光伏组件清洗机器人改善光伏电站发电性能的研究-王军-上海安轩自动化科技有限公司

光伏电站清扫机器人对光伏电站发电量提升的研究上 海 安 轩 自 动 化 科 技 有 限 公 司Shanghai ANX Automation Technology Co.,LTDResearch on the Improvement of Power Generation of Photovoltaic Power Plant by PV panel Cleaning Robot 1 行业背景Industry background2 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels3 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel4 机器人清洗解决方案及发电量的提升 Improvement of power generation by cleaning robot solution 目 录contents 1 行业背景Industry background 中国的光伏行业规模增长迅速Photovoltaic industry of China is growing fast. 中 国 的 光 伏 累 计 装 机 容 量 全 球 第 一Accumulative total photovoltaic installed capacity of China ranks in the first place allover the world. 年 份Year 2020 2030 2050一 次 能 源 需 求 （ 亿 吨 标 煤 ）Primary energy demand (one hundred million tons of standard coal) 42 50 52可 再 生 能 源 占 比 （ %）Proportion of renewable energy 15 20 40中 国 计 划 到 2030 年 非 化 石 能 源 占 一 次 能 源 消 费 比 重 提高 到 20%左 右 。 China plans to raise the proportion of non-fossil energy in primary energy consumption to about 20% in 2030.中 国 2015年 可 再 生 能 源 占 一 次 能 源 消 费 总 量 的 10.1%。China’s renewable energy accounts for 10.1% of the total consumption of primary energy in 2015. 行业背景 Industry background China Japan Germany America Italy India Britain France Australia Spain 指标收缩，增量拐点来临Increment turning point comes while the index shrinks 过 去 五 年 ， 光 伏 电 站 装 机 容 量 成 倍 增 长 ， 随 着 5.31新 政的 颁 布 ， 新 增 装 机 容 量 将 大 幅 度 减 少 ， 电 站 增 量 将 迎 来拐 点 ， 过 去 重 建 设 、 轻 运 维 的 风 向 将 彻 底 改 变 ， 光 伏 的“ 运 维 后 市 场 ” 已 到 来 。Installed capacity of photovoltaic power plants has been doubled and redoubled in the past five years. With the issue of the 5.31 new policy, newly added photovoltaic installed capacity will decrease by a large margin while the increment of power plants will face a turning point. The trend of paying more attention to construction while less to operation&maintenance will be completely transformed, and the era of post-market of operation&maintenance for photovoltaic has arrived.按 运 维 费 用 占 光 伏 电 站 成 本 的 1%来 计 算 ， 目 前 光 伏 电 站 的 运 维 ， 仅 存 量 电 站 每 年 就 有 78亿 的 市 场 （ 按 7元 /W的 电站 成 本 计 算 ） ， 市 场 空 间 巨 大Based on the fact that operation and maintenance cost accounts for 1% of the cost of photovoltaic power plant, for the current operation&maintenance of photovoltaic power plant, the stock power plant alone has a market scale of 7.8 billion yuan per year (calculated according to the power plant cost of 7 yuan / W), the market space is huge. 行业背景 Industry background Accumulative photovoltaic installed capacity Newly added photovoltaic installed capacity 运维-电站收益的关键Operation&maintenance--the key to power plant’s profits选址Site selection 设计Design 设备Equipment 建设Construction 运行维护Operation&maintenance主要的资金投入Main investment 主要的投资回收Main investment recovery0.5年 25年98%由 于 政 策 的 支 持 ， 较 为 宽 松 的 指 标 ， 一 直 以 来 光 伏 行 业 都 在 投 建 电 站 ， 对 后 期 运 维 的 重 视 度 不 够 。 On account of policy support and relatively loose indexes, the photovoltaic industry pays very high attention to the investment and construction of power plants, while pays little attention to their operation&maintenance. 行业背景 Industry background 2 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels上 海 钢 铁 厂Baosteel 江 苏 造 船 厂Shipyards in Jiangsu Province 河 南 地 面 电 站Ulity-scale power plants in Henan Province 浙 江 机 械 加 工 厂Mechanical processing plants in Zhejiang Province 江 苏 电 子 厂Electronics factories in Jiangsu Province 上 海 化 工 厂Chemical plants in Shanghai 组件的灰尘遮挡成为运维的难题Soiling on the PV panels becomes a problem for maintenance&operation 对 于 污 染 严 重 的 光 伏 电 站 ， 提 升 发 电 量 最 有 效 的 方 法 就 是 清 洗 组 件For photovoltaic power plants that seriously polluted, cleaning PV panels is the most effective way to improve power generation. 灰尘堆积引起热斑Hot spots caused by soiling accumulation组 件 积 灰 如 若 不 进 行 处 理 ， 由 于 自 然 环 境 风 、 雨 、 雪 的 作 用 ， 会 造 成 积 灰 分 布 不 均 匀 ， 从 而 导 致 热 斑 的 产 生 ， 引 发 安 全 风 险 。Soiling accumulation will be distributed unevenly under the influence of natural environment, such as wind, rain and snow, if it didn’t been handled correctly, leading to hot spots and potential safety hazards. 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels 热 斑 长 期 存 在 、 温 度 过 高 会 造 成 EVA脱 层 、 背 板 烧 穿 等 严 重 的 安 全 隐 患The long existing and overtemperature of hot spots leads to serious potential safety hazards, such as EVA delaminating, back sheet burn-through 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels灰尘堆积引起热斑Hot spots caused by soiling accumulation 灰尘造成组件温度升高Soiling accumulation leads to PV panels’ temperature rising 同 样 的 两 块 电 池 组 件 ， 有 灰 尘 遮 挡 比 无 灰 尘 遮 挡 的 组 件 温 度 要 高 2℃ ， 即 使 不 考 虑 灰 尘 遮 蔽 太 阳 光 造 成 的 功 率 损 失 ， 仅 温 度 升 高 2℃ ， 有 灰 尘 遮挡 的 组 件 比 清 洁 组 件 功 率 小 0.6%左 右 。For the same two PV panels, temperature of the PV panel with soiling is 2℃ higher than the soiling-free PV panel. Regardless of the power loss resulted from the block out of sunlight by soiling, the rose 2℃ temperature alone results in the fact that the power of soiling-free PV panel is about 0.6% smaller than that with soiling. 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels 积灰与清洁状态下电池背板温度变化图Temperature variation chart of PV panel back-sheet with soiling and soiling-free PV panel back-sheet 温度（℃） temperature 时间 Time 积灰soiling清洁soiling-free 灰尘造成组件接受的太阳辐射降低Soiling causes the PV panel to receive less solar radiation. 组 件 的 积 灰 会 对 阳 光 造 成 遮 蔽 ， 导 致 组 件 接 收 到 的 太 阳 辐 射 能 量 降 低Soiling accumulation on the PV panel blocks out the sunlight and reduces the solar radiation power received by the PV panel. 带 有 酸 性 或 碱 性 的 积 灰 会 造 成 组 件 玻 璃 的 腐 蚀 ， 被 腐 蚀 的 玻 璃 即 使 没有 灰 尘 遮 挡 也 会 造 成 一 部 分 太 阳 辐 射 被 反 射 掉Acid soiling or alkaline soiling causes the corrosion of the PV panel’s glass. The corroded glass will reflect a part of solar radiation even if it is not covered by soiling. 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels glasslight PV cellPV cell glasslightsoilling 灰尘影响到底损失多少发电量？How much power is lost due to soiling?“因为无法彻底解决电池板清洗问题，电池板实际发电效率只有60-70%左右，我们每年的损失在200万以上。”调研中，陕西榆林一家20MW太阳能光伏电站负责人介绍。 “The cleaning problem of PV panels can’t be solved completely, as a result, the actual efficiency of PV panels is only 60%-70% or so, and our annual loss is more than 2 million yuan.“ The principal of a 20MW solar photovoltaic power plant in Yulin, Shanxi Province, introduced in our investigation. 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels 重 庆 大 学 研 究 人 员 的 对 清 洗 前 后 组 件 的 效 率 进 行 了 测 试 ， 发 现 由 于 灰 尘 的 遮 挡 ， 清 洗 以 后 的 组 件 比 清 洗 之 前 的组 件 转 换 效 率 提 高 了 71.2%Researchers of Chongqing University tested the efficiency of PV panel before and after cleaning, and found that the efficiency of PV panel after cleaning was 71.2% higher than that of the PV panel before cleaning. 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels灰尘影响到底损失多少发电量？How much power is lost due to soiling?积灰与未积灰发电效率对比Efficiency comparison between PV panel with soiling and soiling-free PV panel 发电效率Efficiency 13th 14th 13th average 14th average 检 查 对 象Tested objects 状 态State 背 板 温 度 (℃ )Back sheet temperature 辐 射 (W/m²)Radiation(W/m²) STC功 率 (W)STC efficiency（ W） 电 量 损 失Power loss某 组 件PV panels 清 洗 前Before cleaning 47.98 740 109.92 42.5%某 组 件PV panels 清 洗 后After cleaning 44.60 899 190.60数据来源：湖北地区某分布式光伏电站Data sources: a distributed photovolataic power plant in Hubei Province 灰尘对组件的影响Effects of soiling on PV panels灰尘影响到底损失多少发电量？How much power is lost due to soiling? 3 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel自 然 因 素Natural factors 远 处 尘 源Distant dust sources 人 为 因 素Human factors 重 力 降 尘Soiling fall by gravity大 气 飘 尘Floating soiling in the air 组件积灰高 空 风 力 输 送Wind-forced transmission in upper-air风 向Wind direction风 蚀Wind erosion近 处 尘 源Nearby dust sources本 地 沙 尘Local dirt 向 大 气 排 放 颗 粒 物Discharge particulate matter into the air 受阻滞及温度降低自 然 和 人 为 的 扬 尘 都 会 在 重 力 作 用 下 落 在 组 件 表 面Natural dust and artificial soiling falls on the surface of PV panels by gravity 灰尘的来源Soiling sources Be blocked and temperature decrease Soiling accumulation on PV panel 自然粉尘Natural dust 金属粉尘Metal soiling 矿物粉尘Mineral soiling 油性粉尘Oily soiling 有机物粉尘Organics soiling不 同 种 类 的 粉 尘 特 性 不 同 ， 因 此 需 要 采 用 不 同 的 清 洗 方 式 ， 才 能 确 保 最 佳 的 清 洗 效 果 。 对 于 顽 固 污 渍 需 要 使 用 合 适 的 中 性 清洗 液 才 能 够 清 除 干 净 。 Different cleaning methods should be adopted to different soiling types of different features to achieve best cleaning. Proper neutral cleaning solution is required to remove stubborn stains. 即 风 沙 、 灰 尘 等 自 然 界粉 尘 ， 附 着 力 较 弱Natural dust, such as sand, dirt and etc., has relatively weak adhesion 金 属 颗 粒 物 粉 尘 ， 常 见 于 钢厂 ， 长 期 积 累 难 于 清 理 ， 并可 形 成 锈 蚀 在 组 件 玻 璃 表 面Metal particulate soiling is common in steel mills and difficult to clean up due to long-term accumulation. Rust and corrosion may be generated by it on the surface of PV panel’s glass. 无 机 矿 物 粉 尘 长 期 堆 积 与 雨 水混 合 可 产 生 板 结 和 钙 化 ， 其 中的 酸 性 或 碱 性 物 质 会 对 组 件 边框 和 组 件 玻 璃 形 成 腐 蚀Long-term accumulated inorganic mineral soiling can harden and calcify the PV panel by mixing with rainwater, and its acidic or alkaline substances can corrode the PV panel’s frame and glass. 一 般 见 于 化 工 厂 ， 机 械 加工 厂 ， 长 期 积 累 与 自 然 粉尘 混 合 ， 难 以 清 理Commonly found in chemical plants, mechanical processing plants, oily soiling is usually long-term accumulated and mixed with natural soiling, while difficult to clean. 常 见 于 木 材 厂 、 纺 织 厂 ， 附着 力 低 ， 但 长 期 不 清 理 ， 与雨 水 和 自 然 粉 尘 混 合 会 使 清理 的 难 度 增 加 。Commonly found in timber mills and textile mills, though with weak adhesion, organics soiling will be more difficulty to clean if it’s not cleaned for a long time and mixed with rainwater and natural soiling. 灰尘的分类Soiling type组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel 灰尘积累与降水的关系Relationship between dust accumulation and rainwater 自 然 降 水 会 对 组 件 的 积 灰 有 冲 刷 的 作 用 ， 减 少 组 件 的 积 灰 ， 但 鉴 于 组 件 边 框 得 阻 挡 ， 无 法 完 全 冲 刷 干 净 ， 随 着降 水 结 束 ， 灰 尘 又 迅 速 积 累Natural rainfall can wash the soiling away on the PV panels and reduce soiling accumulation. However, blocked by PV panels’ frames, soiling can’t be completely cleaned and will be accumulated fast again after the rainfall. 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel 时 间 Time冲 刷washing累 积accumulating积灰量 Soiling accumulation 灰尘积累与组件功率损失的关系Relationship between soiling accumulation and PV panels’ power loss 通 过 人 工 扬 灰 模 拟 自 然 积 灰 来 研 究 不 同 灰 尘 量与 发 电 量 损 失 的 关 系 。Study the relationship between soiling accumulation and PV panels’ power loss through simulating soiling accumulating by spreading dust manually.通 过 左 图 可 以 看 出 ， 灰 尘 积 累 对 组 件 发 电 量 造成 的 影 响 是 非 线 性 的 ， 在 灰 尘 积 累 初 期 ， 对 发电 量 影 响 非 常 大 。It’s observed from the left figure that the influence of dust accumulation on the power loss of the PV penals is non-linear, and it greatly influence the power generation in its initial stage.因 此 必 须 重 视 积 灰 初 期 灰 尘 对 光 伏 发 电 的 影 响 ，因 此 光 伏 组 件 的 清 洗 采 用 高 频 次 清 洗 或 减 少 灰尘 积 累 速 度 的 清 洗 方 法 最 佳 。Therefore, high attention must be paid to the influence of soiling on the photovoltaic power generation in the initial stage of soiling accumulation. In consequence, the best cleaning methods for PV panels are high-frequency cleaning or slowing down the soiling accumulation speed.光 伏 积 灰 系 数 为 在 同 等 光 照 强 度 下 ， 积 灰 光 伏 板 发 电 效 率 与 清 洁 光 伏 板 发 电 效 率 的 比 值The photovoltaic soiling accumulating coefficient is the ratio of power efficiency of photovoltaic panel with soiling accumulation to that of soiling-clean PV panel in the same illumination intensity. 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel 积 灰 量 (g/m²) Soiling accumulation(g/m²)光伏积灰系数 Photovoltaic soiling accumulating co efficient 积 灰 量 与 光 伏 积 灰 系 数 关 系 图Relationship between soiling accumulation and photovoltaic soiling accumulating coefficient 手 持 式 电 动 清 洗 设 备Hand-held electric cleaning device大 型 清 洗 车 Large cleaning vehicle大 型 清 洗 车 是 以 卡 车 为 平 台 ， 配 备 机 械 臂 和 辊 刷 ， 在 汽 车 行 进 的 过 程 中 配合 辊 刷 的 转 动 达 到 大 面 积 快 速 清 洗 组 件 的 效 果 。The large cleaning vehicle is based on a truck as its platform, and equipped with a mechanical arm and rolling brushes. It can clean the PV panels fast in large area with the rotation of the rolling brushes during its moving. 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel手 持 式 电 动 清 洗 设 备 采 用 优 质 刷 盘 ， 由 锂 电 池 供 电 ， 电 机 驱 动 刷 盘 转 动 ， 能够 进 行 高 效 的 清 扫 作 业 ； 同 时 配 备 水 泵 和 水 管 ， 可 从 盘 刷 中 间 喷 水 辅 助 清 洗 。使 用 该 手 持 电 动 清 洗 设 备 可 根 据 需 要 同 时 进 行 干 洗 和 水 洗 。Powered by lithium battery, the hand-held electric cleaning device adopts a high-quality disc brush, whose rotation is drove by a motor, and can achieve efficient cleaning. At the same time, it is equipped with a water pump and a water pipe, which assist in cleaning through spraying water from the middle of the disc brush.The hand-held electric cleaning device can carry out dry cleaning and water cleaning simultaneously on demand. 喷 淋 系 统Spraying system类 似 于 绿 化 的 喷 淋 系 统 ， 在 电 站 建 设 时 预 先 安 装 水 管 和 喷 头 ， 使 用 时 每 天定 时 启 动 喷 淋 组 件 表 面 ， 达 到 冲 刷 灰 尘 的 目 的 。Similar to spraying system of greening, water pipes and nozzles are installed during the power plants’ construction in advance. Spraying water on PV panels’ surfaces at a fixed time ever day to wash soiling away. 镀 膜 自 清 洁 技 术Self-cleaning coating technology使 用 特 殊 的 纳 米 材 料 在 光 伏 组 件 的 表 面 生 成 涂 层 ， 利 用 水 与 纳 米 二 氧 化 钛 薄膜 超 强 亲 和 力 ， 形 成 均 匀 的 水 膜 ， 该 水 膜 将 玻 璃 表 面 附 着 的 灰 尘 、 污 垢 等 与 玻 璃 表 面 隔 离 ， 随 着 水 流 的 冲 刷 ， 将 表 面 灰 尘 和 污 垢 带 走 ， 以 实 现 组 件 面 板的 清 洗Produce a coating on the surfaces of PV panels with special nano materials, then produce an even water film by making use of the superstrong affinity of water and nano titanium dioxide film. This water film can insulate the dust, dirt that attached to the glass surfaces from them, while those dust and dirt could be washed away by water. 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel 智 能 清 洗 机 器 人 解 决 方 案Intelligent cleaning robot solution智 能 清 洗 机 器 人 安 装 于 组 串 支 架上 ， 安 装 完 成 后 无 需 人 工 介 入 ， 每 天可 定 时 进 行 清 扫 ， 并 自 动 归 位 和 充 电。 高 频 次 的 清 扫 让 各 种 类 型 粉 尘 都 难以 附 着 在 组 件 上 ， 使 组 件 基 本 保 持 无尘 状 态 。The intelligent cleaning robot is installed on the set stand and doesn’t need human interference after installation. It can clean the PV panels at a fixed time every day, while automatically return to set and charge. The intelligent cleaning robot solution can mainly keep the PV panels free from soiling through high-frequency cleaning, which makes it difficult for various types of soiling to adhere to the surfaces of PV panels. 组件的清洗方法Cleaning method of the PV panel 4 机器人清洗解决方案及对发电量的提升Improvement of power generation by cleaning robot solution 机器人清洗解决方案及对发电量的提升Improvement of power generation by cleaning robot solution不同清洗方式对比Comparison among different cleaning methods清 洗 方 式cleaning methods 水 源Water source组 件 损 伤 风 险PV panel’s damage risk 成 本Cost 效 率Efficiency 清 扫 频 次Cleaning frequency 清 扫 效 果Cleaning effect 地 形Landform 适 用 电 站 类 型Applicable power plant types手 持 式 电 动 清 洗 设 备Hand-held electric cleaning device × 低Low 低Low 低Low 低Low 好Excellent 无 限 制Unlimited 所 有 类 型 电 站All power plant types大 型 清 洗 车 Large cleaning vehicle × 高High 低Low 高High 低Low 好Excellent 地 面 电 站Flat power plant 平 整 的 地 面 电 站Flat ulity-scale power plants喷 淋 系 统Spraying system √ - 高High 高High 高High 良Good 无 限 制Unlimited 所 有 类 型 电 站All power plant types镀 膜 自 清 洁 技 术Self-cleaning coating technology × 低Low 中Middle 高High 低Low 差Poor 无 限