《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advancements and applications of novel waterless and contactless cleaning technologies for solar panels
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太阳能板积尘导致光电转换效率下降，传统水基清洁方法存在耗水、污染和部件损伤问题。本文系统研究无水非接触清洁技术，包括静电除尘和超疏水自清洁，分析其物理化学机理、应用效果及局限性，提出基于多维评估（效率、经济性、环境等）的未来研究方向。
Jiafeng Li|Hao Zhu|Wei Xu|Kedao Liu
中国四川大学建筑与环境学院，深地科学与工程教育部重点实验室，成都，610065
摘要
太阳能已成为缓解全球能源危机和实现碳中和的主要途径。然而，太阳能电池板在户外长期运行会导致其表面逐渐积聚灰尘和污染物，从而显著降低其光伏转换效率。为应对传统清洁方法带来的挑战（如过度依赖水资源、可能造成水资源浪费以及损坏面板组件），无水且非接触式的除尘技术受到了越来越多的关注。本文首先研究了灰尘颗粒的性质、沉积机制、粘附力及其对太阳能电池板的负面影响。接下来，全面回顾了各种现有的无水和非接触式除尘技术，特别关注静电除尘和超疏水自清洁方法。详细讨论了这些技术的理论基础、除尘机制、相关研究进展及其实际应用。此外，本文还对现有的无水非接触式除尘技术进行了多维度比较。最后，本文指出了太阳能电池板自清洁技术的潜在未来研究方向和应用前景，为太阳能电池板除尘清洁方法的研究及相关产业发展提供了全面的指导。
引言
随着石油和天然气等不可再生资源的枯竭，国际社会越来越重视发展可再生能源以替代传统化石燃料。在各种可再生能源中，由于太阳能清洁、安全且几乎无穷无尽的特点以及其他显著优势，它已成为增长最快的能源[1]。如图1所示，根据国际可再生能源机构（IRENA）的统计和预测，从2020年到2050年，太阳能将占全球可再生能源装机容量增长的最大份额[2]。同时，Xu等人[3]预测，到2050年中国太阳能光伏（PV）系统的累计装机容量将达到1357吉瓦，而全球太阳能装机容量可能超过8500吉瓦[4]。尽管太阳能电池板的应用范围不断扩大，但它们通常在户外暴露较长时间，这使得空气中的微粒（如工业灰尘、废气、花粉和烟雾）的沉积成为降低光伏转换效率的重要因素。积累的灰尘会阻挡入射光并引发“热点”[5]，同时增加热阻并阻碍模块散热，从而缩短使用寿命[6,7]。在潮湿条件下，酸性或碱性颗粒可能会腐蚀玻璃表面，导致表面不均匀，进一步降低透光率[8]。据相关报告，中国某些地区的光伏电站运行20天后效率会下降约20%。一些研究甚至表明，受污染的太阳能电池板的光伏转换效率可能会损失30%或更多[9,10]。因此，减轻灰尘沉积的负面影响对于提高太阳能电池板的光电转换效率和延长其使用寿命至关重要。
传统的太阳能电池板除尘和清洁方法主要涉及用水和擦拭工具冲洗和擦拭面板表面。为了寻找能够减少水和能源消耗的清洁方法，Moharram等人[11]提出了一种含有阴离子（十二烷基硫酸钠）和阳离子（溴化十六烷基吡啶）表面活性剂的水基清洁方法。实验表明，仅用清水清洁的电池板在45天后光伏效率下降了约50%，而在相同条件下，使用阴离子和阳离子表面活性剂清洁的电池板光伏效率几乎没有下降。S. Ni?etic等人[12]开发了一种适用于地中海气候条件下的太阳能电池板双面喷雾冷却技术，该技术使总功率输出提高了16.3%，能量转换效率提高了14.1%，相应地有效提高了7.7%和5.9%。许多研究人员还通过将专用洗涤剂与高压水混合来改善太阳能电池板的除尘性能[13,14]。然而，过量使用洗涤剂不仅会污染环境，而且当冷水应用于较热的面板表面时还会引起热冲击，可能损坏面板[15,16]。在低温条件下，残留的水分可能在表面结冰，进一步阻碍模块正常运行。Massi Pavan等人强调了水清洁后的刷洗重要性。他们的实验表明，经过刷洗的电池板光伏输出功率比未刷洗的电池板提高了5.8%[17]。尽管如此，基于水的清洁方法消耗大量水资源，因此在干旱地区受到限制[18]。在这些地区，除尘通常依赖于手动或机械使用尼龙、布料或硅橡胶泡沫制成的刷子进行直接擦洗。Miller等人[19]指出，刷洗可能会损坏面板表面，降低其性能。其他研究人员也证实，擦拭面板表面会改变玻璃的微观形状并造成永久性划痕，从而降低透光率[20,21]。此外，手动清洁需要熟练劳动力，存在电击等安全隐患，而机器人系统的开发、安装、调试和维护需要专业人员进行，大幅增加了运营成本。这在一定程度上违背了绿色可再生能源的初衷。
无水和非接触式除尘技术作为一种新型清洁方法，能够在不消耗过多水资源或不对面板造成物理损伤的情况下有效清洁太阳能电池板表面。由于这种技术环保、高效且成本低廉，因此受到了研究人员和行业的广泛关注。为了更深入地了解当前的太阳能电池板除尘技术现状，在ScienceDirect和Web of Science数据库中进行了系统性的文献搜索。通过包含与太阳能电池板除尘相关关键词的搜索，截至2025年共找到了9162篇相关出版物。经过严格评估（基于与无水和非接触式清洁方法的相关性、与太阳能电池板除尘问题的主题契合度以及代表性和创新性标准），最终选择了212篇文章进行深入讨论。虽然近年来已有几篇综述探讨了太阳能电池板除尘技术，但大多数研究集中在个别技术路径或特定应用场景上。本文首次从无水和非接触式的角度出发，探讨了灰尘颗粒的物理化学性质、沉积机制及其影响因素。这一分析为准确评估灰尘的影响和优化太阳能电池板除尘技术提供了理论基础和科学依据。此外，本文还全面回顾了新型无水和非接触式清洁技术的研究进展和应用情况，追溯了这些技术的发展历程，评估了其背后的理论和特性，并指出了当前面临的挑战和未来发展方向，旨在为该领域的进一步研究和实际应用提供有价值的见解。
章节摘录
太阳能电池板上的灰尘沉积
灰尘沉积对太阳能电池板的维护和性能优化一直是一个关键问题[22]。在本章中，我们首先研究了灰尘的基本性质，然后探讨了其在太阳能电池板上的沉积过程及其对光伏转换效率的影响。这一分析为太阳能电池板除尘技术的进一步研究提供了科学依据。
电力除尘技术
关于电动力除尘的研究主要集中在电动帘式除尘方法上。最早的电动帘式除尘记录出现在NASA 1967年解决阿波罗任务灰尘问题的报告中，尽管该报告并未深入探讨这种方法。20世纪70年代，Aoyoma等人证明了电磁行波可以在大气条件下传输带电灰尘颗粒。
超疏水自清洁除尘技术
太阳能电池板模块通常采用超白、低铁钢化玻璃层，该层支撑整个结构并保护电池模块免受水分和氧气的影响[150]。随着透明超疏水涂层的进步，研究人员正在探索将超疏水薄膜应用于太阳能电池板玻璃表面的方法。由于大多数灰尘颗粒的大小超过了薄膜的微观结构尺度，灰尘与薄膜顶层的接触面积非常小。其他新型无水和非接触式清洁技术
在通过自清洁涂层进行除尘的研究中，学者们还研究了太阳能电池板的超亲水涂层（如图22所示）。根据之前的润湿性模型理论，当表面的接触角小于5°时，该表面被归类为超亲水[177]。在清洁过程中，超疏水涂层将空气中的水分子分布在面板表面，形成一层薄膜，将灰尘和其他杂物隔开。工程应用研究
尽管在减少太阳能电池板灰尘沉积方面取得了显著进展，但大多数研究和实验仍局限于理论分析和实验室实际应用，而非现场研究。虽然这种现状是该领域发展的必要阶段，为学术进步和技术转移奠定了基础，但值得注意的是，近年来学者们已经开展了大量相关研究。未来研究的评估与建议
本文全面回顾了太阳能电池板的无水和非接触式除尘技术，并使用学者们推荐的多维度决策方法[208]对每种技术进行了评估。考虑了十个维度：清洁效率、经济性、耐用性、操作和维护难度、多功能性、外部能源消耗、个人安全、表面光损失、环境影响和二次灰尘沉积。每个维度都根据一定的标准进行了评分。
结论
本文讨论了由于长期户外暴露导致太阳能电池板光伏效率下降的问题。通过系统讨论和多维度评估无水和非接触式清洁技术，得出了以下核心发现，为未来开发高效、稳定且大规模的太阳能电池板除尘技术提供了宝贵参考。
利益冲突声明
本手稿的提交过程中不存在利益冲突。本文中已说明了所有支持本工作的资金来源以及作者的机构或公司隶属关系。我代表我的合作者声明，该工作尚未在其他地方以全部或部分形式发表。所有列出的作者均已批准了附上的手稿。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（资助编号：52275120）提供的财政支持。
