■《光能》/ 总编 / 曹宇
第一部分：运维与质量篇
正如所有的产品一样，光伏电站在长达 25 年的寿命周期中，组件效率、电器元件性能会逐步降低，发电量随之逐年递减，除去这些自然老化的因素之外，还有组件、逆变器质量问题，线路布局、灰尘、串并联损失、线缆损失等多种因素。
在一份较为常见的光伏电站财务模型中，系统发电量三年递减约 5%，20 年后发电量递减到 80%。投资电站，如同保险、理财业务一般，需要是个精算行业，但一份鉴衡出具的报告显示：“通过对 425 个电站的测试，发现光伏组件主要存在热斑、隐裂和功率衰减等质量问题，像功率衰减，我们去年现场测试的 11 个大型地面电站运行一年期左右的组件中，在考虑了设备不确定度后发现，51% 的组件衰减在 5%-10% 之间，其中约 30% 的组件功率衰减超过 10%，8% 的衰减超过 20%。” 北京鉴衡认证中心主任秦海岩表示，“我们曾对甘肃某 10MW 项目做过抽检，219 块抽检组件，功率明显衰减的组件有 127 块，占抽样比例的 58%。” 这意味着厂商普遍承诺的 25 年衰减 20% 的质保在运行第一年就衰减严重或者已达到承诺底线。
出来 “混”，迟早是要还的。之前中国的光伏市场混乱不堪，业主方一方面压低组件价格，另一方面也压着货款，组件厂商把劣质的组件留给国人，造成现在两难局面，到底是谁糊弄了谁？
据《光能》调查，2012-2013 年间大量的 B 级甚至 C 级电池流入市场，组件的问题主要来自电池隐裂和劣质背板以及密封性能不达标的硅胶等几个方面。这样的质量，什么样的精算能够算出来？我们还认为是银行和私募胆小怕事？
诚然，并不是所有电站都是如此，鉴衡所说的 10MW 项目只是特例，而且从目前地面光伏电站的规模越来越大的趋势来看，10MW 如果不是几年前的电站就是小企业的投资行为。笔者也相信未来的电站质量随着业主方对质量和整体发电量的关注，电站质量会回归正轨。如果说组件质量问题是短期集中爆发的行为，相比之下，电站的监控、运维反而更是需要科学和持续的管理体系，才能保证电站在正常衰减外的平稳运行。
灰尘遮挡：机器人、清洗车和农妇之间的三国杀
在影响光伏电站整体发电能力的各种因素中，灰尘是第一大杀手，也是最容易通过运维解决的。
我国的地面光伏电站主要集中在西北地区，这些地区太阳能资源十分丰富，都属于太阳能辐照一类地区，全年日照时数 3200 小时以上。但自然环境恶劣，春秋季节沙尘暴天气严重影响光伏系统发电，夏季暴晒、冬季极寒不利于人工野外运维工作，并且光伏电站建设区域远离城市与乡村，光伏现场除主要技术人员与值班责任人外，劳动工人匮乏，工人职业素养偏低难以保障光伏电站运维需求。
灰尘对组件的影响有多大？每个国家均不相同。日本一家研究机构的数据显示：德国、日本环境较好地区，灰尘影响 5% 以下，而中、美、印三国尤其是中国大规模安装光伏电站地区灰尘对组件的影响会超过 25%。在实际测量中，个别缺乏维护手段的电站，电站发电量损失竟然超过 40%。
灰尘对光伏电站的影响主要有：通过遮蔽达到组件的光线，从而影响发电量；影响散热，从而影响转换效率；具备酸碱特性的灰尘沉积在组件表面，长时间侵蚀后板面粗糙不平，有利灰尘进一步积聚，同时增加了阳光漫反射。
组件表面灰尘主要有四种形态：松散型、点片形、沟渠条状和盐碱渍。未吸收水分与雨水的，形态平整、松散，粘着力小，便于清除；吸收水分后，有可能形成较坚硬外壳，较难清除甚至形成盐碱渍。
灰尘对光伏电站的在一天的各个时段也有所不同，早晚发电量差别最大，中午最小，这是因为清洁后，组件的弱光响应能力大大增强，早晚光线较弱时能大幅度提高发电量；接近中午时，辐照度高，已经接近组件最大输出功率，提高的发电率低，但提高的发电量高。
实际上不止西北，北京以及天津河北等地污染严重，受雾霾困扰的同时，灰尘问题也十分严重。在《光能》走访的天津和河北的项目中，其中平铺的光伏组件两周如果不清洁一次，发电量将大大降低。
那么，究竟光伏组件应该如何清洁呢？
早在 2008 年以前，笔者去德国 Intersolar 参展时，看德国厂家展出的机器人清洁装置，当时腹诽德国这样的环境是否有必要为灰尘问题破费？依靠雨水的自清洁即可。而中国五省却恰恰也是降水量最低的几个省份。在国内最早提出这个问题的专家是王斯成老师，在 2010 年年初，中国第一批光伏电站运行了一段时间之后出现这个问题。在同年的德国展上，笔者跟他攀谈时又聊起电站沙尘的问题，他很兴奋的说起国人的智慧：“10MW 的电站，找 3 个农妇，一个月 1500 元工资，一年能擦 3-4 遍。” 时至今日，光伏电站规模越做越大，动辄 50MW 以上，龙羊峡光伏电站甚至达到了 320MW 的装机规模。同时在这些地广人稀的地方，是否方便找到合适的劳动力？
目前业内兴起的智能化清洗车，正在挑战 “农妇” 和 “瓦力” 们的地位。有些电站用洒水车的高压水枪清洁，暂且归为人工一类。
在比较这些方式孰优孰劣之前，我们应该判断一个好的运维方式应该具备的特点：
首要的是安全问题：仅 40MW 项目就占地 1 平方公里，清洁运维的面积广、强度大，操作人员人身安全是首要考虑的问题；
响应速度快：遇到沙尘暴天气，需快速完成清洁工作，否则将大大降低发电量；
工作效率高：一般情况下，每天应能清洁 3MW 以上；
全天候工作：可夜间工作，可在冬季寒冷条件下工作；
成本低、节约水：从除垢原理来看，达到好的清洁效果必须用水，如何能用少量的水实现清洁？
操作简单：即使采用自动化设备，也必须容易操作，快速上手；
清洁设备对组件安全的影响：目前电池片厚度从原来的 400 微米降低到 180 微米，还可能继续降低到 160 微米，承受压力能力越来越弱，极易引起隐裂，降低发电效率。清洁设备对组件的冲击压力必须控制在一定范围内。
魏宇平，重庆太初新能源有限公司总经理，运维界资深人士。目前重庆太初在运维界做得风生水起，在国电集团、中广核、大唐、中节能、华电新能源、三峡新能源等多家光伏电站都有测试或产品合作，我们请他结合他们走访和服务的多家电站，来谈谈这几种技术路线的优劣。
首先来评定手动清洗。手动清洗目前是地面电站采用较多的除尘方式，我们主要比较洒水车配高压水枪和人工擦洗两种方式。
魏宇平认为，首先要淘汰洒水车模式。虽然他有清洁效率高、初始投资成本较低、响应速度快的优点，每天能冲洗 2-3MW，但劣势也相当突出：洒水车通过高压水炮冲洗组件，对组件的冲击压力非常大，极易引起组件隐裂，早期投运的部分电站在分析组件衰减过快问题时已经发现洒水车冲击问题；耗水量巨大，清洗一次 10MW 晶硅组件的光伏电站耗水 100-150 吨地下水；虽然夜间可工作，但冬季条件下滴水成冰，在室外操作高压水炮强度太大，基本无人愿意工作；洒水车仅能除尘、无法除垢，王斯成老师 4 月份在青海进行测试发现，洒水车冲洗后再进行擦拭除垢，仍能提高 4% 发电量。
早期人工清洁类似于擦玻璃：喷少量水、用刮子从上往下刮一遍，这种成本低、节约水，清洗一次 10MW 电站耗水 10T；后期的人工清洁模式发生变化，还是几个人工，但是配套了 1-2T 的小拖车运水，跟擦玻璃类似，但是喷水量已经大大提高，清洗一次 10MW 电站耗水 30-50T，但西北地区地广人稀，这种模式的成本现在越来越高，而且还在上涨。
人工模式劣势比较突出：效率太低、恶劣天气下响应速度极慢；“人工清洗周期大约在 70 工作日 / 10MW。” 魏宇平说，“往往这边还没清洗完，那边就已经又脏了。” 且夜间、冬季均无法工作；清洗的一致性差，容易产生热斑。
但人工模式符合除尘除垢原理，清洁后的效果还是比较好，可以作为一种补充，在夏秋季节的白天可以工作。
在比较下国外常用的清洗设备优劣之前，先对比一下国内外光伏电站集中区域环境特点：
欧洲：场地平整并被压实、组件阵列排列整齐，空气质量好、有灰尘但极少有盐碱垢、气候较好温差不大；
中国：场地依地势而建基本不做处理、组件陈列存在高低落差、冬春季节沙尘暴严重、大部分地区有盐碱垢、气候恶劣昼夜温差大。
再看一下欧洲设备的几种类型（从目前资料来看，大型清洗设备主要是欧洲制造，日本做的以机器人为主，基本不适合地面电站）：
（1）大型重载车辆为底盘 + 高压水枪；
（2）大型重载车辆为底盘 + 辊刷；
（3）依附于组件阵列的轨道式。
这几种类型适合我们的国情吗？逐项分析一下：
（1）仅用高压水冲洗的，类似于我们的大吨位洒水车 + 高压水炮模式，不符合除垢原理，都可以否定 —— 既耗水又无法除垢，不适用。
（2）因辊刷与组件表面接触，必须考虑安全问题。地面不平整引发车辆晃动时、组件阵列有落差时，辊刷如何快速调整保证安全距离、不压坏组件？辊刷旋转时动量太大，刷丝对组件侧面拍打的压力是否会造成隐裂隐患？液压动力是否适合西北地区昼夜温差大的实际情况，能否冬季工作？
之前国内一家运维意识比较强的企业采购了这种模式的国外设备，但很快遇到了问题：液压动力出问题维修复杂导致停工，在遇到组件阵列有落差时需通过人工调节方式跨越而非自动化调节造成效率降低并且多次砸坏组件，中国代理商处没有研发技术力量，遇到技术支持是无法得到最及时的服务。“这家企业后来把预定的两台设备都紧急取消了。” 魏宇平说。
（3）轨道式的问题：组件阵列之间有落差如何跨越？取电问题？供水问题？安装轨道的高额成本问题？以色列推出了一款产品，不用水、自带光伏板自发电，但他无法解决组件阵列之间跨越的问题，每个阵列都需要安装专用轨道，成本不菲，夜间无法取电无法工作。
国内曾有研究机构在新疆某项目试用过该模式，因无法解决供水问题采用干刷模式，清洁效果极差，轨道安装成本极高，不具备推广价值，仅能作为科研项目。
国外设备水土不服的情况并不少见。从几年前的组件生产设备尺寸不一致到现在行业热议的背板标准问题，再到现在的清洗车。对此魏宇平说：“其实这种设备还是可以改进的。只是涉及非常复杂的自动化控制，成本也会大幅上升。”
太初针对这些问题做了创新：
自适应控制技术
利用进口高精度传感器、PLC、伺服电机系统实现全自动操作，操作人员仅需选择左 / 右操作臂、自动开启 / 自动收回即可，组件阵列有落差、地面不平整引起车辆晃动时，自适应控制系统能快速调整清洁刷臂高度与角度，保证设备安全稳定运行。
自适应驾驶技术
增加减速机构，自主研发设计独立履带轮，增强系统的道路适应性，提高平稳度。操作人员仅需调到特设档位，即可超低怠速工作。
圆盘刷技术
太初经过仔细的市场调研与技术比对后发现：辊刷长度达 4 米以上难以保证同轴，自身重量与体积都较大，工作过程中仅六分之一刷丝与电池板接触，容易挠动拍打电池板进而损坏内部电池片，控制难度较大。经过大量试验论证最终太初设计制造了一款有自主知识产权的圆盘刷，工作过程中采用现代传感器技术，保障刷丝与电池板面相切合但又不会过度压迫电池板，既能对电池板面的灰尘积垢有效清除又便于机械与自动化控制实现，提升设备安全性。
全电动技术方案
现场调研后，放弃了液压动力方案，采用全电控控制，既保证了控制精度，也避免温差问题影响设备工作。
对照前面运维特点分析来看，太初的设备解决了几个问题：
仅需一个操作工人，节省了人工。
可夜间、冬季工作，响应速度快，工作效率高，正常情况一天清洗 3MW 以上，在道路条件更好、使用更熟练、夜间加班情况下，可大幅提高清洗效率；
耗水低：在首次进行除垢时耗水 3T/MW，以后定期保洁除尘，耗水量仅 2.2-2.5T/MW。
操作简单：自适应控制技术让操作人员不需要顾虑地面不平整、组件阵列有落差问题；自适应驾驶技术降低了操作人员工作强度，仅需调到专用档位即可实现超低怠速行驶；
独立盘刷模式降低操作臂质量、控制难度随之降低，通过高精度传感器、PLC 控制系统快速调整刷毛与组件间的距离，既能达到清洁效果又保证安全距离；进口伺服电机系统保证调节速度与精度，快速的调整操作臂高度与倾角。
魏宇平也对光伏电站的设计提出了自己的建议：“光伏电站组件阵列建设国家已经有出台了相关标准，业主应要求施工方严格按标准执行。我国的光伏电站建设标准要求组件阵列下沿与地面应保持 30cm 以上距离；另外施工结束前在不进行大规模地形改造的基础上，尽量保证每排光伏阵列前三米范围内地面平整，以满足正常维护通道的需要，随着社会与行业的发展进步，自动化代替人工清洁运维也将是必然的趋势。”
再来对比这几种运维方式的经济性，首先对比下费用。
以 50MW 的电站为例：
目前西北地区人工和喷枪清洗费用大约为 1500 元 / MW，按一年清洗 6 次计算：1500506=45 万，目前市场也有压价到 1100 左右的，但个别风沙大的地区，有数据表明 60MW 的组件年清洁费近百万元。
清洗车的费用需要一个详细的清单，人工、水费、柴油、汽油、养护、配件等总计约 25.4 万 / 年，其中还要算上清洗车的费用，80 万左右。
客户对待清洗车的态度很有意思。“很多客户不愿意投入 80 万的车辆费用，所以我们也在推行新的商业模式，直接给客户做清洗。” 魏宇平说，“但有个客户 40MW 的电站希望我们连续清洗，一年 20 次，自己算了下要投入 120 万清洁费用，而自己进行清洁一年成本也不超过 40 万，算了一下，买车后一年收回成本。” 这家开始不想多花钱的客户在算了经济账后还是选择了购买清洗车。
再来算算经济效益。
以上文的甘肃酒泉金塔项目为例，夏季清洁后提高 8% 左右的发电量。
在人工无法作业的冬季，发电量提升最大可以达到 30% 以上，清洁后连续 15 天的平均提高发电率在 20% 左右。
通过提高发电量的对比分析，我们得出冬季清洁的必要性。魏宇平说：“在与其他模式对比时，在夏秋季节提高发电量我们设备仅高出 3-4% 个点，但冬季我们设备可提高 20% 以上，这是其他清洁模式无法实现的功能。”
假设全年提高发电率 8%，有效利用小时数：一类地区按 1500 小时计算，电站规模 50 兆瓦，电价按一类地区的 0.9 元计算。
经过近年国内外光伏电站清洁运维的研究成果与实际经验，普遍认为光伏电站的清洁运维工作难以量化。但是光伏电站清洁运维的效益产出是即清即得，各光伏电站管理者应根据自己光伏电站实际情况与维护成本之间的平衡关系选择合理的清洁频率。实际上只要清洁后的产出大于清洁投入的前提下任何时候清洁都是可行的。在清洗频率方面，公认的发展方向会是：定期清洁向状态清洁的转变。现阶段国内大多采用的是一个月为周期进行清洁，遇到沙尘暴等恶劣天气临时增加清洁工作，在 6-9 四个月通过少量降雨自清洁。
状态清洁：通过历史数据设定参考值，综合天气预测参数、组件衰减监测数据、实际天气状况、提高发电量变化曲线做出判断，是否进行清洁。
“我们也在自主研发的光伏电站监控系统平台上增加状态清洁功能模块。” 魏宇平说，“但现在组件衰减数据监测不准确，对结果判断影响较大，需要一个较长期的历史数据积累。”
关于分布式项目
未来分布式的清洁趋势肯定是自动化设备为主流，尤其是针对大型屋顶项目。
目前除人工清洗外，已有的自动化方案主要是机器人清洗，但造价昂贵，能否实现产业化有待进一步观察。
屋顶项目布局千差万别，与地面电站有很大的不同：
屋顶光伏阵列布局与屋顶面积、其他设备占地有关；
安装方式上有平铺的，有带倾角的；
阵列之间间隙大小不一致，类似平铺的，中间只有很小的检修用间隙。
人工除尘方法仍然具备一定的生命力，尤其是以屋顶为主的分布式光伏，目前基本都是采用人工清洁方式。但行业仍然期待着新的针对分布式的除尘模式的诞生。据国内一家知名逆变器企业高管透露，国内已经出现多起运维不当造成的安全事故，尤其是屋顶分布式，除电击外，还有坠楼危险。
最后我们讨论下南方环境较好，雨水丰沛的地区用雨水清洁是否可行？可以说雨量充沛、灰尘较少的地区是可行的，只是要注意灰尘中的盐碱成分溶于水后会更紧密的附着在光伏组件表面。简而言之：尘好去，垢难除。
