2.2.2 各类机械化清洁车
人工清洁需要大量的人力资源，同时工作量繁重，清洁时间长。采用车辆、高压设备或其他自动清洁设备相结合的方式，对光伏电站进行清洁，不仅节省人力，也能提高清洁维护的效率。当前工人驾驶清洁车是光伏电站清洁维护的主要手段。
1. 射流式清洁车
与人工射流清洗类似，很容易联想到用洒水车将水运送到电站内部需要清洁的位置，然后利用搭载的高压清洗机对光伏组件进行清洗。一般清洁车采用带挂车的拖拉机车型，挂车可以分为带空压机和带水罐的挂车。图2.8所示为带水罐的射流清洁车［2］。
清洁车包括储水罐、水泵和摇臂，摇臂上设有喷头，操作人员在车内控制摇臂的动作、水泵和喷头的开关，对光伏组件进行清洁[60]。这种车辆通常要两个人配合，一个人驾驶，一个人在车上操作摇臂和水泵，实现清洁维护。为了实现大面积的清洁，喷头一般采用并排式布局方式，而且喷嘴一般选择扇形喷嘴（也可选择圆柱形），其基本结构如图2.9所示[62]。喷嘴的个数可以根据光伏阵列的宽度来设计。这种人工控制方式的优点在于，操作人员可根据实际情况实时调控喷淋系统的高度，调整车辆速度和射流的强度、水量等，清洁效率较高。其缺点在于，操作人员体力消耗较大，而且冬天寒冷，操作人员很辛苦。目前这种清洁方式在青海格尔木和共和地区使用很广泛。
图2.8 带水罐的射流清洁车
图2.9 进水管及喷头布局结构
为了进一步提高工作效率，降低人力成本，提高操作人员的工作舒适度，对大型工程车辆进行改装，驾驶员调控与自动检测装置配合，实现光伏阵列的半自动化清洁维护。改造方法一般为，大型工程车辆搭载高压清洗机、水罐及改造的喷淋系统，对光伏组件进行清洗，如图2.10所示。这种方式与上述的人工调控清洁车最大的区别在于摇臂。工程车辆的液压或气动摇臂经过改造，在喷淋系统的前端安装有距离传感器，可以实现摇臂的自动提升和降低。自动调控摇臂清洗车大大降低了操作人员的工作量和劳动强度（严格来说操作人员就是司机，或者副驾驶上专门设置操作人员）。其用水量和车辆行驶速度，一方面根据操作人员的经验，另一方面也可以根据传感器反馈信号来调整。其缺点是，由于传感器的不稳定和信号延迟等原因，对地面形貌复杂情况的处理较为困难，容易造成喷淋系统对光伏阵列的破坏，甚至破坏支架系统。
图2.10 自动调控摇臂清洁车
无论是人工调控还是自动调控的清洁车，其用水量依然很大，本质上得不到改善，甚至比人工持水枪的方式更浪费水资源。而且喷淋面积大，更容易影响支架系统。对于跟踪式系统，对传动部件也会造成影响，尤其在喷淋过程中加入清洁试剂时，更容易造成传动部件的腐蚀或失效。但这种射流式清洁车是当前在光伏电站应用最为广泛、最为有效的清洁手段，尤其是人工调控清洁车。
2. 机械擦除与水流结合的清洁车
纯水流式清洗是比较有效的清洁方式，但浪费大量水资源，这对高海拔荒漠环境是很大挑战。纯机械式擦除很难清洁粘在电池板表面的污垢或鸟粪等。为了克服纯水射流的弊端，节约水资源，辊刷与水流相结合的方式成为光伏清洁的另一个趋势。
这类清洁车，也是基于工程车辆改造的，主体设备包括行走系统、动力系统、液压系统、遥控系统、机械臂系统、清洁辊刷六大系统。图2.11所示为北京安必信能源设备有限公司开发的一款光伏系统清洁车。从图中可以看到，巨大的清洁辊刷在机械臂的操控下对光伏组件表面进行清扫。辊刷干燥清洁的效果有限，需要有水的辅助，一般水起到润湿辊刷的作用，从而增大摩擦力，清洁效果较好。国内很多光伏电站和清洁公司都开发了与此类似的清洁车。
早在2011年，内蒙古神舟光伏电力有限公司与诺迈新能源科技有限公司研制了一种光伏组件清洁车，如图2.12所示[63]。该清洁车包括车身、水箱、辊刷、水管喷头等。车身上安装有罐式水箱，水箱接出粗细两排水管，先使用粗水管对待清洗的太阳能电池板进行清洗，再使用长形辊刷对电池板表面进行刷洗，最后使用细水管对太阳能电池板进行清洗。该款车型在2013年被应用到中国电力投资集团黄河水电公司格尔木200MW并网光伏电站作业，该设备从国外引进，单人操作，配备一名供水人员，每天清洗4～4.5MW的电池板，效率是人工水枪冲洗的一倍以上[55]。该清洁车的［3］清洁效果较好，但依然需要大量的水和液态清洁剂来辅助作业[63]。清洁车前端的铲斗有整理地面的作用，适合运作于地面不平的戈壁。
图2.11 北京安必信能源设备有限公司开发的光伏系统清洁车
图2.12 内蒙古神舟光伏电力有限公司与其他公司合作开发的光伏组件清洁车
上述两种辊刷式清洁车清洁过程中必须定期更换辊刷，否则沾满污垢的辊刷不仅起不到清洁效果，还会带来二次污染。辊刷的结构一般由辊轴、辊套、刷丝、出水孔和驱动电机等组成，其基本结构如图2.13所示。辊轴在电机带动下转动，与电池板产生摩擦力，从而去除其表面灰尘。辊轴中间为空心，可以通入清洁水，通过出水孔来润湿刷丝，可以增加刷丝与电池板之间的摩擦力。而实际使用中，辊轴不带出水孔，由另外的水管在高压泵带动下先射流润湿电池板，再由辊刷清洁污垢。清洁效果的关键取决于两个因素，一是射流水的冲刷，二是刷丝的机械擦除作用。图2.12所示的清洁车，其高压射流水量很大，这是保证其清洁效果的关键。辊刷的擦拭，主要看刷丝的材质，以及辊轴转动的速度等因素。刷丝材质有很多，可以直接用海绵做成圆筒状，表面有一定纹路增强摩擦力。采用EVA发泡材料和尼龙丝，如图2.14所示。刷丝也有用棉布条的，或者是几种材料混合在一起。刷丝附着上水，质量很大，由辊轴带动。
图2.13 辊刷的基本结构
图2.14 刷丝的材质
搭载盘式清洁刷对组件进行清洁也是常见的清洁方式。盘式清洁刷是将刷丝扎制于圆盘形基座上，通过高速转动将灰尘带起，最常见于城市路面清扫车，也被用在光伏组件表面的清洁，如图2.15所示。相较于辊刷，盘式清洁刷由于中间有间隙，会造成清洁效果一致性差。2.3.2节介绍的光伏阵列表面爬行机器人，使用盘式刷与条形刷相结合，则可部分保证清洁效果。另外，兰州理工大学也开发了一种皮带刷与带吸尘效果的除尘刷，但由于皮带震动导致压缩量波动，影响除尘效率[64]。
图2.15 搭载盘式清洁刷的清洁车
从图2.11和图2.12可以看出，这两种清洁车不约而同地采用了履带移动，这主要是为了适应沙漠地区地面的复杂情况，甚至还加了铲斗对地面进行平整。而图2-10所示的射流清洁车则采用轮式的，这是因为可以加长水管长度或前端摇臂的长度来适应稍远的阵列。机械擦除需要与电池板接触，限于机械臂的长度，需要清洁车进入到阵列中间去，这就受到光伏阵列横向和纵向间距的限制。车辆尺寸必须能够在阵列之间穿行，尽管有些辊刷可以通过传感器感知与电池板的力度，但由于地面不平会导致阵列表面清洁效果不一致，甚至出现意外状况，如辊刷对电池板造成损伤（即使不损伤，也容易造成光伏组件表面的隐裂伤害），甚至损伤支架。
这类清洁车集机械擦除和水射流的双重功能，固然能够提供更好的清洁效果。但辊刷在清洁过程中不断吸附灰尘，与水混合后会导致二次污染电池板，影响后面的清洁效果，因此必须及时更新干净辊刷，保证整个清洁过程的清洁效果。而更换辊刷需要人工更换，难度很大。因为为了适应电池板阵列的宽度，辊刷长度需要达4～8m，甚至更长，附着水分的辊刷质量约40～150kg，若是用钢材制造则质量更大，更换一次需要很长时间，而且辊刷成本较高，清洗起来也较困难。总体上说，这类清洁机构的智能化程度较低，无法自动感知环境和光伏组件上灰尘的覆盖程度，且体积较为庞大，作业时不够灵活。
水在光伏阵列清洁中有着不可替代的作用，但也影响着清洁成本和效果。在保证高效清洁的条件下，如何减少水资源消耗，提高清洁机构的智能化水平成为光伏阵列清洁的方向和研究热点。普遍做法有两种，一是通过提升硬件和软件条件，达到减少用水量的目的；二是改善清洁效果，延长清洁周期。但从根本上解决问题就是改善射流清洁工艺，通过干式清洁方式达到射流清洁效果。
3. 干式清洁车
射流冲洗、“机械擦除+射流”无疑在清洁效果和清洁效率方面是卓有成效的。尤其射流方式是当前光伏阵列的主要清洁方式，但严重的水资源消耗，以及高海拔荒漠地区严重缺水的现状，使得这种方式不具备可持续性。“机械擦除+射流”的弊端在于消耗大量水资源和易产生二次污染。针对这些弊端，“机械擦除+气流”或“射流+气流”的工艺方式被考虑。
利用高压气流对太阳能电池板阵列进行除尘的想法很早就被提出，但是由于纯气流清除灰尘的效果不好而被搁置。后改进为先用机械擦除灰尘，再利用气流清除浮尘的方式，达到光伏阵列组件的清洁要求，这种方式一方面避免了水资源消耗，也能一定程度上解决灰尘附着辊刷导致二次污染的问题。
青岛昱臣智能机器人有限公司在2014年第八届国际光伏联盟CEO高峰论坛上展出了一款智能化无水光伏电站清洁车，如图2.16所示。该清洁车由底盘及行走机构、多自由度液压机器臂、清洁末端执行器系统等部分组成，实现了无水清洁、高度自动化等特色功能。采用独特的增压发动机，可在温度-30℃～50℃、海拔3 500m以下的环境中正常工作，并具有冷启动装置；通过多种传感器及控制器的配合，实时检测并调整清洁功能部件的位置和姿态，能够适应颠簸不平的路面和参差不齐的光伏面板，响应速度快，动作平稳[65]；采用履带式行走，行走性能稳定、可靠，可连续工作8小时以上，正常清洁效率约8 000m2 / h，行走速度为4～7km / h。其最大的特点是实现无水清洁，无二次扬尘污染，清洁效果佳［4］。
图2.16 智能化无水光伏电站清洁车
针对高海拔荒漠地区节水需求，赵波等人开发了一种移动式光伏板积灰干式清洁车，主要包括牵引载车、干式清洗摆头、液压机械臂及其调节机构、光伏板防护机构等部件，其实物图如图2.17所示[66]。牵引载车采用大功率装载机，自带液压系统，并安装液压机械臂。牵引载车宽度小于3m，可在光伏阵列间自由行进，可根据电站地面情况来选择采用履带或轮式结构。干式清洗摆头的清洗对象包括硬垢、浮尘和积雪。液压机械臂可实现多自由度操作，依据光伏板的高度、倾角等参数自由调整清洗摆头。光伏板防护机构用于防止干式清洗摆头刮蹭组件表面，其底部与组件表面安全距离为20～25cm。根据牵引载车的尺寸，要求光伏电站地面基本平整，适合泥土、碎砾石等低级路面，无须修筑专用车道，光伏阵列间距为4.5m以上[66]。
图2.17 移动式光伏板积灰干式清洁车
干式清洗摆头采用旋转辊刷和真空吸尘组合清洁技术，其结构如图2.18所示。由液压马达驱动干式清洗摆头内的转轴旋转，摩擦清洗光伏组件上的硬垢、浮灰和积雪，细小颗粒无扬尘随着真空吸尘口在气压差作用下回收，经真空吸尘管道输送到除尘设备过滤分离，防止二次污染已清洁的光伏组件。干式清洗摆头具备积灰干式清洗和二次扬尘回收功能。同时，在摆头外罩底侧安装了3组测距探头，实时检测摆头与光伏组件表面的间距，以防止光伏组件表面刮擦现象。该清洁车在吉林省西部某光伏电站进行测试，测试效果良好[66]。
图2.18 干式清洁摆头的结构
上面介绍的两种无水清洁车，均是采用“机械擦除+气流”方式来实现光伏组件的清洁。从实际应用情况来看，这种方式依然处于测试阶段，没有形成大规模的实际应用。之所以没有广泛被应用，主要是清洁效果不理想，同时接触式擦拭容易对光伏组件造成隐裂或损伤。当然，成本也是一个问题，尽管节约了水资源，但改造工程车辆，尤其带有机械臂和履带的工程车辆成本很高，一般都在30万元以上，甚至达到100万元左右。