氦气球悬浮管道光伏组件清洗方式的应用研究

闫小龙 ¹ ， 马小芳 ²

（1.三峡新能源清水发电有限公司，甘肃 兰州 730050；2.中国三峡新能源（集团）股份有限公司西北分公司，甘肃 兰州 730050）

大规模集中式光伏电站一般位于自然环境较为恶劣的偏远地区，例如甘肃的河西走廊，青海、新疆、内蒙的荒漠戈壁。这些地区多风沙且距离水源地较远，光伏电站的装机动辄数百兆瓦，组件数量非常巨大，少量降雨的冲刷难以实现对组件的清洗。即便有充足的水源、设备和人力，要完成一次如此大规模的清洗，其庞大的工作量也难以想象。而且天气的变化可能导致清洗工作反复进行，这就迫切需要一种高效、经济的清洗方式[1]。

1 常规光伏组件清洗方式

针对光伏组件表面积尘的清洁问题，国内光伏电站主要采用设备清洗的方法，主要形式有人工清洗、设备清洗和清洗机器人智能清洗等。

人工清洗为最原始、最直接的组件清洗方式。通过清扫或水洗对组件进行清洁，往往需要借助各种工具开展工作，对于装机容量较大的电站，需要 雇佣大量的劳务工人进行此项工作。清洗效率低下，清洗效果不一致，还可能对 组件表面产生损伤，从而影响组件寿命。

清洗设备主要有两种：一种是由水车搭配喷淋设备发展而来；一种是旋转的刷头配合给水设施发展形成的集成式清洗车，其包含水箱、清洗机构、液压机构、给水机构。这两种设备成本较大，尤其是设备的一次性投入资金过大[2-3]。

近年来，组件清洗技术也有了很好的发展，为提高清洗光伏板表面灰尘的效率，人工智能也被引入到组件清洗设备的生产制造中，并出现了组件清洗机器

人，用以彻底清理光伏板表面的灰尘及污垢，以提升发电效率，其方式是在电站每排光伏板中安装一台光伏板清洗机器人，机器人自动定期清扫，无人值守[4]。常见组件清洗模式如表1所示。

表1 常见组件清洗模式对比分析

2 氦气球清洗方式的原理和技术方案

2.1 基本原理与构造

整个清洗结构由动力机构、水箱、高压水泵、压力表、管道、气球、喷头、备用氦气及其他附件构成。

动力机构：动力机构可由常见的洒水车、拖拉机等牵引车辆提供。

水箱：可直接使用洒水车或者根据牵引动力车辆的构造单独配备水箱。

给水泵：常用高压水泵。

压力表：保证水压不超过管道及喷嘴的额定工作压力。

氦气球：根据满水管道的重量选择合适的可反复充气使用的、较为安全的氦气。

管道：选择轻质耐高压且与泵压力匹配的管道。

喷嘴：选用扇形喷嘴。

2.2 技术方案和应用模式

1）喷嘴的选用。喷嘴是一种较为成熟的产品，市面上喷嘴的种类繁多，用于清洗的喷嘴一般选用扇形喷嘴。根据喷嘴的规格参数，并在满足清洗效果的前提下，需考虑喷嘴的安装数量、安装间距，且直接影响到喷嘴的喷射角度、喷射距离和覆盖范围。喷嘴的覆盖范围的理论数值是假定喷射角度在整个喷射距离范围内保持不变，根据喷嘴夹角及组件与喷嘴之间的距离计算得出的[5]。如图1所示。

图1 理论覆盖范围与喷射角度的关系图

在清洗光伏组件时，对喷嘴离组件的距离没有严格规定，但是，喷嘴口离组件太近的话，会影响清洗宽度；离组件太远，则达不到去污清洁效果。因此，一般选择喷嘴口离组件距离200 mm～300 mm。综合上述因素，常规选择以扇形喷嘴60°喷角、离组件高度不低于250 mm为宜，此时组件清洗理论覆盖范围为280 mm。

扇形喷嘴与组件的接触面可理解为一条直线，且边缘位置略微变窄，因此，为保证清洗时有较大的覆盖范围和良好的清洗效果，相邻喷嘴的扇形边缘应有合理的重 叠，从而获得均匀的、全面覆盖的效果面。安装喷嘴的常规使用要求，喷嘴的 喷射宽度应重叠1/3～1/4。并根据喷射角度和扇形喷嘴的特性，可计算出理论覆盖范围约 280 mm，相邻喷嘴安装距离为190 mm～220 mm。

2）高压水泵的选择。为保证系统工作压力和流量符合设计要求，并考虑输水距离以完成长距离清洗任务。高压水泵拟选用工作压力≤10 MPa、流量约600 L/h的柱高压塞泵。

3）输水管道的选择。为保证系统压力，首先应满足管道的压力要求。按照压力需求，管道应该选用高压管道，管道采用分段安装的方式，可灵活调整输水和清洗距离。根据水泵的选型和喷嘴的特性要求，同时需要管道质量轻，具有柔软性良好、压力损失小的特点。依据这些特性，输水管道选用PU夹纱管，PU夹纱管可承受的压力是单层PU管的1.8倍。市场上常见的PU夹纱管技术参数，如表2所示。

表2 PU 夹纱管技术参数表

水管材质：聚氨酯，增强纤维网。

水管规格： 10 mm（内径），14.5 mm（外径）。

长度：输出管总长20 m，分段长度约0.2 m 。

常用压力：2 MPa～6 MPa。

采用该模式进行光伏组件清洗，成本低廉，效率高，效果好。在设计上，假如管道长度为20 m，安装100个喷嘴，那么理论上每小时清洗量可达100余亩，每天正常清洗量可达1 000～1 500亩。由此想到，采用这种方式在配备足够压力的泵、相匹配的管道、足够多的气球时，清洗范围可以无限延长，因管道悬空，只需两头有少量的牵引力就可实现大范围的组件清洗目标，并可延伸出单向清洗方式和双向清洗方式两种模式。

除这两种模式外，还可根据光伏区道路进行纵向清洗工作[6-10]。

3 小结

利用氦气球进行组件清洗的模式有以下优缺点：

1）优点。一是成本低廉，关键构件为车辆、水箱、管道和气球，一次性投入可反复、长久使用，比常规清洗设备价格便宜；二是操作方便，需用的人工少，2～3人即可完成；三是一次性清洗范围大，清洗效率高，效果好；四是用水量小，采用多个喷头同时进行清洗，喷洒均匀，不会浪费水；五是灵活性较强，可根据实际需要调节清洗水管的长度。

2）缺点。一是因采用氦气球，需要做好防火防爆措施；二是受刮风等天气因素影响较大；三是为避免对组件产生阴影遮挡，应将清洗作业安排在下午5点以后实施。

3）综上所述，采用以氦气球悬挂管道进行光伏组件清洗的方式是可行的，且相比于常规形式的清洗方式，其具有显著的优势。