浅述光伏清扫机器人应用及其效果

郎志刚

摘要：光伏发电过程中由于光伏组件表面积灰的存在,光伏组件的发电性能会受到较大影响，常规的人工清洗方式效率低、成本高，为了提高光伏电站的发电效率，智能化、自动化的清扫设备-光伏清扫机器人应用的越来越广泛。本文重点分析了光伏清扫机器人的原理、特点及应用场景，并对三个电站的实际运行数据进行分析，对比不同的应用场景下光伏清扫机器人的应用效果。

关键词：光伏清扫机器人；光伏组件；积灰；发电效率

一、背景

随着越来越多的国家做出了“碳中和”的目标承诺，全球对可再生能源越来越重视，各国都在布局绿色产业，构建全球低碳经济新格局。近几年，光伏装机增长迅速，光伏发电已成为全球重要的可再生能源利用形式。光伏组件表面的积灰情况严重影响光伏组件的输出功率、使用寿命，导致光伏电站的发电效率、运营收益也因积灰大大降低[1]。张风等[2]的研究结果表明：光伏组件积灰越多，其输出功率越低；当光伏组件单位面积的灰尘沉积量从0g/m2增加到5g/m2 时，光伏组件的输出功率从192.3 W下降到147.6 W，下降幅度最大可达到23.24%。该结果表明，光伏组件积灰程度极大影响组件的输出功率，要保证光伏组件的发电性能，光伏组件的清洁度至关重要。在实际工程经验中，光伏电池板表面堆积有灰尘，对光伏电站的发电效率、电站的安全运行都存在着影响。

国内外多个调查机构研究表明,科技工作者投入大量资金花费几年的时间才能使光伏组件技术提升1～2个百分点的发电效率,但如果能有效解决光伏组件表面灰尘等污染物的清扫问题就能提高发电量将达到15％以上,因此保持光伏电站光伏电池板的清洁将能大大提高光伏电站的发电能力[3]。

清洁作为最直接有效的运维方式已受到业界的一致认可，目前行业内常规的清洗方式是采用定期人工清洗，该方法费时费力，清洗效率低且成本较高,同时需要消耗大量水资源[4]。为了解决人工清洗费用高昂、以及大部分电站地区取水不方便、人工登高作业具有安全风险等情况，市面上相继推出了光伏清洗机器人进行自动清洁，并已在电站得到了应用。

二、原理及特点

光伏清扫机器人是用于自动清扫光伏板表面脏污的智能机器人，其能够实现光伏电站的高效、智能、自动化运维，帮助广大业主和客户降本增效，保障光伏电站的安全、稳定、高效运行。

光伏清扫机器人主要分为两种类型，分别是干挂式光伏清扫机器人及履带式光伏清扫机器人。本文论述的是干挂式清扫机器人的应用及效果。干挂式光伏清扫机器人主要由自供电系统、动力部件、行走部件、清扫部件、防风部件、控制系统组成。机器人的工作原理是驱动电机带动智能清扫机行走的同时，滚刷螺旋式清扫光伏表面污染物，提高光伏组件发电效率。光伏清扫机器人具有自供电、自储能、无需外部电源、无水清洁等特点。

光伏清扫机器人具有以下优势：

1、轻量化设计。整机轻巧，结构独特化，机器运行平稳，对组件无冲击。

2、越障能力强。适应各类“路况”，真正实现“越野车”般通行能力。

3、安全系数高。具有姿态感知及自纠正、防碰撞预警等功能。

4、通讯模式广。多种通信方式（4G、Wi-Fi、LoRa）无缝衔接。

5、远程控制易。启停、运行时间及频次可自由设定。

6、扩展功能多。具有气象联动、组件热斑红外检测等功能，辅助电站高效运行。

7、组件“零损伤”。针对不同的工况釆用特制柔性毛刷，不伤害光伏组件表面，保证电站组件的安全。

8、模块化设计。产品配件更换方便，无需专业人员操作。

三、应用场景分析

根据光伏电站建设类型的不同，分为集中式电站和分布式电站。

针对高风沙、高辐照地区集中式光伏电站灰损率巨大；某些光伏电站位置偏僻、人工高频水清洗成本高，光伏电站清洁度难保障；渔光互补电站光伏组件鸟类排泄物积累严重，易产生热斑效应，影响组件寿命，水域环境复杂，人工清扫困难，危险系数高；以及农光互补光伏电站、分布式光伏电站高空作业，人工清洗安全隐患高等痛点难点，光伏智能清扫机器人+跨排机解决方案，可有效降低光伏电站安全风险，提高光伏发电效率，并实现一机多用，提高机器人利用率，降低一次投入及运维成本。

集中式光伏电站中的应用场景主要如下所示：

●沙漠、戈壁、荒漠光伏电站

●滩涂光伏电站

●渔光互补光伏电站

●农光互补光伏电站

●煤矿塌陷区光伏电站

●山地光伏电站

工商业分布式光伏电站中的应用场景主要如下所示：

●有金属、粉尘的钢铁、铝业、锻造件制造企业屋顶电站

●有粘性污染物的面粉厂、食品厂企业屋顶电站

●周边有电厂、水泥厂等高污染排放物的企业屋顶电站

●高速护坡光伏电站

●无人值守光伏充电站、换电站

●清洗屋顶存在人员安全隐患的屋顶电站

●未预留清洗管路或引水难度高、用水成本高的屋顶电站

●一年至少清洗 4 次以上仍严重影响发电量的屋顶电站

四、应用效果分析

根据光伏电站所处的地点、周边环境、人工清扫次数等，不同电站光伏清扫机器人提升的发电效率各不相同。下表给出了不同电站光伏清扫机器人应用提升的发电效率，可知，常规光伏电站，可提升约5%~7%；粉尘或其他轻度污染的光伏电站，可提升约7%~12%；铁屑、风沙污染严重的的光伏电站，可提升约12%~30%。

表1 清洗效果对比

（一）中东某柴光储互补微电网项目光伏清扫机器人项目

针对当地风沙大，组件积灰严重，人力成本高的特点，且人工清洗维持时效短的特点，电站安装了光伏清扫机器人，有效提升了年发电效率至少20%(对比人工清扫)，增加年发电量10.3万度，增加光伏收益12.1万迪拉姆，节省人工清扫成本2.4万迪拉姆。

1、测试对象

迪拜某光储充项目共装有4排固定支架的光伏组件，3排跟踪支架的光伏组件，光伏组件接线见图1。每排组件都进行了清扫机器人的应用，见图2。为了分析清扫机机器人的清扫效果，需对光伏组件应用清扫机前后发电量数据进行分析。

图1 迪拜光储充项目光伏接线图

图2 迪拜光储充项目光伏清扫机器人应用

2、测试方案

测试对象：由于每2排固定支架的光伏组件串并联到逆变器，所以4排光伏组件可分为2个对比对象进行测试。2个对象详见图2中的A排（2排组件）、B排（2排组件）。

进行测试之前，每排清扫机都清扫一遍，获取初始数据。分析A排、B排组件清洁状态下的初始发电差异，由于后续清扫效果分析需要将初始发电差异折算考虑。

光伏清扫机器人的测试进行了23天，A排、B排清扫机的运行频率如下所示：

●第1-3天，第A排、第B排机器人每日都进行清扫（获取A、B排光伏组件的初始发电差异）；

●第4-23天，第A排机器人每日都进行清扫；

●第4-23天，第B排机器人不运行。

3、运行数据分析

表2 光伏清扫机发电提升效率

根据云平台获取各逆变器及其组串的发电量、电流、电压信息，分别测算相对于A排机器人每日运行，B排机器人不运行，A排、B排组件发电量的差异（将初始发电差异折算计入），可测算清扫机器人的清扫效率、光伏组件每日的积灰积累程度、及相应的损失发电量。

由表2可知，光伏清扫机提升发电效率非常明显，清扫对比试验的第7天数据显示，清扫的光伏组件较不清扫的组件，其发电效率提升了8.66%。清扫对比试验的第20天发电效率提升18.77%，效果明显。

根据表2进行清扫提升效率和天数的关系拟合，可得出y=0.0085x-0.004（y是清扫提升效率，x是天数）。清扫提升效率和天数的拟合曲线见图3。可知，随着对比试验继续开展，预计第30天，清扫对象的发电效率较不清扫对象的发电效率可能高达到25.1%。因此，安装清扫机器人效果显著。

图3 光伏清扫机发电提升效率测算及预测曲线

（二）河北某面业公司屋顶光伏项目

该面业公司屋顶铺设了5.99MW光伏，涉及三个屋顶，日常生产中通风口会排放出大量面粉颗粒物，导致屋顶积灰严重，雨天会产生粘状物，大大增加清扫难度，人工清洗成本高，清洁度保持时效短。安装清扫机器人对发电效率的提升效果显著，2.5个月有效提升光伏发电效率20%以上。

1、机器人运行方式

屋顶采用了光伏清扫机器人+跨排机解决方案，可实现每日清扫，大大提高了清扫频率。机器人安装位置如下图所示。清扫机器人每日设定自动运行2次，运行启动时间分别是06:30以及19:30。

图4 光伏清扫机现场图

图5 光伏清扫机安装位置图

2、运行数据分析

2.1 清扫机提升发电效率（2022年8月17日至2022年9月15日）

根据MPPT的电流电压数据，进行MPPT发电量统计分析，并对安装清扫机和不安装清扫机的MPPT组件进行发电量比较。

首先，对安装清扫机器人之前的组串原始发电数量差异进行分析。此处，选取了安装

清扫机前2个月（6月13日至8月13日）的数据进行分析。

其次，对安装清扫机后1个月（8月17日至9月15日）的数据进行分析。

最后，用安装清扫机后的提升发电效率减去安装之前的组串发电原始差异，结果即为排除原始发电差异的清扫机提升发电效率。

表3 清扫机安装提升发电数据

根据表3数据可知，安装清扫机的组串相较于未安装清扫机的组串，一个月后，安装清扫机的组串发电提升效率分别为8.8%、8.17%，平均发电提升效率为8.485%，清扫效果良好。

2.2 清扫机提升发电效率（2023年2月21日至2023年5月6日）

2023年2月11日至2023年2月20日电站进行的人工清洗，针对人工清扫后的运行数据进行分析如下。

表4 清扫机安装提升发电数据

2023年2月-5月，2.5个月的测试时间，光伏发电效率提升20%以上。安装清扫机器人后，每天对光伏进行两次清洗，缓解了面粉厂光伏电站粉尘污染严重，清洁度保持时间短的问题，如机器人长时间运行，发电效率提升效果将更加明显，安装清扫机器人对光伏电站效率提升效果显著。

（三）天津某光伏项目

该厂房屋顶粉尘严重，人工攀爬困难，清洗成本高且清洁度保持时效短。光伏清扫机器人可每日高频清扫，及时清扫组件表面的粉尘，有效提升光伏发电效率10%以上。

1、机器人运行方式

图6 光伏清扫机现场图

清扫机每日设定自动运行1次，运行启动时间是05:30。下图可看出，安装清扫机的组串比不安装清扫机组串干净很多，说明清扫机的清扫效果良好。据了解，在清扫机安装之前，运维人员对屋面所有组件进行了人工清扫，若在清扫机安装之前不对屋面组件进行清扫，则清扫机的清扫对比效果将更明显。

2、清扫提升发电效率分析

2.1清扫提升发电效率分析（2023年6月6日至2023年7月5日）

该项目机器人于2023年6月5日调试完成，分析6月6日-7月5日一个月的运行数据，光伏电站发电效率提升10%以上。图6、图7是安装清扫机的组件较未安装清扫机组件的提升发电效率曲线。人工清洗后，随着时间推移，未安装光伏清扫机的组件上表面积灰程度会逐渐增加，即清扫机累计提升发电效率曲线呈现总体上升趋势。

图6中，6月28日当天的提升发电效率下降了，这是由于当天下了暴雨，雨水冲刷了组件表面的污染物导致。

图7 清扫机提升发电效率曲线-每日（2023年6月6日至2023年7月5日）

图8 清扫机提升发电效率曲线-累计（2023年6月6日至2023年7月5日）

自人工清洗后开始测算，安装清扫机后一个月累计平均提升发电效率为10.74%。

五、总结及展望

IPO研究表明，2020-2022年全球光伏新增装机复合增长率33.01%。国际能源署市场报告指出，到2023年，太阳能将扩张286GW；到2024年，这一数字将增长到近310GW。光伏新增装机量保持高速增长，且光伏清扫机器人在中东区域已成为电站投资建设的标配。光伏清扫机器人可做到每日定时清扫，有效提升电站发电效率3%~30%，且投资金额少，投资回收期短等优势。随着人工智能技术的发展，光伏清扫机器人的智能化也将越来越高，功能性也将越来越强，在全球各地将得到广泛应用和推广。

参考文献

[1]吴颖超.积尘对光伏电站发电量的影响及清洁方式分析[J].太阳能,2021(09):47-51清洁方式分析[J].太阳能,2021(09):47-51

[2]张风，白建波，郝玉哲，等.光伏组件表面积灰对其发电性能的影响[J].电网与清洁能源，2012，28(10)：82-86.

[3]居发礼.积灰对光伏发电工程的影响研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[4]龚芳馨，刘晓伟，王靓．光伏电站太阳能板的清洁技术综述［J］．水电与新能源，2015（5）:71-73