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摘要：本文研究了光伏组件表面的清洁技术及其应用进展。首先，介绍了光伏组件表面清洁的重要性，然后对现有的清洁技术进行了分类和比较，接着详细阐述了各种清洁技术的原理、优缺点及适用范围。最后，讨论了清洁技术在光伏组件制造和运行过程中的实际应用，并指出了未来研究方向。

引言

随着全球能源结构的转变，清洁、可再生的能源——太阳能越来越受到重视。第十三届全国人大四次会议政府工作报告中指 出，扎实做好碳中和、碳达峰工作，为了2030年前实现碳排放达峰，制定相关行动方案，大力发展新能源——优化产业结构和能源结构，推动煤炭清洁高效利用。资料显示，近年来年我国乃至全球光伏发电装机容量处于连续增长趋势，近年来年全球光伏发电装机容量年新增和累计量如图1所示。

太阳能发电系统的核心部分——光伏组件的转换效率受到气候、灰尘、污染物等多种因素影响，因此，光伏发电系统的性能和效率将受光伏组件表面清洁度的制约。本文将对光伏组件表面清洁技术的研究及应用进展进行详细探讨。

1 光伏组件表面清洁的重要性

光伏组件表面清洁对光伏发电系统性能和发电量的都有很大的影响。

首先，光伏组件表面的灰尘等能会导致辐照接受率下降。灰尘覆盖在光伏面板表面，会减少阳光照射到光伏面板上的有效面积，降低玻璃的透射率，就会大大削减面板所接收的太阳辐射的强度，在一定程度上会引起太阳辐照不均匀，导致发电量降低，从而减少了电能输出功率。

其次，光伏面板的传热形式也受光伏组件表面的灰尘等的影响。光伏面板自身热量会因附在面板表面的灰尘的阻挡而不能及时向外传递，热量得不到释放，从而导致使光伏面板的温度越来越高，随着温度的增加光伏发电的效率会降低。目前的光伏电站大多使用硅基太阳电池的发电效率对温度灵敏的要求很高，随着光伏面板表的灰尘厚度的增加，光伏面板的传热热阻就会增大，对面板的保温作用就会增大，其散热功能受到影响就会越大，甚至产生热斑损害组件。有实验结果显示，光伏面板的温度每当上升1℃，其输出功率将下降0.5%。

最后，晶硅光伏面板的主要成分是二氧化硅和石灰石，而灰尘的成分中有酸性物质，有碱性物质，灰尘中的酸碱物质碰如果遇到空气中足够的水汽，就可能与光伏面板的组成物质产生酸碱反应，经过一段时间的侵蚀使光伏面板的表面就会变得不光滑，甚至坑坑洼洼，从而导致照射在光伏面板表面的阳光发生漫反射，这将会破坏太阳辐射在光伏面板中传播的均匀性，进而导致光伏面板光学性能的衰减，从而影响发电量。

清洁的组件表面能够减少热损失，提高组件的散热性能。最后，清洁的组件表面能够减少电化学腐蚀和微生物生长，延长组件的使用寿命。

2 光伏组件表面清洁技术的分类与比较

2.1 自然除尘

利用自然力量如：重力、风吹、雨水冲刷等来除去太阳能面板上灰尘的方式称为自然除尘。有文献指出，风速对灰尘沉积结构的特殊影响，高风速时形成的积灰具有较高的光线透过率。由于太阳能电池板表面的积灰具有非粘结性，清除面板上的积灰需要有一定风速。由于不同地区的的环境、气候不同，积累的灰尘类型和自然力量也就不同，所以不同地区的自然除尘效果具有随机性且相差很大。

2.2 人工清洁

目前应用最广泛的光伏组件清洁方式是人工清洁，也称为机械清洁技术。通过人工使用清洁工具和清洁剂，如水、刷子等，对光伏组件进行定期清洁。这种方法可以有效去除表面的污垢和颗粒物，但对于一些顽固的污染物，如油脂、胶体等，效果不佳。该技术的优点是操作简单、成本低廉，但清洗效果受工具材质、操作方式等因素影响，并且可能会对光伏组件造成划痕或损坏。

在我国，机械除尘常用于市政道路照明、海上浮标等领域。但是对于太阳能面板除尘来说，机械除尘是有一定的效果，效率不高，并且在除尘的过程中可能对太阳能电池板产生伤害。

2.3.化学清洗技术

化学清洗技术主要通过使用化学试剂对组件表面进行清洗。这种方法对那些顽固的污染物，包括油脂、胶体等效果很好。但是，化学清洁可能会对光伏组件的表面造成腐蚀或损伤，且清洗后的废液处理难度较大。因此，需要选择合适的化学试剂和清洗方法，以避免对组件造成损害。

2.4物理清洗技术

利用高压水射流、超声波等物理手段对光伏组件表面进行清洗称为物理清洗技术，如超声波清洗、喷砂清洗等。该方法的优点为不仅可以有效去除表面的污垢和颗粒物，且几乎不会对光伏组件造成损害。其缺点是物理清洗设备通常较为昂贵，且清洗过程中需要消耗大量水资源，且需要专业的操作人员。

2.5生物清洁

利用微生物或酶进行表面清洗被称为生物清洁。这种方法的优点是不仅可以有效去除表面的油脂和胶体等污染物，且不会对光伏组件造成损害。这种方法的缺点是清洁时不仅需要一定的时间和温度条件，并且需要控制微生物的生长和繁殖。生物清洁跟化学清洗技术相比，清洗后的废液几乎不需要特殊处理，因此可以降低清洗成本和对环境的污染。

2.6光伏组件清洁机器人

光伏组件清洁机器人通常具备自动识别和定位功能，能够在无人值守的情况下对光伏组件进行清洁。它采用刷子、水枪等清洁装置，可以有效清洁光伏组件表面的灰尘和污染物。相比于人工清洁，机器人清洁具有清洁效率高、安全风险低等优点。

我国西部地区建有很多大型光伏电站，大型的光伏电站的太阳能板，安装支架的角度多是固定不变的，清洁机器人正好可以解决地处偏远、缺水、风沙大等恶劣的自然条件。

机器人清洗方式的优点有：①节约水资源，机器人清洁方式与人工清洁相比，用水仅占人工清洁的三分之一左右。。②调节方便，由于太阳能板的倾斜度和高度不完全相同，在清洁时需要及时调节角度，清洁机器人能够快速的调节角度。③占地面积小，清洁机器人在工作时可以展开，以方便清洁，清洗车不工作的时候，可以将部分机械结构折叠起来，以方便在狭窄的道路上行驶。④除尘率高，机器人清理不仅可以清除粘附性较低的浮尘，还能有效去较顽固污，鸟粪等。⑤智能控制和柔性机械臂使清洗刷始终贴在板面上进行清洗，提高的清洁度。由于发电站的路面高低不平，机器人在在行驶过程中可能偏离既定路线，这是清洁机器人的控制系统将会及时调整工作位姿，使清洗刷始终贴在太阳能板面上，保证清洗效果。

2.7新型自清洁涂料

新型自清洁涂料是一种基于材料表面性质的清洁技术，其工作原理主要基于表面纳米结构和特殊材料成分。这种涂料具有超疏水和自洁能力，能够减少灰尘和污染物的粘附从而保持光伏组件表面清洁。新型自清洁涂料技术的优点是持久性、无需外部能源和维护成本低，适用于各种光伏组件。

纳米自清洁薄膜的特点是能耗少、增透。根据清洁原理可以将纳米自清洁薄膜分为两种：超亲水自清洁薄膜和超疏水自清洁薄膜。接下来分别介绍这两种的工作原理。

近年来亲水自清洁薄膜得到快速的发展。在十年前就有多所院校和科研机构在自清洁薄膜展开了研究，目前已有产品已投入生产，并得到了应用。中国耀华玻璃集团公司采用化学气相沉积技术生产出规格灵活、光催化活性高的自清洁玻璃。太阳能作为未来支柱能源，发电效率显然是成为重要因素。

纳米自清洁薄膜适用于大气雨水丰富的环境。在太阳能电池板上涂上亲水性的自清洁涂层涂，就能起到除尘、提高太阳能电池的效果。由于薄膜的光催化功能会降低太阳光的透射率，亲水自清洁薄膜还未能较好的推广，由于对环境的要求，目前也亲水自清洁薄膜还未能大规模推广应用。如果能够提高太阳光透射率，亲水自清洁薄膜在太阳能电池板上的就能推广应用，从而推动太阳能的发展。

早在1997年，德国植物学家Barthlott和Neinhuis首次揭示了以荷叶为代表的植物叶面微结构，并阐述了其自清洁的关系。超疏水自清洁薄膜的清洁原理就是基于具有自清洁的“荷叶效应”。如图（a）水滴在荷叶的表面呈现球形；（b）荷叶表面的微结构；（c）荷叶表面单个乳突结构；d）荷叶背面的纳米结构。荷叶表面与水的接触角由于荷叶表面的微纳乳突结构而被大幅提高，荷叶表面的污染物或灰尘，会被滴在超疏水表面的水滚动时会带走，从而达到自清洁的效果。

2.8 电帘除尘

1967年，为解决Apollo任务的除尘问题，提出了利用交流电源的平行电极产生电场的电帘除尘方法。由于不同的灰尘带不同极性的电荷，导致不同的灰尘将会顺着或逆着电场方向移动，因而电帘除尘具有无接触的特点。

电帘除尘的不接触性和高效性使其得到了特别的关注，尤其使透明很强的的氧化钢锡电帘。当灰尘密集最大时，除尘效率甚至高达90%的ITO电帘能有效地除尘，并且保持太阳能板表面清洁。电帘除尘的无接触式、效果较好，成本较高的特点，决定其应用领域为太空探索，我国的电帘除尘研究较晚。高成本性，和增加光伏面板表面温度的特性使得电帘除尘技术不适合应用于地面的太阳能电池板的除尘。此外，在实验中还发现电帘除尘还有可能产生其他的问题，如在灰尘搬移造成二次扬尘和积灰等。若地面上的太阳能电池板清洁使用电帘除尘技术，需要解决电压和频率可调技术的问题，通过分析发现影响除尘效率的因素除了大气环境中电压频率、幅值因素以外，还有电极宽度以及间距等因素。如果在未来研究能突破电帘除尘的成本等因素，有望在地面太阳能电池板上大面积应用。

3.表面清洁技术在光伏行业的应用和未来发展方向

增强清洁技术的自动化程度：除了光伏组件清洁机器人，可以探索更智能、自主的清洁系统的还有基于人工智能和机器视觉的自动清洁系统。这种系统还可以实时监测光伏组件的污染程度，并根据监测结果自动启动清洁操作，以最大程度地减少能源损失和人力投入。

开发更环保的清洁方法：传统的清洁方法可能需要使用化学清洁剂，对环境有一定影响。未来的研究可以致力于开发更环保的清洁方法，如利用纳米材料或生物技术来实现高效清洁同时减少对环境的负面影响。

提高清洁效率和效果评估：可以探索新的评估方法和指标，以全面衡量清洁技术的效率和效果。这样可以帮助选择最适合不同光伏组件类型和环境条件的清洁策略，并为技术改进提供指导。

考虑多种应用场景下的清洁需求：不同的光伏应用场景可能对清洁技术有不同的要求。例如，在沙漠地区，光伏组件更容易受到沙尘的影响，需要特殊的清洁策略。因此，未来的研究应该针对不同场景中的清洁需求进行深入研究。

长期性能评估：目前大部分清洁技术的评估主要依赖于短期实验或模拟条件下的结果。为了更好地了解清洁技术的实际效果和持久性，需要进行长期性能评估和监测。这将有助于确定清洁技术的最佳清洁频率和维护策略。

清洁技术与光伏组件设计的协同优化：清洁技术的发展需要与光伏组件的设计进行密切合作。光伏组件的表面形态、材料选择等因素将直接影响清洁技术的适用性和效果。因此，将清洁技术与光伏组件设计进行协同优化，可实现更高效、更可靠的清洁效果。

提高清洁技术的经济性：清洁技术的可持续应用的关键当属其经济性。高成本成了目前一些高效的清洁技术面临的最大挑战，也限制了其推广，因此，经济性就成了提高市场竞争力的重要因素。

总之，光伏组件表面清洁技术的研究和应用进展是一个持续发展的领域。通过不断的研究和创新，可以进一步提高光伏组件的清洁效果，减少能源损失，并为可持续能源开发做出更大的贡献。

尽管目前已经取得了一定的进展，但仍有一些挑战需要克服。未来的研究可以关注以下几个方面以推动光伏组件表面清洁技术的进一步发展：

应用于大规模光伏电站的实践验证：目前，大部分光伏组件表面清洁技术主要应用于小规模的实验室或示范项目中。为了实现清洁技术的广泛应用，需要进行更多的实践验证和应用案例，特别是在大规模光伏电站中的应用。

智能监测与反馈系统：研究如何通过智能传感器和数据分析技术，实时监测光伏组件的污染情况，并为清洁决策提供准确的反馈。这样的系统可以帮助优化清洁操作的计划和频率，以提高清洁效果并减少能源损失。

清洁技术的适应性与可扩展性：研究如何设计清洁技术，以适应不同类型、不同尺寸和不同形状的光伏组件，包括柔性光伏、多晶硅和薄膜光伏等。同时，还需要考虑清洁技术的可扩展性，以满足大规模光伏电站的需求。

新材料与涂层技术：研究新材料和涂层技术，以提高光伏组件表面的抗污染性和自洁能力。这可以包括通过改变材料的化学组成、表面结构或添加功能性涂层，来减少附着污染物的能力，降低污染物对光伏效率的影响。

结合能源和资源利用的清洁技术：将光伏组件的清洁过程与能源和资源的利用相结合，以实现能源和资源的最高利用效率。例如，可以通过设计清洁系统，将清洁过程中收集的污染物进行处理和回收，以节约资源并减少环境污染。

除了科学研究的推进，行业合作和政策支持也是推动光伏组件表面清洁技术发展的重要因素。公司、研究机构和政府之间的合作与支持将有助于加速清洁技术的商业化和市场应用，从而实现光伏发电系统的可持续运营。

综上所述，光伏组件表面清洁技术的研究和应用进展仍然面临一些挑战，但未来的研究方向和努力将有助于推动清洁技术的发展，提高光伏系统的性能和可持续性。

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作者简介：沈海军（1982-12），男，汉族，江苏省连云港市人，河北机电职业技术学院，教授，硕士，研究方向：机电一体化。

课题来源：2022年河北机电职业技术学院自筹项目，《智能太阳能电池板清洁系统的研究》Z22010