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[摘 要]目前，随着我国社会经济的不断高速发展，我国光伏发电产业迎来了蓬勃发展的重要时期。由于我国对电能需求量大，太阳能电池板在进行光伏发电过程中的发电效率问题十分受到重视。而影响太阳能电池板进行光伏发电的重要因素之一就是灰塵，因此，为了提高太阳能电池板发电效率，本文将以一种新型光伏板自动除尘系统为例，对自动清除太阳能电池板灰尘的方法及其装置进行研究。
[关键词]太阳能电池板 自动除尘系统 方法及装置
中图分类号：TP349 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0379-01
目前，光伏发电已经成为我国产电的重要方式之一，因此，太阳能电池板进行光伏发电的安全性和效率显著影响着人们对生活水平。但是，电池板表面积灰问题影响着太阳能发电板的平稳发电和正常运行，尤其是在荒漠地区，由于风沙过大，太阳能电池板积灰情节已经成为维护发电板的主要工作内容。因此，本文将通过简要分析灰尘对光伏发电的影响，研究太阳能电池板灰尘的方法及装置，建立一套新型光伏板自动除尘系统。
一、灰尘对太阳能电池板进行光伏发电的影响
（一）、灰尘成因
空气中出现灰尘主要来源于工业排放物、燃烧烟尘或土壤扬尘等。尤其是在一些荒漠地区，风沙较大，经常出现沙尘暴、扬尘和浮尘等天气，容易导致电池板表面积累许多灰尘，阻碍太阳能电子板吸收光子，进一步影响太阳能电池板进行光伏发电。另外，由于许多太阳能电池板倾斜固定，会给空气中的沙尘造成阻挡，当风力小时，灰尘颗粒与太阳能板上碰撞后逐渐滚下；若风力大时，灰尘在与太阳能板碰撞后被弹走，同时持续性的风力会使得新的灰尘不断形成。当一部分灰尘颗粒在运动状态下所收到的力（如受到的重力、阻力、静电力、风场力等）达到平衡时，它们会始终附着在太阳能电池板上，进而形成灰尘层。
（二）、灰尘特性分析
在研究太阳能电池板灰尘清洁方法时，首先要对灰尘特性进行研究。除了研究灰尘的成分、粒径、含水率、密度等因素外，还应分析灰尘的来源。通过实际取样分析，风沙较大的荒漠地区的灰尘大多来自地表，主要成分包括石英和硅酸矿物质。而在城市地区电池板表面的灰尘构成物中除了地表灰尘外，还含有石化燃料的灰烬、有机质、鸟粪和经人类活动后形成的污染物。因此，种植树木防风固沙，减少污染物的排放是减少太阳能电池板灰尘的重要方式。
（三）、灰尘对太阳能电池板进行光伏发电的影响
1、灰尘对电池板受光面积的影响
空中存在的灰尘会遮挡太阳光，因此当灰尘落在太阳板上时，会遮挡、吸收或反射光线，尤其是会遮挡光线。通常把电池板表面能够接受光子部分的面积称为受光面积或自由区域，将因被灰尘覆盖而不能吸收光子的部分的面积叫做遮挡面积或阴影区域，在太阳光线在某一角度照射电池板时，电池板表面灰尘颗粒对光线造成遮挡或吸收，形成阴影区域。
单层灰尘对光的遮挡效果受积灰量的影响，积灰量越多，对光的遮挡效果越重，因而自由面积越小，当积灰量增加时，太阳能电池板某一特定面积上布满灰尘时，灰尘会以最紧密排布和最松散排布的形式分布，形成多层积灰。
2、灰尘对光伏发电转换效率的影响
经过分析研究数据，积灰量的多少会影响太阳能电池板的输出功率以及功率损失。且由于光伏电板发电性质的影响，太阳能电池板接受光子的数量会影响电流的大小，但太阳能电池板的电压受其自身的材质和温度影响，因此灰尘会造成太阳能电池板存在阴影，主要使电流大小受到影响，而对于一定规格和材质的电池板，积灰对其电压的影响很小。
二、自动清除太阳能电池板灰尘的方法及装置研究
（一）、灰尘清洁理论分析
清洁太阳能电池板的灰尘就是将电池板表面存在的灰尘移除，而移除这些灰尘需要克服其电池板表面的粘附力。因此，在进行太阳能电池板表面的清洁时，首先要将电池板与地面形成固定的夹角，阻碍灰尘与电池板表面的粘附力，使灰尘滚落，达到移除灰尘的目的。其次，灰尘与电池板之间的粘附力包括法向粘附力和切向粘附力，当在垂直方向移除灰尘时，可以用水进行清除克服灰尘受到的法向粘附力，使灰尘颗粒间的间距加大，减小分子之间的范德华引力，使灰尘分子所受的范德华力和重力遭到破坏，若在水中加入表面活性剂，作用效果会更明显。
（二）、除尘方法及装置
太阳能电池板灰尘清洁方式多种多样，可大概分为物理擦除和化学擦除两大类型。但因为物理擦除方式更加环保，因此本文的除尘方法和装置设计以物理擦除为主要方式。由于除机械式擦除、水擦除外，其他擦除方式要求的技术水平较高，不适用于大部分地区，因此本文主要提出了以机械式擦除、水擦除为原理的除尘方法及装置。
本文提出的新型光伏板自动除尘系统，其创新之处就在于巧妙地将光伏板和雨刷式刮板除尘装置结合在一起。利用这种光伏板雨刷式刮板除尘装置，使除尘装置能够在占有最小的空间里完成除尘要求。而且除尘装置的雨刷能够自我清洗的自动化功能。同时，为了使雨刷能够实现自我清洗功能，在太阳能板的下方有一个清洗雨刷的水槽。当雨刷清洁工作做完后，雨刷会被放到水槽清洗，清洁灰尘的雨刷采用的是滚筒式，且雨刷内有电机带动，可以起到旋转作用，清洗完的雨刷可以通过旋转达到脱水的目的。最后，针对于一些具有粘性的污垢，除尘系统将会有一套洒水系统。
本文研究的太阳能光伏电池板的雨刷式刮板除尘装置是基于s7-200滚筒式雨刷自动化系统进行设计的，装置可通过湿度传感器感知外界的湿度，再将数据传输到PLC然后与数据库的数据对比，进一步对外界湿度作出判断。当湿度较低时，先控制雨刷清洁光伏板的表面，再用喷头碰水，最后使雨刷旋转90度后再次对光伏板的表面进行清洁。当湿度较高时，直接用喷头喷水，然后使雨刷旋转90度后再次对光伏板的表面进行清洁。为了加强光伏板受到到早晨光照的强度，光伏板的构架上装设有光敏传感器在光照强度快要达到光伏板工作强度时进行第一次清洁工作。当要再次清洁的时候雨刷再旋转90度然后清洁。
本文设计的装置还配有滚筒式雨刷自我清洁系统，这一系统的工作时在光伏板下方的水槽完成的。当雨刷完成两次清洁工作后雨刷移动到水槽里。水槽开始注水雨刷在旋转1-2分钟甩掉大颗粒污垢，水槽退水。雨刷在水槽内高速旋转脱水。水槽的内表面有颗粒状的突起物从而达到去除雨刷表面的附着物。
（三）、装置的创新性
（1）传统光伏板自动除尘装置分为机车清洗和机器人清洗两类，两者都有弊端。第一种为了给机车留有足够的车道，光伏板行间距很大而且机车清洗动作很慢。在清洗的过程中于要有人员驾驶。第二种清洗装置安装很麻烦通常需要三到四个人员进行安装和拆卸而且装置的生产成本高。而本项目的除尘装置兼顾了生产人力物力成本低、工作效率高的优点。
（2）除尘装置可以实现自我清洗功能解决了后顾之忧。工作人员只需再清洗海绵达到使用寿命及时更换即可。
（3）除尘装置有两种清洁方式：一种是干清洁，就是直接用雨刷清洁光伏板的表面。另一种是湿清洁在喷头喷完水后再进行清洁。两种清洁方式混合使用可以节约水资源。而且除尘装置有一套雨水和污水回收装置。
三、总结
太阳能电池板灰尘的清除效果显著影响着其发电的效果，因此本文具体设计出了一种光伏板自动除尘系统，巧妙地将光伏板与除尘装置结合在一起。且相对于传统设计方案，除尘装置做出完全不同的设计理念，从而大幅度提高了光能利用率。
参考文献
[1]刘锋，孙震，姚春利，马岩，肇群，李东旭.光伏电池板清洁技术研究综述[J].清洗世界，2016，32（05）
[2]李智祥，杨红兵，陈瑞.一种自动清除太阳能电池板灰尘的方法和装置：中国，ZL200710051235.3[P].2007-01-09.
[关键词]太阳能电池板 自动除尘系统 方法及装置
中图分类号：TP349 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0379-01
目前，光伏发电已经成为我国产电的重要方式之一，因此，太阳能电池板进行光伏发电的安全性和效率显著影响着人们对生活水平。但是，电池板表面积灰问题影响着太阳能发电板的平稳发电和正常运行，尤其是在荒漠地区，由于风沙过大，太阳能电池板积灰情节已经成为维护发电板的主要工作内容。因此，本文将通过简要分析灰尘对光伏发电的影响，研究太阳能电池板灰尘的方法及装置，建立一套新型光伏板自动除尘系统。
一、灰尘对太阳能电池板进行光伏发电的影响
（一）、灰尘成因
空气中出现灰尘主要来源于工业排放物、燃烧烟尘或土壤扬尘等。尤其是在一些荒漠地区，风沙较大，经常出现沙尘暴、扬尘和浮尘等天气，容易导致电池板表面积累许多灰尘，阻碍太阳能电子板吸收光子，进一步影响太阳能电池板进行光伏发电。另外，由于许多太阳能电池板倾斜固定，会给空气中的沙尘造成阻挡，当风力小时，灰尘颗粒与太阳能板上碰撞后逐渐滚下；若风力大时，灰尘在与太阳能板碰撞后被弹走，同时持续性的风力会使得新的灰尘不断形成。当一部分灰尘颗粒在运动状态下所收到的力（如受到的重力、阻力、静电力、风场力等）达到平衡时，它们会始终附着在太阳能电池板上，进而形成灰尘层。
（二）、灰尘特性分析
在研究太阳能电池板灰尘清洁方法时，首先要对灰尘特性进行研究。除了研究灰尘的成分、粒径、含水率、密度等因素外，还应分析灰尘的来源。通过实际取样分析，风沙较大的荒漠地区的灰尘大多来自地表，主要成分包括石英和硅酸矿物质。而在城市地区电池板表面的灰尘构成物中除了地表灰尘外，还含有石化燃料的灰烬、有机质、鸟粪和经人类活动后形成的污染物。因此，种植树木防风固沙，减少污染物的排放是减少太阳能电池板灰尘的重要方式。
（三）、灰尘对太阳能电池板进行光伏发电的影响
1、灰尘对电池板受光面积的影响
空中存在的灰尘会遮挡太阳光，因此当灰尘落在太阳板上时，会遮挡、吸收或反射光线，尤其是会遮挡光线。通常把电池板表面能够接受光子部分的面积称为受光面积或自由区域，将因被灰尘覆盖而不能吸收光子的部分的面积叫做遮挡面积或阴影区域，在太阳光线在某一角度照射电池板时，电池板表面灰尘颗粒对光线造成遮挡或吸收，形成阴影区域。
单层灰尘对光的遮挡效果受积灰量的影响，积灰量越多，对光的遮挡效果越重，因而自由面积越小，当积灰量增加时，太阳能电池板某一特定面积上布满灰尘时，灰尘会以最紧密排布和最松散排布的形式分布，形成多层积灰。
2、灰尘对光伏发电转换效率的影响
经过分析研究数据，积灰量的多少会影响太阳能电池板的输出功率以及功率损失。且由于光伏电板发电性质的影响，太阳能电池板接受光子的数量会影响电流的大小，但太阳能电池板的电压受其自身的材质和温度影响，因此灰尘会造成太阳能电池板存在阴影，主要使电流大小受到影响，而对于一定规格和材质的电池板，积灰对其电压的影响很小。
二、自动清除太阳能电池板灰尘的方法及装置研究
（一）、灰尘清洁理论分析
清洁太阳能电池板的灰尘就是将电池板表面存在的灰尘移除，而移除这些灰尘需要克服其电池板表面的粘附力。因此，在进行太阳能电池板表面的清洁时，首先要将电池板与地面形成固定的夹角，阻碍灰尘与电池板表面的粘附力，使灰尘滚落，达到移除灰尘的目的。其次，灰尘与电池板之间的粘附力包括法向粘附力和切向粘附力，当在垂直方向移除灰尘时，可以用水进行清除克服灰尘受到的法向粘附力，使灰尘颗粒间的间距加大，减小分子之间的范德华引力，使灰尘分子所受的范德华力和重力遭到破坏，若在水中加入表面活性剂，作用效果会更明显。
（二）、除尘方法及装置
太阳能电池板灰尘清洁方式多种多样，可大概分为物理擦除和化学擦除两大类型。但因为物理擦除方式更加环保，因此本文的除尘方法和装置设计以物理擦除为主要方式。由于除机械式擦除、水擦除外，其他擦除方式要求的技术水平较高，不适用于大部分地区，因此本文主要提出了以机械式擦除、水擦除为原理的除尘方法及装置。
本文提出的新型光伏板自动除尘系统，其创新之处就在于巧妙地将光伏板和雨刷式刮板除尘装置结合在一起。利用这种光伏板雨刷式刮板除尘装置，使除尘装置能够在占有最小的空间里完成除尘要求。而且除尘装置的雨刷能够自我清洗的自动化功能。同时，为了使雨刷能够实现自我清洗功能，在太阳能板的下方有一个清洗雨刷的水槽。当雨刷清洁工作做完后，雨刷会被放到水槽清洗，清洁灰尘的雨刷采用的是滚筒式，且雨刷内有电机带动，可以起到旋转作用，清洗完的雨刷可以通过旋转达到脱水的目的。最后，针对于一些具有粘性的污垢，除尘系统将会有一套洒水系统。
本文研究的太阳能光伏电池板的雨刷式刮板除尘装置是基于s7-200滚筒式雨刷自动化系统进行设计的，装置可通过湿度传感器感知外界的湿度，再将数据传输到PLC然后与数据库的数据对比，进一步对外界湿度作出判断。当湿度较低时，先控制雨刷清洁光伏板的表面，再用喷头碰水，最后使雨刷旋转90度后再次对光伏板的表面进行清洁。当湿度较高时，直接用喷头喷水，然后使雨刷旋转90度后再次对光伏板的表面进行清洁。为了加强光伏板受到到早晨光照的强度，光伏板的构架上装设有光敏传感器在光照强度快要达到光伏板工作强度时进行第一次清洁工作。当要再次清洁的时候雨刷再旋转90度然后清洁。
本文设计的装置还配有滚筒式雨刷自我清洁系统，这一系统的工作时在光伏板下方的水槽完成的。当雨刷完成两次清洁工作后雨刷移动到水槽里。水槽开始注水雨刷在旋转1-2分钟甩掉大颗粒污垢，水槽退水。雨刷在水槽内高速旋转脱水。水槽的内表面有颗粒状的突起物从而达到去除雨刷表面的附着物。
（三）、装置的创新性
（1）传统光伏板自动除尘装置分为机车清洗和机器人清洗两类，两者都有弊端。第一种为了给机车留有足够的车道，光伏板行间距很大而且机车清洗动作很慢。在清洗的过程中于要有人员驾驶。第二种清洗装置安装很麻烦通常需要三到四个人员进行安装和拆卸而且装置的生产成本高。而本项目的除尘装置兼顾了生产人力物力成本低、工作效率高的优点。
（2）除尘装置可以实现自我清洗功能解决了后顾之忧。工作人员只需再清洗海绵达到使用寿命及时更换即可。
（3）除尘装置有两种清洁方式：一种是干清洁，就是直接用雨刷清洁光伏板的表面。另一种是湿清洁在喷头喷完水后再进行清洁。两种清洁方式混合使用可以节约水资源。而且除尘装置有一套雨水和污水回收装置。
三、总结
太阳能电池板灰尘的清除效果显著影响着其发电的效果，因此本文具体设计出了一种光伏板自动除尘系统，巧妙地将光伏板与除尘装置结合在一起。且相对于传统设计方案，除尘装置做出完全不同的设计理念，从而大幅度提高了光能利用率。
参考文献
[1]刘锋，孙震，姚春利，马岩，肇群，李东旭.光伏电池板清洁技术研究综述[J].清洗世界，2016，32（05）
[2]李智祥，杨红兵，陈瑞.一种自动清除太阳能电池板灰尘的方法和装置：中国，ZL200710051235.3[P].2007-01-09.