光伏电池板清洁技术研究综述
刘 锋，孙 震，姚春利，马 岩，肇 群，李东旭
（沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110043）

摘 要：在光伏发电系统中，电池板表面沉积的灰尘严重影响了光伏发电效率和光伏组件的寿命。针对这一问题，综述分析了国内外相关研究成果，总结了电池板表面积灰机理，着重综述了目前常用的光伏电池板清洁技术：纳米自清洁薄膜、电除尘技术、机械除尘技术，分析出上述清洁技术所存在的不足，最后，提出了今后在光伏电池板清洁技术研究的主要方向。
关键词：光伏电池板；积灰机理；清洁技术；智能清洁
中图分类号：TK513.3；TM925.31    文献标识码：A
Review on clean technology research of photovoltaic panels
LIU Feng，SUN Zhen，YAO Chunli，MA Yan，ZHAO Qun，LI Dongxu
（Shenyang Academy of Instrumentation Science Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110043，China）
Abstract：In the photovoltaic power generation systems，dusts deposited on the surface of solar panels seriously impact on the power generation efficiency of photovoltaic and lifetime of photovoltaic modulesTo solve this problem，the article analyzes the research results at home and abroad，Summarizes the fouling mechanism of the panels surface，focusing on a review of the most commonly used photovoltaic panels clean technologies：Nano self-cleaning film，ESP technology，mechanical dust removal technology，analyzes the shortage of the cleaning techniques existFinally，it proposes the main direction of future research in clean technology photovoltaic panels
Key words：photovoltaic panels；fouling mechanism；clean technologies；intelligent cleaning

  在生态环境日趋恶化、化石燃料日趋紧张的今天，太阳能作为清洁、安全的可再生资源，将成为21世纪化石能源的最佳替代者之一。通过对太阳能多年的开发，太阳能发电得到了长足的发展，根据所利用资源的不同，分为太阳能热发电和太阳能光发电，后者就是人们常说的太阳能光伏发电[1］。
在光伏发电系统研究中，提高发电效率以及使用寿命是人们追求的重要目标之一。而目前光伏电池板对太阳能的转换利用效率已几乎接近理论极限。在此基础上，单纯从转换技术自身考虑，每提高一个百分点的能量转换利用率都要付出昂贵成本，且十分困难［2］。
影响光伏电池板光-电转化率的因素除了电池板的材料、布置朝向、倾角以外，还有一个重要因素就是自然环境的影响。尤其是环境中广泛存在的灰尘、粉尘等微颗粒的沉积。对于长期运行的光伏发电系统而言，其影响是一个不容忽视的问题。
1 积灰对光伏发电系统的影响
电池板表面的灰尘具有反射、散射和吸收太阳辐射的作用，导致电池前盖玻璃的透光率降低，从而导致光-电转换效率降低，输出功率随之减小。图1为被灰尘覆盖的光伏电池板。
    此外，灰尘吸收太阳辐射可使电池板升温，并且灰尘中含有一些腐蚀性的化学成分，若聚集到一起可形成“黑斑”，降低电池板的使用寿命。电池板表面的灰尘在不同的太阳辐射、环境温度、遮挡和腐蚀等作用下，对光伏发电系统的发电性能和使用情况等有不同程度的影响［3］。
11 积灰对发电效率的影响
近年来，国内外一些研究学者对灰尘沉积对透光率的影响进行了相关研究。文献［4-5］研究表明，积灰影响电池板对光的吸收，如长期未进行清洁，电池板发电效率会降低6％～12％，并且还会引起温度效应，损坏光伏组件。在风沙大、降水少等特殊环境下，电池板上积灰较多，发电效率甚至下降20％～25％。灰尘长期附着不但清洁困难，还会影响光伏组件寿命。文献［6］研究表明，仅4 g/m2的灰尘沉积（颗粒物直径在05 μm到10 μm）可以减少40%的功率输出。日本一家研究机构的数据显示：德国、日本环境较好地区，灰尘影响5%以下，而中、美、印三国，尤其是中国，大规模安装光伏电站地区灰尘对电池板的影响会超过25%。在实际测量中，个别缺乏维护手段的电站，电站发电量损失竟然超过40%［7］。陈东兵等人通过对蚌埠2 MW非晶硅光伏电站进行测试，发现20天的表面积尘使光伏组件串的发电功率减少24％，平均每天降低1.2％［8］。
1.2 积灰对电池板的影响
灰尘附着在电池板表面，阻挡热量向外传递，可能使电池板自身热量得不到释放，令温度越来越高。有研究表明，每当电池温度上升1℃，其输出功率约下降05％［9］。
灰尘的成分比较复杂，有的是酸性物质，有的是碱性物质，而晶硅光伏电池板的主要成分为二氧化硅和石灰石等，如果灰尘碰到空气中的水汽变湿润，就可与面板的组成物质产生酸性或碱性反应。一段时间后，光伏面板表面在酸性或碱性环境的侵蚀下逐渐发生腐蚀、损伤，使表面变得坑坑洼洼，导致光伏面板的光学性能衰减，太阳辐射在面板表面发生漫反射，破坏太阳辐射在光伏面板中传播的均匀性［10］。
2 电池板灰尘颗粒粘附机理
为清除电池板表面的灰尘提供理论依据，国内外很多学者对灰尘颗粒粘附机理进行了深入研究。Rimai等［11］对灰尘粘附模型进行了总结，给出了不同模型的分子间作用力的表达式。李明［12］系统研究了微颗粒粘附固体表面的各种作用力，讨论了范德华力、表面张力、静电力和Casimi力物理粘附机理。建立了四种不同状况下微颗粒粘附表面的粘附力学复合模型。考虑的主要影响因素包括：表面吸附层、接触变形、吸附水、粗糙接触面以及表面活性剂，并给出了具体的数学计算表达式。居发礼［13］通过对现有光伏理论的分析，结合现有工程出现的问题，建立了光伏积灰理论。孟广双等［14］建立了灰尘粘附模型，并对灰尘粘附进行受力分析；通过参数的确定，得出灰尘颗粒受力大小与相关参数之间的关系。
3 光伏电池板清洁技术
近年来太阳能电池板表面清洁问题得到了各国研究学者的高度重视。主要从以下几个方向进行研究。
3.1 纳米自清洁薄膜
自清洁薄膜分两类［15］：一类是超疏水（水接触角>150°）自清洁涂层，它通过水滴滚动带走灰尘，实现类似于荷叶的自清洁功能；另一类是基于无机光催化半导体材料的自清洁涂层。在这一类自清洁涂层中，最为典型的是二氧化钛（TiO2）涂层材料。该技术已有报道应用于太阳能电池玻璃镀膜上，有利于太阳能电池板的保洁［16］。而自清洁涂层较大的问题集中在光催化活性、透明性、附着力等性能指标间存在一定的矛盾，且成本较高。该技术目前并未能在太阳能发电领域获得广泛应用。
3.2 电除尘技术的研究
电除尘技术源于1967年美国国家航空和宇宙航行局FBTatom等人提出的电帘除尘概念［17］，20世纪70年代，日本东京大学研究学者Masuda等人，证明了利用电磁行波能够在大气环境中搬运宏观带电微尘，利用连接交流电源的平行电极产生行波的方法成功地进行非接触式的微尘搬运。微尘按照所带电荷的极性顺着或逆着电场的方向移动，最终被移除［18］。近些年，一些学者已经将该技术成功应用于月球和火星探测上太阳能板的清灰与保洁上，而该技术在国内研究得较少［19-21］。虽然电除尘技术较为成熟并已应用于航空航天等小面积光伏面板的除尘，但是若应用于地面光伏发电系统将会遇到诸如增加面板成本、提高光伏面板温度而降低转换效率、灰尘搬移造成的二次扬尘和积灰等问题，目前尚无电帘除尘在地面大面积光伏发电系统中应用的研究文献资料。而且，当有雨水降在基体表面时，静电力将会失效，除尘作用将会消失。
3.3 机械除尘技术的研究
机械除尘技术是目前应用最为广泛的除尘方式。以水为清洗介质，或提升清洗水压力或配有滚刷机械清洗。此类清洁方式成为多数学者所认可的简单可行的方式。Moharram设计了一套清洗系统，用于清洗太阳能电池板［6］。Kandil等人设计了一套太阳能电池板专用自动清洗系统［22］。日本Sinfonia公司开发出可自动在太阳能电池板上移动清扫的机器人。该清扫机器人配备蓄电池，可自动在太阳能电池板上移动，同时从清洗液罐中汲取液体洒水并使用旋转刷和刮板进行清扫［23］。图2为日本公司一种移动清扫机器人。
西班牙ER-Solar公司开发出适用于地面和屋顶的不同布置方式的太阳能电池板清洗装置［24］。还有一些文献［25-26］报道过相关自动清洗装置。图3为西班牙公司车载清洗设备。
4 电池板清洁技术研究展望
全球的光伏发电系统在大规模推广应用，光伏电池板“蒙灰”问题若不解决，将严重影响光伏发电系统的工作效率，发电量降低，造成巨大经济损失。而现有的清洁技术未能形成规模化应用，尤其在我国，基本上还是采用人工定期清扫的局面，工作效率低，水资源浪费严重［27］。
通过对当前研究现状的分析以及为满足光伏发电系统运行维护的需求，电池板清洁技术未来发展应具备以下几个特点。
（1）清洁响应及时。清洁设备应具有感知灰尘积累程度的能力，并结合气候条件，如风、雨等信息，对清洁作业做出最为及时的判断。
（2）智能化清洁。清洁设备具有智能化清洁能力，能够独立完成清洁动作，且可以全天候工作，无需人员干预。
（3）安全性高。清洁作业时，运行安全可靠，不会对光伏组件造成损坏。
（4）微水或无水清洁技术。水除尘效果好，但对于大规模的光伏系统或者离散布局的光伏系统而言，清洁用水并不是总可以方便地提供。
5 总结
本文总结了灰尘对光伏发电系统的影响及电池板表面积灰机理，分析了目前国内外常用的光伏电池板清洁技术：纳米自清洁薄膜、电除尘技术、机械除尘技术，并进一步分析出上述研究中所存在的不足。最后，提出未来的光伏电池板清洁技术的主要研究方向以及清洁设备应具备哪些特点。
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收稿日期：2015-11-22
作者简介：刘 锋（1980-），男，辽宁沈阳人，硕士，高级工程师，主要从事高压水射流设备及系统研究。