一种光伏组件表面的自适应清洁方法及装置与流程

本发明涉及光伏组件运维与表面清洁，特别涉及一种光伏组件表面的自适应清洁方法及装置。

背景技术：

1、光伏组件（包括晶硅光伏组件、薄膜光伏组件、钙钛矿光伏组件或叠层光伏组件）在户外运行过程中，表面容易积聚颗粒物，并可能在降雨、凝露或高湿环境后残留液滴或连续液膜。颗粒物覆盖会降低组件的光学透过率，而表面液态水在外部气流作用下发生破碎后，形成的小尺寸液滴可能进入组件封装间隙或表面缺陷区域，增加钙钛矿功能层发生水分侵入和性能衰减的风险。

2、现有的无水气流清洁设备多采用固定供气压力、固定气流温度和固定移动速度，难以根据光伏组件表面的干态积灰状态和液相残留状态分别调整清洁方式。一方面，在高湿、雨后或凝露工况下，传统高压冷风气流产生的气液界面剪切作用和气动扰动较强，容易使组件表面的残留液滴或局部液膜发生变形、破碎，并形成微米级子液滴或气溶胶。相较于保持完整宏观形态的液滴，所述微米级子液滴具有更强的悬浮性和界面迁移能力，容易在边缘封装缝隙、激光划线区域、局部结构缺陷或封装层间界面处滞留，并在毛细作用和浓度梯度驱动下向组件内部迁移，从而增加钙钛矿吸收层及其界面功能层受到水分侵入的风险。水分侵入可能诱发钙钛矿晶格退化、离子迁移加剧、缺陷态密度增加以及界面能级失配，进而造成载流子非辐射复合增强和光电性能衰减。另一方面，在干态除尘工况下，高速气流、颗粒物与组件表面的摩擦易产生残余静电位，不仅会吸附空气中的悬浮粉尘造成二次污染，还可能对极性水分子产生定向作用，促进水分子在组件表面局部缺陷、边缘区域或污染颗粒周围吸附和聚集，从而增加后续凝露及水分渗透风险。因此，单纯依赖高压气流实现表面吹扫，难以同时兼顾颗粒物去除、残余静电抑制以及液滴形态完整性控制。

3、此外，现有部分大功率清洁设备直接从光伏组件输出端获取高压气泵、加热单元和移动驱动机构所需的工作电能。在清洁设备启动或负载切换过程中，瞬时功率需求可能引起光伏组件直流输出电压和电流发生波动，干扰并网逆变器的最大功率点跟踪过程，严重时还可能造成工作点偏移、最大功率点重新搜索或清洁设备供电不稳定。因此，现有技术还难以兼顾清洁负载供电和光伏发电回路稳定运行。

4、综上，现有技术尚缺少一种能够融合组件表面状态和宏观气象参数进行多工况识别，并在干态积灰工况下实施气流除尘和静电抑制、在液相残留工况下基于液滴破碎临界韦伯数控制液滴形态，同时实现清洁负载与光伏组件发电回路电气解耦的自适应清洁方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光伏组件表面的自适应清洁方法及装置，通过组件状态参数与宏观气象参数识别待机工况、第一清洁工况和第二清洁工况；在第一清洁工况下降低光伏组件表面的残余静电位；在第二清洁工况下基于预先标定的液滴破碎临界韦伯数控制残留液滴所在位置处的气流速度，并协同调节气流温度和平移速度，以降低残留液滴破碎的概率，促进残留液滴整体滑移和至少部分蒸发。

2、本发明的技术方案：一种光伏组件表面的自适应清洁方法，包括如下步骤：

3、s1、获取光伏组件的组件状态参数和宏观气象参数；

4、s2、基于所述组件状态参数和所述宏观气象参数，识别光伏组件表面的当前运行工况，所述当前运行工况包括待机工况、第一清洁工况或第二清洁工况；

5、s3、响应于所述当前运行工况为第一清洁工况，控制非接触式气流输出单元向光伏组件表面输出气流，并控制电荷释放单元向所述气流中释放离子，以降低光伏组件表面的残余静电位；

6、s4、响应于所述当前运行工况为第二清洁工况，控制非接触式气流输出单元输出加热气流，并基于预先标定的液滴破碎临界韦伯数，调节所述加热气流的供气压力和气流温度以及非接触式气流输出单元的平移速度，使作用于残留液滴处的工作韦伯数不大于液滴破碎临界韦伯数，并使光伏组件表面的残留液滴在保持宏观液滴形态的条件下整体滑移，并在滑移过程中至少部分蒸发。

7、上述的光伏组件表面的自适应清洁方法，所述调节加热气流的供气压力和气流温度以及非接触式气流输出单元的平移速度，包括：

8、调节所述供气压力，以调节残留液滴所在位置处的气流速度，使气流与残留液滴之间的相对速度不超过根据液滴破碎临界韦伯数确定的预设速度上限；

9、调节所述气流温度，以向残留液滴提供蒸发所需热量，并使光伏组件的表面温度不高于预设允许温度上限；

10、调节所述平移速度，以控制加热气流在光伏组件单位表面区域的作用时间，使残留液滴获得整体滑移和蒸发所需的作用时间。

11、前述的光伏组件表面的自适应清洁方法，所述工作韦伯数按照下式确定：

12、；

13、其中，为作用于残留液滴处的工作韦伯数，为残留液滴所在位置处的气体密度，为气流与残留液滴之间的相对速度，为残留液滴的等效直径，为残留液滴与周围气体界面的表面张力系数；

14、运行控制时，所述相对速度取残留液滴发生明显滑移前、残留液滴所在位置处的气流速度，所述等效直径取预设液滴尺寸范围内的最大等效直径，所述气体密度取预设气流温度范围内的最大气体密度，所述表面张力系数取预设液滴温度范围内的最小表面张力系数；

15、所述预设速度上限按照下式确定：

16、；

17、其中，为所述预设速度上限，为预先标定的液滴破碎临界韦伯数；

18、根据预先标定的供气表压与残留液滴所在位置处气流速度之间的对应关系调节所述供气表压，使所述相对速度不大于所述预设速度上限，从而使所述工作韦伯数不大于预先标定的液滴破碎临界韦伯数。

19、前述的光伏组件表面的自适应清洁方法，所述液滴破碎临界韦伯数为12，所述残留液滴的等效直径为2～5 mm，运行控制时所述等效直径取5 mm；所述供气表压根据预先标定的供气表压与残留液滴所在位置处气流速度之间的对应关系进行调节，所述气流温度为50～60℃，所述非接触式气流输出单元的平移速度为2.8～3.2 m/min，所述气流输出单元与光伏组件表面的间距为5～10 mm；在所述供气表压、气流温度及间距条件下，残留液滴所在位置处的气流与残留液滴之间的相对速度为9.5～11.8 m/s，并使所述工作韦伯数不大于11.5。

20、前述的光伏组件表面的自适应清洁方法，所述控制电荷释放单元向所述气流中释放离子，以降低光伏组件表面的残余静电位，包括：

21、控制所述电荷释放单元使所述气流输出组件出口处的正、负离子总浓度大于或等于1010ions/cm3，并使光伏组件表面在完成所述第一清洁工况下的单次平移扫掠后的残余静电位小于或等于0.1kv。

22、前述的光伏组件表面的自适应清洁方法，所述组件状态参数包括近表面颗粒物质量浓度和表面湿润度，所述宏观气象参数包括空气相对湿度和降水状态；

23、所述表面湿润度为表面液相状态传感器经干燥表面状态和连续液膜覆盖状态标定后获得的归一化输出值，取值范围为0%～100%；

24、基于所述组件状态参数和宏观气象参数，识别光伏组件表面的当前运行工况，包括：

25、当所述近表面颗粒物质量浓度连续30分钟大于或等于500μg/m3、所述空气相对湿度小于或等于60%、所述表面湿润度小于或等于15%，且未检测到持续液膜状态时，判定当前运行工况为第一清洁工况；

26、当检测到降水结束且所述表面湿润度连续5分钟高于90%，或者光伏组件表面存在持续液膜状态时，判定当前运行工况为第二清洁工况。

27、当不满足所述第一清洁工况和所述第二清洁工况的判定条件时，判定所述当前运行工况为待机工况。

28、前述的光伏组件表面的自适应清洁方法，所述光伏组件为钙钛矿光伏组件或钙钛矿/晶硅叠层光伏组件，所述光伏组件表面固化有水接触角为110°～112°的高透光疏水涂层；

29、所述等效直径为2～5 mm的残留液滴由所述高透光疏水涂层促使残留水膜收缩形成，所述加热气流用于促使所述残留液滴在保持宏观液滴形态的条件下沿光伏组件表面的向下倾斜方向整体滑移，并在滑移过程中至少部分蒸发。

30、前述的光伏组件表面的自适应清洁方法，在所述第二清洁工况下，在所述非接触式气流输出单元平移的过程中，实时获取位于所述非接触式气流输出单元平移方向前方的待处理区域的局部表面湿润度；

31、当连续5秒检测到所述待处理区域的局部表面湿润度小于或等于15%，且未检测到持续液膜状态时，判定当前局域干燥达标，并根据满足上述条件的待处理区域长度缩短或终止所述非接触式气流输出单元的后续平移行程。

32、一种光伏组件表面的自适应清洁装置，包括：环境感知模块，配置为实时采集光伏组件的组件状态参数和宏观气象参数；

33、非接触式清洁执行模块，包括气流输出组件、设置于所述气流输出组件气流通道的电荷释放单元和加热单元；

34、气流参数获取模块，包括供气压力传感器和气流温度传感器，配置为获取所述气流输出组件的供气表压和气流温度，并基于预先标定的供气表压与残留液滴所在位置处气流速度之间的对应关系，确定残留液滴所在位置处的气流速度；

35、移动驱动模块，配置为驱动所述非接触式清洁执行模块沿光伏组件表面平移，并使所述气流输出组件与光伏组件表面保持非接触悬空间隙；

36、控制模块，存储有预先标定的液滴破碎临界韦伯数、预设最大液滴等效直径、气体密度参数、残留液滴与周围气体界面的表面张力系数，以及供气表压与残留液滴所在位置处气流速度之间的对应关系；

37、所述控制模块配置为根据所述组件状态参数和所述宏观气象参数识别待机工况、第一清洁工况或第二清洁工况；响应于所述第一清洁工况，控制所述气流输出组件输出气流并控制所述电荷释放单元释放离子；响应于所述第二清洁工况，根据残留液滴所在位置处的气流速度、预设最大液滴等效直径、气体密度参数和残留液滴与周围气体界面的表面张力系数确定工作韦伯数，调节所述气流输出组件的供气表压，使所述工作韦伯数不大于预先标定的液滴破碎临界韦伯数，并控制所述加热单元的气流温度和所述移动驱动模块的平移速度，使残留液滴保持宏观液滴形态并整体滑移。进一步地，所述装置还包括能源管理模块。所述能源管理模块包括升降压型dc-dc充电模块、储能单元、辅助dc-dc变换模块和电气切换单元。

38、所述升降压型dc-dc充电模块的输入电压为18～40 v，并配置为在待机工况下从光伏组件的输出端以30～50 w的受限充电功率向所述储能单元充电。

39、所述储能单元为额定电压25.6 v、额定容量100 ah的磷酸铁锂电池组。

40、所述辅助dc-dc变换模块的输出电压为12 v或5 v，用于向所述环境感知模块、气流参数获取模块和控制模块供电。所述电气切换单元配置为在执行第一清洁工况或第二清洁工况时，断开清洁负载与光伏组件输出端之间的直接供电路径，并通过所述储能单元向所述非接触式清洁执行模块和所述移动驱动模块供电。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

42、1、本发明通过融合光伏组件的组件状态参数和宏观气象参数，构建待机工况、第一清洁工况和第二清洁工况的自适应识别机制，使清洁装置能够根据干态积灰状态、液相残留状态及无需清洁状态切换对应的运行策略。针对高湿、雨后或凝露形成的液相残留工况，本发明以预先标定的液滴破碎临界韦伯数为控制依据，根据残留液滴的最大等效直径、气体密度和残留液滴与周围气体界面的张力系数确定允许的气流相对速度上限，并通过调节供气表压，使作用于残留液滴处的工作韦伯数不大于所述液滴破碎临界韦伯数；同时，通过调节气流温度向残留液滴提供蒸发所需热量，并通过调节非接触式气流输出单元的平移速度控制单位表面区域的气流作用时间。上述多参数协同控制能够使残留液滴在保持宏观液滴形态的条件下沿组件倾斜方向整体滑移，并在滑移过程中至少部分蒸发，从物理机理上降低高压气流剪切导致液滴破碎并形成微米级子液滴或气溶胶的概率，进而降低水分在组件边缘封装缝隙、划线区域、局部结构缺陷或层间界面处滞留和迁移的风险，抑制钙钛矿吸收层及其界面功能层因水分侵入而发生的晶格退化、离子迁移加剧、缺陷态增加和界面劣化。

43、2、本发明在第一清洁工况下，将电荷释放单元设置于气流输出组件的气流通道中，使正、负离子随非接触式清洁气流共同输送至光伏组件表面。通过使气流输出组件出口处的正、负离子总浓度达到预设浓度，并使光伏组件表面在完成单次平移扫掠后的残余静电位降低至0.1 kv以下，能够降低风沙摩擦、颗粒碰撞以及气流冲刷产生的残余静电场。残余静电位的降低不仅能够减弱组件表面对带电悬浮颗粒物的静电吸附作用，降低清洁后的二次积灰概率，还能够减弱静电场对极性水分子的定向作用，降低水分子在颗粒物周围、边缘封装区域及局部缺陷位置吸附和聚集的概率，从而延缓后续凝露和水分侵入过程，延长组件的有效清洁间隔。

44、3、本发明通过能源管理模块实现了清洁负载与光伏组件发电回路相互分离的供电架构。在待机工况下，升降压型dc-dc充电模块从光伏组件输出端以30～50 w的受限功率向储能单元充电，使储能过程中的取电功率保持在预设范围内；在执行第一清洁工况或第二清洁工况时，电气切换单元断开清洁负载与光伏组件输出端之间的直接供电路径，并由储能单元向气流输出组件、加热单元和移动驱动模块提供清洁作业所需电能。该“受限功率充电—储能缓冲—作业独立供电”的能源管理方式能够降低高压气泵、加热单元和移动驱动模块启停或负载变化引起的瞬时功率波动向光伏发电回路传递的程度，减少清洁负载对并网逆变器最大功率点跟踪过程的扰动，并提高装置在低辐照或无即时组件输出条件下完成清洁任务的供电连续性。

45、4、本发明将高透光疏水涂层与基于局部表面湿润度反馈的行程调节机制相结合，形成液滴形态调控与按需干燥的协同作用。水接触角为110°～112°的高透光疏水涂层能够促使组件表面的残留水膜收缩形成等效直径为2～5 mm的宏观液滴，降低连续水膜大面积铺展及在局部缺陷处长时间滞留的概率，并为基于液滴破碎临界韦伯数的气流控制提供相对稳定的液滴尺寸范围。在第二清洁工况下，表面液相状态传感器实时获取非接触式气流输出单元平移方向前方待处理区域的局部表面湿润度；当连续5秒检测到局部表面湿润度小于或等于15%，且未检测到持续液膜状态时，控制模块根据满足上述条件的待处理区域长度缩短或终止后续平移行程。该控制方式能够避免对已达到干燥条件的区域继续进行重复加热和气流吹扫，减少无效运行能耗及组件表面不必要的热作用，同时提高有限储能条件下的清洁效率和路径控制精度。