伏发电平价上网的来临，原有的有补贴的光伏电站相较于平价上网的光伏电站，现金流优势凸显。以属于太阳能资源Ⅲ类地区的广东省为例，该地区中于2016年“630”前发电的光伏电站享受补贴后的上网电价为1元/kWh[1]，而广东省当前光伏发电平价上网的电价为0.453元/kWh[2]，因此在同样装机容量的情况下，于2016年“630”前发电的有补贴的光伏电站的现金流是2020年后平价上网光伏电站的现金流的2.21倍。因此，在相同的装机容量下，原有的有补贴的光伏电站的运营效益提升空间较大。

在光伏电站的发电量消纳良好的前提下，处于运营期的光伏电站提质增效的手段主要有以下2种：一是提高设备的完好率，保证光伏电站能够持续发电；二是提高光伏组件表面玻璃面板的清洁度，以增加其接收的太阳辐射量。其中，提高光伏组件表面玻璃面板清洁度的关键在于光伏组件表面的清洗。

本文以广州博展园屋顶分布式光伏电站中的光伏组件为研究对象，分别对化学清洗方式、单人半机械清洗方式、顽固污垢条带纹清除方式等光伏组件表面清洗方式进行了研究分析。

1 项目概况

1.1 建设概况

广州博展园位于广东省广州市黄埔经济技术开发区，其屋顶分布式光伏电站分别由位于东区东乐路1号的博展物流园A区的建筑屋顶上的分布式光伏电站和位于笔岗新村大街22号的博展物流园B区的建筑屋顶上的分布式光伏电站组成。其中，博展物流园A区中有6栋钢结构彩钢瓦建筑，博展物流园B区中有7栋钢结构彩钢瓦建筑。

整个屋顶分布式光伏电站共安装有35094块多晶硅光伏组件，总装机容量为9425.11 kW。其中，位于博展物流园A区的屋顶分布式光伏电站(下文简称“光伏电站A区”)安装的是功率为270 W的多晶硅光伏组件，共计16192块，装机容量为4371.84 kW；位于博展物流园B区的屋顶分布式光伏电站(下文简称“光伏电站B区”)安装的分别是功率为265 W和270 W的多晶硅光伏组件，共计18902块，装机容量为5053.27 kW。由于所有光伏组件均竖向平铺于屋顶的彩钢瓦上，因此光伏组件的安装倾角与屋面的倾斜度保持一致，小于等于4°。

上述3种不同功率的多晶硅光伏组件的面积均相同，每块光伏组件的面积约为1.6 m2，因此整个屋顶分布式光伏电站中光伏组件表面的总清洗面积约为56150.4 m2。

在上述屋顶分布式光伏电站运行期间，广州博展园的屋顶与地面之间通过垂直爬梯进行连接，市政供水接驳至屋顶相应的用水点。

1.2 污染情况

1.2.1 污染源

广州市的大气污染主要由工业废气、二氧化硫、烟(粉)尘等组成[3]。自2013年全面实施GB 3095—2012《环境空气质量标准》中环境空气污染物二级浓度限值以来，广州市的环境空气质量得到持续改善。2019年广州市的环境空气质量6项指标中，二氧化硫、一氧化碳、PM10和PM2.5的浓度均达标，而二氧化氮的浓度超标0.12倍，臭氧的浓度超标0.11倍[4]。

广州博展园内的屋顶分布式光伏电站地处广州市城区，光伏电站A区的西南方向建有已投产运营的鞍钢联众(广州)不锈钢有限公司，如图1所示，因此，该区域的光伏电站除了会受到常规的城市污染外，还会受到较严重的来自工矿企业的重金属化学污染；光伏电站B区的周边环境主要为仓库区和建设用地，如图2所示。

图1 光伏电站A区与周边环境的相对位置图Fig. 1 Photo of relative location between A region of PV power station and surrounding environment

图2 光伏电站B区与周边环境的相对位置图Fig. 2 Photo of relative location between B region of PV power station and surrounding environment

另外，由于整个屋顶分布式光伏电站中的光伏组件安装倾角很小，因此自然降雨对光伏组件表面污染的清洗效果很小，且污染物极易在光伏组件表面积留。

1.2.2 污染在光伏组件表面的表现形式

光伏组件表面的污染形式主要为粉尘整体污染和顽固污垢条带纹污染。这2种污染形式均存在于该屋顶分布式光伏电站中，如图3、图4所示。

图3 被粉尘整体污染的光伏组件表面的实景图Fig. 3 Actual view on surface of PV modules polluted by dust as a whole

图4 光伏组件表面的顽固污垢条带纹污染Fig. 4 Stubborn dirt stripe contamination on surface of PV modules

粉尘整体污染主要包括城市大气中的汽车尾气污染、建筑运输扬尘污染、燃烧烟尘污染等，其表现形式是在光伏组件表面形成均匀分布的颗粒或片状的灰尘积垢污染物。顽固污垢条带纹污染会造成光伏组件表面玻璃面板的镀膜层被腐蚀破坏，其形成原因是降雨后汇集于光伏组件表面底部的污垢与雨水在高温、高湿条件下产生水解，水解生成的氢氧化钠会腐蚀污垢所在部位玻璃面板的镀膜层，同时水解生成的硅酸凝胶会附在玻璃表面；另外，太阳紫外线对镀膜中物质部分离子键有较大的破坏作用。上述因素在工矿企业污染排放的催化剂下同时作用，加剧了光伏组件表面积水积垢区镀膜层的损伤，反复多次后形成了顽固污垢条带纹污染。

1.2.3 清洗的制度性安排

光伏组件必须及时清洗，根据GB/T 38335—2019《光伏发电站运行规程》中第6.3.1部分b)条款的要求：光伏组件表面的清洗方式，不应采用腐蚀性溶剂冲洗或利用硬物擦拭，冬季等特殊环境下应采用节水方式清洗[5]。针对上述要求，采用何种光伏组件表面清洗方式是本文论述的重点。

因此，光伏电站的运营单位应制定光伏组件定期清洗制度，并开展清洗技术的研究，以保障在光伏电站的运营期内光伏组件的发电量可维持在较高水平。

2 清洗方式及方法步骤

本文以广州博展园屋顶分布式光伏电站中的光伏组件为例，研究了光伏组件表面的清洗方式。清洗方式主要包括化学清洗方式、单人半机械法清洗方式、顽固污垢条带纹清除方式3种，下文将对这3种清洗方式分别进行详细介绍。

2.1 化学清洗方式

化学清洗方式主要是采用市场上普遍在售的弱酸性溶剂对光伏组件进行抹擦清洗，无论是普通污垢还是顽固污渍及较长时间积淀的污垢，都需要通过人工抹擦清洗。该清洗方式的缺点是需要的人工量大、工作强度高[6]、安全防护要求高，且采用化学清洗方式产生的废水会对周围环境造成污染。

化学清洗方式的具体清洗方法为：首先按1:10的比例对弱酸性MJ-956光伏组件清洗剂加水进行稀释，然后将稀释后的溶液人工喷洒至光伏组件表面，待组件表面湿润后，用常规的棉布拖把进行组件表面的擦洗。在清洗剂的溶解下，光伏组件表面的普通污垢较容易清除，但顽固污垢条带纹上的灰白色顽固污垢无法清除；而且该清洗方式最为不利的一点是，由于无法解决清洗后的废水收集问题，部分清洗废水会流淌至屋顶的彩钢瓦上，而废水为弱酸性液体，会腐蚀铁质彩钢瓦的保护层，缩短屋顶彩钢瓦的寿命。被弱酸性废水腐蚀后的铁质彩钢瓦的保护层如图5所示。

图5 被弱酸性废水腐蚀后的铁质彩钢瓦的保护层实景图Fig. 5 Photo of protective layer of iron color steel tile corroded by weak acid wastewater

2.2 单人半机械清洗方式

单人半机械清洗方式主要包括电动刷洗法和电动滚抹法。

2.2.1 电动刷洗法

电动刷洗法是采用单人手持双头衡动力清洗机进行清洗作业，在分布于屋顶各点的市政水源点接驳供水。由于本屋顶分布式光伏电站采用的是生产生活混合性水源，水压及来水量受仓库区用水量的影响较大，所以采用该清洗方式时虽然前端采用了高压泵加压，但后端用水时的水压、水量依然差强人意。

单人手持双头衡动力清洗机的电源采用人工背负式1200 Ah锂电池供电，通常是利用非上班时间在地面的房间内对锂电池充电，然后将其背至屋顶作业地点供使用。该清洗机采用双轮电动滚刷，由2台24V/150W直流电机驱动，采用人工手持式作业方式，手持设备的最大重量为4 kg。清洗机的作业模式可选无水刷扫法或带水刷扫法。无水刷扫法适用于安装倾角较大的光伏组件表面的清洗，粉尘清扫后可脱离玻璃面板，在自重的作用下滑至光伏组件表面底部的铝合金边框处；带水刷扫法适用于类似水平安装等缓坡的光伏组件表面的清洗，粉尘可伴随水流流至低处并溢出光伏组件表面的铝合金边框，如图6所示。

图6 采用带水刷扫法时的现场作业图Fig. 6 On-site operation photo when using brush sweeping method with water

在实际清洗作业过程中，可以将上述2种作业模式相结合，一般先采用无水刷扫法，然后再采用带水刷扫法，这样可以在节约用水的同时达到较好的清洗效果。

2.2.2 电动滚抹法

电动滚抹法采用手持电动滚抹清洗设备进行清洗作业，其供水、供电方式与采用电动刷洗法时设备的供水、供电方式相同，滚动电机采用单机24V/250W直流电机，其作业范围的直径为2～8 m，当在8 m直径的条件下，手持设备的最大重量为5 kg。

电动滚抹法时滚动电机的作业模式是带水作业，利用百洁布容易清洗顽固污垢的特性，采用电动驱动清洗机的滚轮，滚轮上的带水百洁布与光伏组件表面的玻璃面板接触，从而清除玻璃面板上的粉尘、污垢等，部分污垢顺水流出光伏组件的边框，部分杂质进入百洁布里面。因此，采用该清洗方式时，百洁布体需根据清洗情况进行不定期地拆解清洗。采用电动滚抹法时的现场作业图如图7所示。

图7 采用电动滚抹法时的现场作业图Fig. 7 Oh-site operation photo when using electric rolling method

2.3 顽固污垢条带纹清除方式

光伏组件表面的底部由于污垢长期残留造成的顽固污垢条带纹无法采用电动刷洗法或电动滚抹法予以清除，因此，清洗现场需要采用顽固污垢条带纹清洗方式。

顽固污垢条带纹清除方式主要包括人工干式打磨法和长杆平面水磨法。

2.3.1 人工干式打磨法

人工干式打磨法采用角磨机搭配特种纤维打磨片进行光伏组件表面污垢的人工干式打磨清除。在清除作业过程中，清洗人员站在或蹲在可移动工作平台上，手持打磨机进行近距离作业。人工干式打磨法中的角磨机如图8所示。该方法打磨过程中会存在粉尘飞扬的情况，因此打磨完成后需要对光伏组件表面进行冲水清洗并进行检查。

图8 人工干式打磨法中的角磨机Fig. 8 Angle grinder in manual dry grinding method

2.3.2 长杆平面水磨法

长杆平面水磨法是采用加长杆设计的自吸式平面打磨机进行人工站立打磨。该方法包括2个操作步骤：第1步为干磨吸尘法，即先用P300砂纸把光伏组件表面粗糙的玻璃面板表面打磨平整，可同步清除顽积污垢(见图9)；第2步将打磨砂纸更换为P1200砂纸，进行精细化水磨，从而恢复光伏组件表面玻璃面板的光洁。

图9 采用长杆平面水磨法清除顽固污垢条带纹的现场图Fig. 9 On-site operation photo of removing stubborn dirt strips by long rod plane water mill method

3 不同清洗方式的评价

采用各种清洗方式对该屋顶分布式光伏电站中的光伏组件进行工艺性清洗试验后，发现各种清洗方式既有其独特性又有相似性。比如，电动刷洗法和电动滚抹法虽然可以采用2～8 m伸缩杆进行操作，但受限于长杆操作时机具工作部位的重量轻的客观情况，存在清扫时摩擦力较小且不能通过长杆实现加压的现象。因此，各种清洗方式单独采用时均不能完全解决光伏组件表面污染的清洗问题，需要组合使用。

3.1 化学清洗方式

采用化学清洗方式时，常规的弱酸性化学清洗剂仅能够清除普通污渍，且其废水具有腐蚀性，因此不适合用于钢结构屋面上的光伏组件清洗，但对混凝土结构屋面上的光伏组件清洗可以在做好保护工作的前提下适当应用。进行化学清洗作业前，应对清洗人员技术交底并强调个人防护和环保意识。

3.2 电动刷洗法

电动刷洗法能够清除一些非顽固性污渍，尤其适合清洗光伏组件表面玻璃面板上的粉尘类污染，在粉尘严重时可以先清扫再刷洗，耗水量指标可以控制在0.9 m3/MW；由于耗水量跟污染程度呈正相关，因此先清扫再刷洗不仅可以节约用水，还可以提高工作效率。另外，该清洗方式是单人单机在安全电压下独立作业，作业风险低。

3.3 电动滚抹法

电动滚抹法可以清除一些较顽固污渍，其可以作为辅助方法配合电动刷洗法使用，先清除易清除的大面积污垢后，再进行局部顽固污垢的清除。该清洗方式在保证安全作业的同时可节水、省力，能达到事半功倍的效果。

3.4 顽固污垢条带纹清除法

无论是采用人工干式打磨法，还是采用长杆平面水磨法进行顽固污垢条带纹的清除，都属于物理破坏性方法，虽然长杆平面水磨法采用高目砂纸与水配合精细打磨玻璃面板表面可以达到近似镜面的效果，但这2种方式都必然会对光伏组件的玻璃面板造成破坏，使其透光率下降。但该后果与由顽固污垢条带纹形成后产生的光斑所带来的组件安全隐患及寿命缩短风险相比，不如采用该清洗方式来对顽固污垢条带纹进行清除以提高光伏组件发电量。针对如何解决由于污水长期积聚造成的顽固污垢条带纹这一问题，可尝试在光伏组件表面最低处的铝合金边框上开小槽进行排水，或在项目的光伏组件招标阶段就提出在光伏组件出厂时需带排水孔的要求。

4 几种清洗技术的效益比较

研究人员于2019年11月13日-12月25日，采用上述几种清洗技术对广州博展园屋顶分布式光伏电站的光伏组件进行了全面清洗，总成本为22.5万元。清洗后，2020年1-5月，该屋顶分布式光伏电站的发电量为278.2万kWh，而2019年同期(未清洗时)的发电量为207.7万kWh。按含补贴的光伏电价为1.13元/kWh计算，清洗后该屋顶分布式光伏电站的收益增加了57.1万元。

5 结论

本文以广州博展园屋顶分布式光伏电站中的光伏组件为研究对象，对光伏组件表面的清洗方式进行了研究分析，并对比了化学清洗方式、单人半机械法清洗方式、顽固污垢条带纹清除方式3种清洗方式的清洗步骤及清洗效果。研究结果表明：

1)广州市属于较重污染地区，该地区的屋顶分布式光伏电站中光伏组件经清洗后发电量有显著提高，发电量维持较高水平可覆盖光伏组件的清洗成本。

2)单一的清洗工具和清洗方式不能满足城区范围内屋顶分布式光伏电站中的全部光伏组件表面清洗，要因地制宜地结合现场污染情况，选择合适的清洗方式，并需要通过工艺性试验来验证所选工具和清洗方式的适用性。

3)目前国内屋顶分布式光伏电站中光伏组件的清洗工具、设备和方法研究的较少，需要进一步根据现场试验情况，提高工具、设备的适用性和通用性，以达到合理选择、使用清洗工具的目的；针对顽固污垢条带纹的清除，目前尚无较好的方法，本文介绍的清洗方式只是过渡性替代方法。