本书研究了太阳能光伏发电系统清洁技术现状，主要内容包括太阳能资源开发现状、光伏产业规模及节能减排潜力、太阳能发电形式与组件类型、光伏系统清洁方法、灰尘特性、灰尘颗粒黏附机理、电池板表面灰尘清洁机理、试剂选用与评估、清洁与光伏组件寿命。

清洁能源是能源当前和未来发展的必然趋势。太阳能取之不尽用之不竭，是清洁能源的重要组成部分，在未来必将成为能源结构调整的重要力量。中国西部广袤的土地，丰富的光照为发展太阳能发电事业提供了优越的前提条件。今年习近平总书记考察青海时指出要打造国家清洁能源高地，更加为发展清洁能源指明了方向，坚定了信心。 中国光伏取得了光伏生产制造、光伏发电装机量、光伏发电量三个世界第一。而地处青藏高原的青海则是中国装机发电规模最大的省份，正所谓“世界光伏看中国，中国光伏看青海”。但青藏高原干燥少雨、风沙肆虐的恶劣自然条件给光伏系统维护带来了很大困难，其中组件表面积灰清洁就是难题之一。 本书围绕光伏组件表面积灰清洁工作，对光伏发电形式、光伏电站组成、灰尘来源、积灰成因、灰尘粘附力的计算、清洁工具及其灰尘去除机理、清洁剂以及清洁可能带来的负面影响等作了较为详细的阐述。无疑，积灰对光伏组件发电量的影响是最直接的，高效率、高质量、低成本地除尘是每个电站的目标。本书旨在将清洁除尘所涉及的理论、方法进行系统梳理，形成较为完备的光伏系统清洁运维的知识体系。在写作过程中，笔者也注意到，光伏组件仅仅追求低成本是片面的，还需要考虑环境因素以及周边的生态系统，毕竟清洁使用的水资源对荒漠戈壁生态影响很大。 课题组开展组件清洁技术始于2009年，当年3月我同清华大学郑浩峻老师前往格尔木调研电池板表面积灰和除尘工作。3月的格尔木狂风飞沙，我们一行人在电站里辨不清方向，嘴里耳朵里都灌满了沙粒，这是我对风沙的第一次直观认识和感受。从那时起，课题组从擦洗工具入手，开始清洁组件的研究工作，至今已经十二年了。此后我们无数次来往于格尔木、德令哈、共和等地的光伏电站，开展各类调研和实验。 早期研究生中孟广双、辛元庆、李强在灰尘粘附机理和清洁样机制作方面做了大量的工作，也为课题组后续研究工作奠定了基础。孟、辛两位工作后仍然从事光伏发电相关的研究，因此我特别邀请他们参与本书的写作。前期制作样机时得益于张波师兄的支持和鼓励，随着研究的深入我们对灰尘粘附和清洁机理更加关注，并且得到国家自然科学基金的资助，马岩岩、张万福、江平、杭茂尧等人的工作涵盖了光伏发电系统性能分析、灰尘性质测定、积灰成因分析、粘附及其与组件表面间的作用力计算等，张军涛则进一步讨论了积灰组件透射性质。同时本科生刘文斌、程新华、郑鹏涛、王志新等人都参与了很多工作。 最后我要感谢上文提到的郑浩峻老师、张波师兄及参与相关工作的同学们，感谢为我整理资料、修改文献的研究生们，包括朱少康、王林泽、张西亚、林光伟、赵岩和彭鑫等。也向书中所引用文献的作者们表示感谢。同时感谢课题研究资助单位——青海省科学技术厅和国家自然科学基金委员会。 写书的出发点是很好的，希望将光伏系统清洁维护技术整理好，能够为电站维护人员提供系统的知识，也为其他研究同行提供一点思路，但由于认识与能力限制，不免有许多疏漏和不当之处，敬请各位读者批评指正。 高德东 于青海大学

符 号 表 绪 论 0.1 从能源危机谈起 / 009 0.2 太阳和太阳能 / 010 0.2.1 太阳的能量 / 011 0.2.2 太阳能资源 / 012 0.3 光伏产业规模及节能减排潜力 / 013 0.3.1 光伏产业规模 / 013 0.3.2 节能减排能力 / 015 0.4 清洁维护的重要性 / 016 0.5 本书结构 / 018 第1章 太阳能发电形式与组件类型 1.1 太阳能发电技术概述 / 020 1.1.1 太阳能光伏发电 / 020 1.1.2 太阳能光热发电 / 021 1.2 光伏发电组件构成 / 022 1.2.1 非聚光太阳能电池 / 022 1.2.2 聚光太阳能电池 / 025 1.3 光伏组件安装方式 / 027 1.3.1 固定式安装方式 / 027 1.3.2 跟踪式安装方式 / 031 1.3.3 光伏跟踪系统和 支架材料 / 037 1.3.4 光伏阵列基础工程 / 039 1.4 太阳能光热发电安装方式 / 040 1.4.1 槽式太阳能光热 发电系统 / 040 1.4.2 塔式太阳能光热 发电系统 / 042 1.4.3 碟式斯特林太阳能光热 发电系统 / 046 1.4.4 菲涅尔式太阳能光热 发电系统 / 048 1.4.5 4种太阳能光热发电 技术比较 / 049 1.5 光伏/光热电站对环境的影响 / 050 1.6 光伏/光热系统对清洁维护 的影响 / 053 1.7 本章小结 / 055 第2章 光伏系统清洁方法 2.1 人工清洁方式 / 056 2.2 半自动化清洁方式 / 059 2.2.1 固定管道式清洁方式 / 060 2.2.2 各类机械化清洁车 / 061 2.2.3 光热系统清洁车辆 / 069 2.3 自动化清洁方式 / 072 2.3.1 依托支架运行的 清洁机器人 / 073 2.3.2 阵列表面爬行机器人 / 080 2.4 组件清洁方式选择 和自清洁技术 / 086 2.4.1 组件清洁方式选择 / 086 2.4.2 自清洁技术 / 087 2.5 本章小结 / 092 第3章 灰尘的来源、成因、性质与影响 3.1 灰尘来源 / 094 3.1.1 柴达木盆地的降水量 / 094 3.1.2 柴达木盆地的沙尘天气 / 096 3.1.3 风沙对电池板的 冲蚀作用 / 098 3.2 光伏组件表面积灰成因 / 100 3.2.1 积灰的形式与沉积机理 / 100 3.2.2 积灰的影响因素 / 103 3.3 灰尘颗粒特性分析 / 108 3.3.1 灰尘成分分析 / 108 3.3.2 灰尘形貌与粒径分析 / 111 3.4 灰尘对光伏发电的影响 / 120 3.4.1 灰尘颗粒对电池板 受光面积的影响 / 121 3.4.2 灰尘量对光伏发电 转换效率的影响 / 125 3.4.3 灰尘对衰减寿命的影响 / 131 3.4.4 灰尘引起的其他效应 / 133 3.5 本章小结 / 136 第4章 灰尘颗粒粘附机理 4.1 不考虑接触变形的力学分析 / 139 4.1.1 灰尘粘附的能量 角度分析 / 140 4.1.2 灰尘在电池板上的宏观 分子受力 / 141 4.2 经典接触力学模型 / 146 4.2.1 基于Hertz接触理论的 粘附接触模型 / 146 4.2.2 DMT接触理论 / 148 4.2.3 JKR接触理论 / 150 4.2.4 Maugis-Dugdale 接触理论 / 153 4.2.5 接触理论总结 / 156 4.3 基于弹簧阻尼的粘附接触模型 / 160 4.3.1 基于JKR接触理论的灰尘 与电池板的粘附模型 / 160 4.3.2 弹簧阻尼模型 / 161 4.3.3 弹簧系数和阻尼 系数的确定 / 163 4.3.4 接触力计算方法 / 164 4.3.5 接触力分析 / 164 4.3.6 多灰尘颗粒粘附 接触模型 / 167 4.4 分形接触模型 / 168 4.4.1 单灰尘颗粒粘附力建模 / 169 4.4.2 多灰尘颗粒粘附力估算 / 171 4.5 灰尘与电池板间的静电作用力 / 172 4.5.1 “镜像”接触静电力 / 173 4.5.2 双电层静电力 / 176 4.6 灰尘颗粒重力及合力作用 / 179 4.7 灰尘颗粒与电池板之间的 毛细作用力 / 183 4.8 灰尘粘附力测量技术 / 184 4.8.1 AFM测量技术 / 185 4.8.2 微机械分离测量技术 / 185 4.8.3 静电测试方法 / 186 4.8.4 离心分离测量技术 / 187 4.8.5 激光分离测量技术 / 188 4.9 本章小结 / 188 第5章 电池板表面灰尘清洁机理 5.1 表面微颗粒物理清除机理 / 192 5.1.1 灰尘颗粒清除方式 / 193 5.1.2 灰尘颗粒清除运动方式 / 193 5.2 高压水射流清洗机理 / 195 5.2.1 扇形喷嘴清洁过程 / 195 5.2.2 水射流清洗力和 能量分析 / 197 5.2.3 水射流清洁效果 / 200 5.2.4 高压气流辅助清洁工艺 / 201 5.3 机械擦除实验研究 / 203 5.3.1 实验材料和装置 / 204 5.3.2 清洁实验分析 / 205 5.4 毛刷清洁作用机理 / 212 5.4.1 刷丝清洁力学建模 / 212 5.4.2 灰尘对刷丝的 作用力分析 / 214 5.4.3 清洁力大小分析 / 223 5.5 柔性梁模型实验验证 / 225 5.5.1 实验装置 / 225 5.5.2 压力实验验证 / 227 5.5.3 清洁实验验证 / 229 5.5.4 积灰条件下组件 效率计算 / 230 5.5.5 实验结果 / 232 5.6 本章小结 / 235 第6章 试剂选用与评估 6.1 表面微颗粒的化学清除机理 / 237 6.2 清洁过程中电池板发电功率 动态变化规律 / 239 6.3 试剂清洁实验 / 241 6.3.1 实验试剂 / 241 6.3.2 太阳能电池板和 高压清洗机 / 242 6.3.3 清洁实验结果 / 243 6.4 实验结果 / 245 6.4.1 实验数据分析 / 245 6.4.2 回复时间和回复率分析 / 247 6.5 试剂清洁对电池板性能的影响 / 248 6.6 试剂残留与清洁方案 / 249 6.6.1 试剂残留影响 / 249 6.6.2 清洁方案 / 251 6.7 本章小结 / 252 第7章 清洁与光伏组件寿命 7.1 中国光伏组件报废预测 / 254 7.2 运行20年以上光伏组件 功率衰减研究 / 256 7.3 光伏组件故障类型 / 257 7.4 光伏组件性能衰减成因 / 259 7.4.1 封装材料老化衰减 / 259 7.4.2 电池光致衰减 / 260 7.4.3 电势诱导衰减 / 261 7.5 清洁对光伏组件寿命的影响 / 264 7.6 本章小结 / 266 参考文献 / 267