太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置研究與設(shè)計(jì)

鄧艷

摘 要 為避免積塵對(duì)組件性能的影響，研究以云南干海子并網(wǎng)光伏電站為例，設(shè)計(jì)了一種適用于太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置。研究通過對(duì)干海子并網(wǎng)光伏電站環(huán)境條件及影響進(jìn)行分析，因地制宜地對(duì)太陽能電池組自動(dòng)除塵裝置結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過程中循環(huán)工作電路、電機(jī)控制電路和限位開關(guān)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其有益效果進(jìn)行分析。以實(shí)現(xiàn)太陽能電池組定時(shí)、自動(dòng)和循環(huán)除塵等工作，提高光伏電站太陽能電池組件轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電效率，達(dá)到節(jié)能高效的目的。

關(guān)鍵詞 太陽能電池組件 并網(wǎng)光伏電站 自動(dòng)除塵

中圖分類號(hào)：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

光伏電站發(fā)電效率取決于太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率和周邊環(huán)境影響。在組件表面形成的積塵，會(huì)遮擋太陽能電池組件，既降低了光電轉(zhuǎn)換效率，又會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng)而損壞組件。云南干海子并網(wǎng)光伏電站地處大理州高原地帶，因其環(huán)境獨(dú)有特點(diǎn)，光伏電站發(fā)電系統(tǒng)較其他地區(qū)電站更易積塵。目前，市面上少有專門針對(duì)云貴高原區(qū)域光伏發(fā)電站的太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置，本文通過對(duì)太陽能電池組件表面積塵的形成、影響、危害等的分析，提出一種太陽能電池組件的自動(dòng)除塵裝置，以避免積塵對(duì)組件性能的影響，實(shí)現(xiàn)提高云貴高原地區(qū)光伏電站發(fā)電效率的目的。

1干海子并網(wǎng)光伏電站環(huán)境條件及影響

干海子并網(wǎng)光伏電站場(chǎng)址為未利用土地，其四周均有山體環(huán)繞，黃土覆蓋深厚，且土層疏松。四圍山體為巖體出露山體，干旱缺水，不適合作物生長(zhǎng)，主要植被以雜草和低矮灌木為主。

該發(fā)電站外圍大氣物質(zhì)是一種含有大量形狀各異、成分復(fù)雜、固態(tài)和液態(tài)顆粒物質(zhì)的多組分氣溶膠。該氣溶膠隨著空氣流動(dòng)會(huì)擴(kuò)散達(dá)數(shù)千米以外的區(qū)域。多組分氣溶膠中固態(tài)和液態(tài)顆粒物來源形式多樣，如地表灰塵顆粒、巖石風(fēng)化顆粒、植被生長(zhǎng)等自然因素所產(chǎn)生的顆粒。

此外，因快速城市化和工業(yè)化所帶來的交通尾氣排放、工業(yè)廢棄物和建筑材料等污染排放、長(zhǎng)期風(fēng)沙環(huán)境所導(dǎo)致的灰塵，和大氣環(huán)流對(duì)不同距離顆粒物和污染物的運(yùn)輸?shù)仍颍鶎?dǎo)致該光伏電站外圍環(huán)境布滿大量積塵顆粒，并對(duì)該光伏電站太陽能電池組件的發(fā)電效率產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。周遭環(huán)境阻礙了太陽光線的透射率，進(jìn)而影響了組件表面太陽輻射量的接受，甚至產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，導(dǎo)致組件因局部高溫?zé)龤Ф鴪?bào)廢。

2太陽能電池組件的自動(dòng)除塵裝置

在清除太陽能電池組件表面的積塵時(shí)，對(duì)于組件數(shù)量多、安裝位置較于陡險(xiǎn)的組件來說，人工清洗方法將會(huì)消耗巨大的人力、物力。太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置能夠達(dá)到自動(dòng)除去組件表面積塵效果，在除塵過程中無需人為干預(yù)。很大程度保證了太陽能電池組件表面清潔度、減少組件損壞率，提高組件發(fā)電效率。

2.1太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置的結(jié)構(gòu)

太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置包括第一重除塵系統(tǒng)、第二重除塵系統(tǒng)、第三重除塵系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、儲(chǔ)水及供水系統(tǒng)、收放管道系統(tǒng)和太陽能電池組件系統(tǒng)。

2.1.1第一重除塵系統(tǒng)的構(gòu)成

第一重除塵系統(tǒng)包括吸塵部件、吸塵條、吸塵口、吸氣管道、電磁閥Ⅱ、儲(chǔ)塵盒、吸風(fēng)機(jī)、刷毛和電機(jī)固定架。其中，吸塵條安裝于吸塵部件的最底端，其上設(shè)有吸塵口，且吸塵條的長(zhǎng)度與太陽能電池組件的長(zhǎng)度一致；刷毛敷設(shè)于吸塵條的正下方，且刷毛一端嵌入吸塵條中，其敷設(shè)長(zhǎng)度與吸塵條的長(zhǎng)度一致；吸風(fēng)機(jī)通過電機(jī)固定架安裝于吸塵部件頂部；儲(chǔ)塵盒安裝于吸塵部件頂部；吸氣管道將吸塵條、吸塵口、儲(chǔ)塵盒和吸風(fēng)機(jī)連通；電磁閥Ⅱ安裝于吸氣管道內(nèi)部鄰近儲(chǔ)塵盒的一側(cè)。

2.1.2第二重除塵系統(tǒng)的構(gòu)成

第二重除塵系統(tǒng)包括洗塵部件、水管道、水氣交匯口、高壓噴嘴、吹氣管道、電磁閥Ⅰ、吹風(fēng)機(jī)、注塑體、刷毛和電機(jī)固定架。其中，水管道及吹氣管道相互連通，且交匯于水氣交匯口，并與高壓噴嘴連通；電磁閥Ⅰ安裝于吹氣管道內(nèi)鄰近吹風(fēng)機(jī)一側(cè)；吹風(fēng)機(jī)通過電機(jī)固定架安裝于洗塵部件頂部；刷毛通過注塑體安裝于洗塵部件的最底端。

2.1.3第三重除塵系統(tǒng)的構(gòu)成

第三重除塵系統(tǒng)包括右刮水條和左刮水條。其中，右刮水條緊靠吸塵部件的右側(cè)安裝；左刮水條緊靠洗塵部件的左側(cè)安裝。

2.1.4軌道系統(tǒng)的構(gòu)成

軌道系統(tǒng)包括限位開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、輪子、上邊沿軌道、下邊沿軌道、支撐件、輪軸、轉(zhuǎn)軸和空心體。其中，上邊沿軌道和下邊沿軌道安裝于太陽能電池組件的邊框上；限位開關(guān)分別安裝于上邊沿軌道、下邊沿軌道的最兩端；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸及輪子的輪軸通過驅(qū)動(dòng)軸相連，且輪子通過支撐件與吸塵部件、洗塵部件連接并固定；空心體安裝于吸塵部件和洗塵部件鄰近軌道的兩側(cè)，并與其連成一體。

2.1.5儲(chǔ)水及供水系統(tǒng)的構(gòu)成

儲(chǔ)水及供水系統(tǒng)包括水管道、水泵、電磁閥Ⅲ、電機(jī)固定架、注水口、儲(chǔ)水箱和出水口。其中，水泵通過電機(jī)固定架安裝于長(zhǎng)板上；電磁閥Ⅲ安裝于水管道內(nèi)、水泵的右側(cè)；儲(chǔ)水箱安裝于地面上，其頂端設(shè)有注水口、底端設(shè)有出水口；出水口通過水管道與水泵相連。

2.1.6收放管道系統(tǒng)的構(gòu)成

收放管道系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)軸、電機(jī)固定架、線輪軸、線輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、線輪固定架和線輪主體。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過電機(jī)固定架安裝于長(zhǎng)板上，其轉(zhuǎn)軸與線輪的線輪軸相連；線輪主體位于兩個(gè)線輪中間。

2.1.7太陽能電池組件系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能電池組件系統(tǒng)包括太陽能電池組件、組件邊框、光伏支架和水泥墩。其中，組件邊框安裝于太陽能電池組件的四周；光伏支架安裝于太陽能電池組件下方，并與水泥墩連接；水泥墩安置于地面上。

2.2太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置的工作原理

太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置的循環(huán)工作電路如圖2所示。

其工作原理如下：該循環(huán)控制電路通過電容C2、泄放電阻R3的降壓以及VD2的穩(wěn)壓后，得到可為電路提供12V電源的直流電壓。IC1是一個(gè)集成電路，其內(nèi)部電路與R1、R2、C1構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘振蕩器，并為IC1的定時(shí)提供時(shí)鐘脈沖。當(dāng)電路通電后，首次進(jìn)入水泵M1、吹風(fēng)機(jī)M2、吸風(fēng)機(jī)M3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4和步進(jìn)電機(jī)M5的工作間隙等待時(shí)間，并通過對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)與分頻來實(shí)現(xiàn)IC1內(nèi)部的延時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間（如7d）到時(shí)，IC1的Q14端便輸出高電平，使三極管VT導(dǎo)通，繼電器KA得電，驅(qū)動(dòng)水泵M1、吹風(fēng)機(jī)M2、吸風(fēng)機(jī)M3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4和步進(jìn)電機(jī)M5開始工作；同時(shí)，電磁閥Y1、Y2和Y3得電而開啟。此時(shí)，IC1又開始對(duì)水泵M1、吹風(fēng)機(jī)M2、吸風(fēng)機(jī)M3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4和步進(jìn)電機(jī)M5的工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間（如5min）到時(shí)，IC1的Q14端又變?yōu)榈碗娖?，使VT截止，繼電器KA失電，水泵M1、吹風(fēng)機(jī)M2、吸風(fēng)機(jī)M3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4和步進(jìn)電機(jī)M5停止工作，同時(shí)，電磁閥Y1、Y2和Y3失電而關(guān)閉。此時(shí)，IC1自動(dòng)復(fù)位，又開始下一次計(jì)時(shí)，從而可以使水泵M1、吹風(fēng)機(jī)M2、吸風(fēng)機(jī)M3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4、步進(jìn)電機(jī)M5、電磁閥Y1、電磁閥Y2和電磁閥Y3按照設(shè)定時(shí)間進(jìn)行定時(shí)循環(huán)工作。圖中LED為工作指示燈。

2.3太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置的工作過程

起始時(shí)，第一重除塵系統(tǒng)、第二重除塵系統(tǒng)、第三重除塵系統(tǒng)相互連接而成的整體位于軌道系統(tǒng)的最左端。當(dāng)接通電源后，循環(huán)工作控制電路內(nèi)部元件開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，步進(jìn)電機(jī)M5得電正轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置沿軌道運(yùn)行。同時(shí)，吸風(fēng)機(jī)M3得電工作，電磁閥Ⅱ得電開啟，吸風(fēng)機(jī)吸收太陽能太陽能電池組件表面的灰塵，并將灰塵吸入儲(chǔ)塵盒；水泵M1和吹風(fēng)機(jī)M2得電工作，電磁閥Ⅰ和電磁閥Ⅲ得電開啟，水泵M1抽取儲(chǔ)水箱內(nèi)的水，并將其送到第二重除塵系統(tǒng)中，同時(shí)，吹風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，使得從高壓噴嘴中噴出高壓水，進(jìn)而更利于除去太陽能電池組件表面的灰塵、鳥糞等污物；驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4得電正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將纏繞在線輪主體上的水管道釋放。當(dāng)太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置運(yùn)行到軌道的最右端時(shí)，觸碰限位開關(guān)，驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)M5反轉(zhuǎn)，從而使得太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置沿軌道向相反方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，收回釋放的水管道于線輪主體上。如此反復(fù)工作。

在太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置運(yùn)行的同時(shí)，循環(huán)工作控制電路對(duì)其運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行定時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間（一般為太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置來回工作一次的時(shí)間，如5min）到時(shí)，水泵M1、吹風(fēng)機(jī)M2、吸風(fēng)機(jī)M3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)M4和步進(jìn)電機(jī)M5停止工作，同時(shí)，電磁閥Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ因失電而關(guān)閉。

2.4太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置的有益效果

（1）裝置運(yùn)行時(shí)所需的電源由太陽能電池組件自身提供，其具有便捷、環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

（2）裝置第一重除塵系統(tǒng)的刷毛在組件表面運(yùn)行時(shí)，表面的粘結(jié)積塵在刷毛的作用下變?yōu)楦伤煞e塵，提高了吸塵條工作效率。

（3）裝置第二重除塵系統(tǒng)的高壓噴嘴可噴射高壓水，使太陽能電池組件表面的不易清理污物在刷毛和高壓水作用下變得潮濕而易于清理。

（4）裝置第三重除塵系統(tǒng)的刮水條可有效清除太陽能電池組件表面的水痕及融入其中的灰塵。

（5）裝置在其工作過程中無需人員參與，可有效避免在清理組件時(shí)人員意外墜落、觸電傷亡，和踩踏損等。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種太陽能電池組件自動(dòng)除塵裝置。該裝置通過循環(huán)工作電路、電機(jī)控制電路、限位開關(guān)等實(shí)現(xiàn)裝置的定時(shí)、自動(dòng)、循環(huán)工作，達(dá)到有效清除組件表面積塵和鳥糞等污物的效果，最終減少組件的損壞。當(dāng)太陽能電池組件表面有20天的積塵時(shí)，通過清洗裝置安裝前后的對(duì)比試驗(yàn)，清洗后系統(tǒng)的發(fā)電效率提高了24%左右。

參考文獻(xiàn)

[1] 鮑官軍，張林威，蔡世波，等.光伏面板積灰及除塵清潔技術(shù)研究綜述[J].機(jī)電工程，2013，30（8）：909-913.

[2] 陳東兵，李達(dá)新，時(shí)劍，等.光伏組件表面積塵及立桿陰影對(duì)電站發(fā)電功率影響的測(cè)試分析[J].太陽能，2011（9）：39-41.

[3] 孟偉君，樸鐵軍，司德亮，等.灰塵對(duì)光伏發(fā)電的影響及組件清洗研究[J].太陽能，2015（2）：22-27.