经过一个 光伏建筑一体化（BIPV）屋顶 安装完毕后，最容易被忽视的运维工作之一就是清洁。
设计经过审查，施工经过检查，并网连接经过测试。但清洁工作往往受到的关注要少得多。当业主注意到发电量下降时，土壤损失可能已经累积了一整年。
本指南回答了三个关键问题：如果不进行清洁，会损失多少发电量？ BIPV 屋顶应该多久清洁一次？怎样才能在不损坏系统的情况下进行清洁呢？
忽视清洁的代价：弄脏会损失多少能量？
气候决定土壤损失的规模
土壤损失不是固定的。它们取决于当地降雨量、空气中灰尘浓度、组件倾斜角度、风速和其他环境条件。
| 气候带 | 年土壤流失量 | 主要特点 |
| 气候清洁，降雨频繁 | 1%–2% | 降雨提供了大量的自然清洁 |
| 美国东北部和中西部 | 2%–4% | 季节性污染，冬季有雪 |
| 美国西南部 | 4%–10% | 干旱条件和有限的降雨量 |
| 加州中部农业区 | 6%–12% | 农业粉尘与干燥条件相结合 |
| 印度干旱地区，包括拉贾斯坦邦 | 8%–15% | 旱季可持续长达九个月 |
| 中东 | 12%–25% | 沙尘暴频繁，降雨量非常有限 |
| 与撒哈拉沙漠接壤的半干旱地区 | 15%–30% | 极端污染条件 |
相同的光伏组件在德国和沙特阿拉伯可能会经历截然不同的年度污染损失。差异可能超过十倍。 清洁策略不应在各个市场上统一应用。它们需要根据当地的气候和场地条件进行定制。
污垢如何影响光伏性能
污垢通过三种主要机制影响发电。
第一：减少光透射。 灰尘颗粒吸收并反射入射的阳光，减少到达太阳能电池的光量并降低功率输出。
第二：随着污垢的积累，非线性性能下降。 当污垢密度达到一定水平时，对性能的影响会变得更加严重。根据报告的污染密度为 20 g/m²，短路电流可能会下降 15%–21%，而效率可能会下降 15%–35%，具体取决于测试条件和沉积材料的特性。
第三：脏污不均匀造成的局部热点。 当模块的某些区域积聚的污垢明显多于其他区域时，可能会出现部分阴影。阴影电池可能会消耗功率而不是产生功率，从而产生局部热点，加速材料老化并可能损坏模块。
简单的成本效益分析
考虑一个 1 MW 商业和工业 BIPV 屋顶系统，假设年发电量为 1,200 MWh，电价为 0.15 美元/kWh。
- 年电力收入：约18万美元
- 每年污染损失 10% 的收入损失：约 18,000 美元
- 每年清洁费用为 0.01 美元/周：约 10,000 美元
在干旱地区，清洁支出的回报率通常在 1:1.5 至 1:2 之间。在多雨地区，比例可能会低于1:1，导致清洁不经济。
BIPV 屋顶应该多久清洁一次？
根据环境设定清洁频率
| 环境条件 | 建议的清洁频率 | 关键考虑因素 |
| 温带多雨气候，年降雨量800毫米以上 | 每年1-2次 | 主要去除鸟粪、树液和其他持久性污染物 |
| 一般工业区 | 每年2-4次 | 考虑工业粉尘沉积率 |
| 城市地区和主要道路附近的地点 | 每年3-4次 | 与交通相关的颗粒可能会牢固地粘附在表面上 |
| 干旱多尘地区 | 旱季每月一次 | 在安全可行的情况下，考虑在沙尘暴发生后 48 小时内进行额外清洁 |
| 中东和北非极端干旱地区 | 旱季期间每 1-2 周一次 | 频繁的粉尘事件可能需要更密集的监测 |
经常被忽视的一点： 沙尘暴后的清洁应优先于常规清洁计划。一次严重的灰尘事件所沉积的灰尘量相当于通常一个月内积聚的灰尘量。
使用性能比 (PR) 作为清洁触发器
如果光伏系统有监控平台，那么根据性能比 (PR) 触发清洁可能比遵循固定时间表更经济。
实用的方法是建立基线 PR 曲线，并在测量的 PR 相对于基线下降 2% 时考虑清洁。 该阈值可以帮助识别潜在的污染损失，同时避免不必要的清洁。
然而，由于逆变器效率变化、模块温度、设备故障、退化或其他运行条件，PR 也会下降。在将下降归因于污染之前，应先调查这些因素。
BIPV 屋顶清洁方法：成本比较
常见的清洁方法
| 清洗方法 | 用水量 | 相对成本 | 典型应用 | 清洁性能 |
| 使用软毛刷和水进行手动清洁 | 每个模块 1–2 L | 高；劳动密集型 | 小屋顶和复杂的屋顶几何形状 | 优秀 |
| 干洗机器人 | 无 | 中等；初始投资相对较高 | 大型平坦屋顶和地面光伏电站 | 好 |
| 喷水机器人 | 每个模块 0.5–1 L | 中等 | 大型商业和工业屋顶 | 很好 |
| 无人机辅助清洁 | 低 | 高 | 高处或难以到达的屋顶 | 中等 |
| 干刷或振动除尘 | 无 | 低 | 缺水地区 | 中等 |
每年的清洁成本通常为每瓦 0.005 美元到 0.02 美元，具体取决于屋顶的可达性、劳动力成本和所使用的清洁方法。
T防污涂料的作用
防污涂层，包括亲水性和疏水性纳米涂层，不能替代清洁。相反，它们有助于减少污垢堆积并延长清洁间隔。
现场测试表明，具有防污涂层的光伏组件在清洁周期之间积聚的灰尘比未涂层组件少 30%–40%。然而，报道的涂层使用寿命差异很大，从 18-24 个月到 3-5 年不等。实际耐久性应根据供应商测试数据进行验证。
尽管防污涂层需要相对较高的前期投资，但从长远来看，它们可以减少大约三分之一的清洁操作次数。在干旱、多尘的地区，投资往往在经济上是合理的。
BIPV 屋顶清洁的四种常见错误
使用硬水
这可能是代价最高的清洁错误之一。
当地下水的总溶解固体 (TDS) 浓度高于 500 ppm 时，喷洒到热玻璃上的水可能会迅速蒸发，留下钙和镁沉积物。经过 3-4 个清洁周期后，这些沉积物可能会导致玻璃透光率永久性降低 2%-4%，并且可能难以或不可能去除。
推荐做法：使用反渗透（RO）水或去离子水，TDS控制在50 ppm以下。
正午高温期间的清洁
在温度高于 60°C 的情况下向光伏组件喷洒冷水可能会在玻璃中产生热应力，可能导致微裂纹，严重时甚至导致玻璃破裂。
推荐做法：在清晨或傍晚进行清洁，此时模块温度接近环境温度。
清洁过于频繁
在低污染环境中，每月的清洁成本可能超过额外发电的价值。 另一个问题是表面磨损。干刷和刮擦可能会在玻璃上留下微小的划痕。随着时间的推移，这些划痕可能会降低透光率，从而可能抵消清洁的好处。
使用清洁剂
某些清洁剂可能会损坏玻璃上的抗反射 (AR) 涂层。 AR 涂层可将透光率提高约 2%–3%，具体取决于产品。如果涂层损坏，部分性能优势可能会永久丧失。
推荐做法：使用清水和软毛刷。对于顽固污染物，例如鸟粪或树液，请使用蘸水的软布清洁受影响的区域。
可以降低清洁成本的三个设计决策
屋顶倾斜和排水路径
倾斜角为 15° 或更大的屋顶表面可以受益于重力辅助径流，有助于清除一些积聚的灰尘，并在适当的降雨条件下改善自然清洁。
排水路径的设计应防止积水。一旦积水蒸发，就会留下比松散的灰尘更难清除的水渍和矿物质沉积物。
清洁通道
对于大型屋顶，清洁路线和安全通道应从一开始就纳入设计中。 如果没有专用的通道，清洁成本可能会增加一倍，因为设备无法有效到达屋顶，软管可能无法覆盖所有区域。
还必须考虑安全，包括护栏、救生索锚点和适当的防坠落系统。
维护连接
预留供水连接、排水口和设备存放区域的空间。 在施工期间纳入这些规定通常成本低廉。调试后对其进行改造可能需要对已完成的屋顶进行修改，从而增加成本和运营中断。
常见问题解答
Q1：BIPV屋顶需要清洁吗？它们与传统光伏系统有何不同？
是的。由于BIPV组件是屋顶本身的一部分，清洁不仅要考虑发电，还要考虑屋顶外观和防水。一个关键的区别是 BIPV 模块通常不是为支持人流量而设计的，并且某些产品具有特定的承重限制。因此，清洁通道和程序必须专门针对系统设计。
Q2：降雨可以代替人工清洁吗？
部分地。雨水可以冲走松散的灰尘，但通常对鸟粪、树液和工业残油等顽固污染物无效。即使在多雨地区，每年仍可能需要人工清洁1-2次。
Q3：清洁会损坏光伏组件吗？
正确的清洁应尽量减少损坏的风险。主要风险包括硬水造成的矿物质沉积、用冷水清洁热模块产生的热应力以及研磨材料或硬毛刷造成的划痕。遵循制造商的清洁说明并避免这些做法有助于保护模块。
使用这个简单的公式：清洁成本比率 = 年清洁成本 ÷（年污损损失 × 年电力收入）
比率低于 1 表明估计的可收回收入损失超过清洁成本，表明清洁可能在经济上是值得的。在干旱地区，该比率可能在0.5左右，而在多雨地区，该比率可能接近或超过1。
Q5: 防污涂料值得投资吗？
在年污染损失超过 8% 的地区，它们可能是值得的。一些现场测试表明，防污涂层可以减少 30%–40% 的灰尘积累，从而可能降低清洁频率。然而，在污染程度较低的地区，投资回报可能有限。
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