田海川，郭 建，牛建會(huì)，馮英偉

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

基于自動(dòng)清洗的太陽電池板發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田海川，郭 建，牛建會(huì)，馮英偉

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

灰塵對太陽電池板的發(fā)電效率有極大的影響。采用一定的技術(shù)手段對電池板進(jìn)行自動(dòng)清洗，可以有效地提高其發(fā)電效率。設(shè)計(jì)了帶有自動(dòng)清洗功能的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中自動(dòng)清洗系統(tǒng)由水箱、水泵、分布式噴淋裝置和嵌入式控制器組成，可以在不同的情況下完成電池板灰塵檢測和清洗等功能。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)；電池板；自動(dòng)清洗；嵌入式

光伏發(fā)電的能源來自于取之不盡、用之不竭的太陽能，是資源最豐富的可再生能源。太陽能發(fā)電是新能源的代表技術(shù)，具有綠色、環(huán)保、清潔安全的特點(diǎn)。隨著科技水平的發(fā)展，太陽能發(fā)電技術(shù)日益成熟，其發(fā)電成本也出現(xiàn)大幅下降，成為最有前景的新型發(fā)電方式。

光伏發(fā)電是一種依靠太陽光進(jìn)行發(fā)電的能源形式，其最主要的發(fā)電部件是太陽電池板，所以太陽電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽電池板的理論發(fā)電效率為25%，實(shí)際為23%；而受污染后發(fā)電效率降為17%～18%。因此電池板的清潔程度對發(fā)電效率和效益影響非常之大，解決清洗問題勢在必行。

太陽電池板容易損壞主要是因?yàn)殡姵匕灏惭b在戶外，環(huán)境復(fù)雜，充滿了風(fēng)沙和浮灰，而且現(xiàn)在環(huán)境污染嚴(yán)重，有非常多的雜質(zhì)嚴(yán)重阻擋了太陽電池板吸收陽光，降低電池板工作效率。如果不及時(shí)清洗，太陽電池板不僅對太陽能的吸收減弱，還容易產(chǎn)生局部燒壞，從而影響發(fā)電系統(tǒng)的正常工作[1]。目前大多數(shù)太陽能光伏系統(tǒng)都不包括相應(yīng)的清洗裝置。即使增加了清洗的環(huán)節(jié)也是定時(shí)進(jìn)行清洗，無法完成根據(jù)天氣的基本情況，動(dòng)態(tài)地調(diào)整清洗模式和次數(shù)等功能。而天氣是多變的，因此，根據(jù)天氣的具體情況來有效地調(diào)整清洗模式是本研究的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作基本原理

根據(jù)太陽能陣列所處環(huán)境的基本情況，本文設(shè)計(jì)了兩種不同的自動(dòng)清洗設(shè)備。第一種清洗設(shè)備的清洗媒介是水，主要適用于灰塵度不高、天氣狀況較好的南方地區(qū)。第二種清洗的媒介是水、灰塵撣和清洗劑，主要適用于灰塵度高、需要用高壓水反復(fù)沖洗的環(huán)境。用高壓水反復(fù)的沖洗容易造成太陽陣列大面積短路，從而引起發(fā)電效率降低；同時(shí)，如果太陽能發(fā)電廠位于北方，高壓水在冬季所產(chǎn)生的冰層會(huì)使太陽陣列凍裂，從而破壞太陽能發(fā)電系統(tǒng)。因此清潔的過程先用灰塵撣掃除灰塵，再利用混合了特殊清潔劑的水進(jìn)行沖洗，完成清潔的過程。

圖1 基于水清潔的自動(dòng)清潔系統(tǒng)工作原理

基于水清潔的自動(dòng)清潔系統(tǒng)的工作原理如圖1所示?；谒鍧嵉淖詣?dòng)清潔系統(tǒng)由水箱、直流水泵、管路、電磁閥、膨脹罐、灰塵層積量檢測裝置、噴淋裝置和控制器組成?；竟ぷ髟頌椋菏紫?，控制器接收來自于灰塵層積量檢測裝置的信息，當(dāng)集灰量達(dá)到一定程度時(shí)，控制器關(guān)閉電磁閥并啟動(dòng)水泵，水泵從水箱抽取自來水或者軟化水，經(jīng)泵增壓通過管路送到膨脹罐，膨脹罐內(nèi)隨著水量的增加壓力逐漸上升，當(dāng)膨脹罐內(nèi)壓力不再明顯上升時(shí)，突然打開電磁閥，使得膨脹罐內(nèi)大量出水快速噴向電池板，以水脈沖形式高效清洗電池板，當(dāng)膨脹罐內(nèi)水壓明顯降低時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉電磁閥，對膨脹罐再次進(jìn)行蓄水并再次進(jìn)行噴射，直到電池板清洗干凈，如此反復(fù)。此間水泵一直處于工作狀態(tài)，不斷向膨脹罐補(bǔ)充水。

基于水、灰塵撣和清洗劑的自動(dòng)清潔系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。該自動(dòng)清潔系統(tǒng)由灰塵層積量檢測裝置、毛撣、同步電機(jī)、水箱、直流水泵、管路、電磁閥、噴淋裝置和控制器組成?；竟ぷ髟頌椋菏紫?，控制器接收來自于灰塵層積量檢測裝置的信息，當(dāng)集灰量達(dá)到一定程度時(shí)，控制器控制同步電機(jī)，帶動(dòng)毛撣進(jìn)行反復(fù)掃刷，毛撣采用特殊材質(zhì)，以免對太陽電池板造成劃傷。當(dāng)灰塵檢測裝置的數(shù)據(jù)顯示灰塵度已降至合理的范圍內(nèi)時(shí)，控制器啟動(dòng)水泵，水泵從水箱抽取帶有太陽電池板特制清潔劑的清潔水，經(jīng)泵增壓通過管路送到噴淋頭，同時(shí)控制器打開電磁閥，由噴淋裝置對電池板進(jìn)行沖洗。在水壓不足的地方，也可以增加膨脹罐來提高水壓。

圖2 基于水、灰塵撣和清洗劑的自動(dòng)清潔系統(tǒng)的工作原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的核心是控制器。對于家用或小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，控制要求不太高時(shí)，控制器選用51單片機(jī)就可，單片機(jī)利用I/O口接收來自于灰塵層積量檢測裝置的信息，并利用其他I/O口向水泵、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，并帶動(dòng)毛撣或噴淋進(jìn)行清潔。對于大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在每個(gè)太陽電池板上布置短距離無線通信控制節(jié)點(diǎn)，采用相應(yīng)的技術(shù)(例如ZigBee技術(shù))構(gòu)成具有一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)。整個(gè)傳感網(wǎng)的核心采用嵌入式ARM芯片構(gòu)成，完成與上層控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的角色。這樣就可以形成以無線傳感網(wǎng)為底層數(shù)據(jù)采集與控制機(jī)構(gòu)、ARM芯片為網(wǎng)關(guān)、上層服務(wù)器為數(shù)據(jù)處理中心，客戶端或手機(jī)為控制和顯示設(shè)備的一體化控制系統(tǒng)。

2.2 灰塵層積量檢測裝置的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要來自于灰塵層積量檢測裝置。該裝置沒有特定的傳感器，在本設(shè)計(jì)中，可以利用超聲波傳感器或光照強(qiáng)度傳感器置于一透明盒內(nèi)，當(dāng)灰塵累積量超過一定設(shè)定厚度時(shí)，傳感器將信息傳回單片機(jī)，利用中斷機(jī)制觸發(fā)I/O口控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以使用光照強(qiáng)度傳感器為例，單片機(jī)內(nèi)驅(qū)動(dòng)程序如下所示(本設(shè)計(jì)所選用的光照強(qiáng)度傳感器為BH1750)。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有水泵、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等設(shè)備，這些設(shè)備都是接受來自于單片機(jī)I/O口的控制信息，以中斷的形式完成控制功能。在以上設(shè)備中，以步進(jìn)電機(jī)的控制較為復(fù)雜，其驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)如下：

以上是控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，由于篇幅關(guān)系，其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)不再贅述。

3 結(jié)論

本文以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了兩種不同環(huán)境下的太陽能陣列清洗方式。一種方式是以水洗為主，另一種方式是灰塵撣加水洗的方式，并為它們設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這兩種方式的清潔效果理想，成本也較為合理，為進(jìn)一步推廣太陽能發(fā)電系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]林少伯.含光伏電源的微電網(wǎng)儲(chǔ)能控制技術(shù)研究[D]．保定：華北電力大學(xué)，2013：17-19.

Design of solar panels power generation system based on automatic cleaning

The dust has great influence on the efficiency of the solar panels.It can effectively improve the efficiency of the solar panels by automatic cleaning with certain technical means.The solar power system with automatic cleaning function was designed.Automatic cleaning system includes water tank,water pump,distributed spray device and embedded controller.It can finish some functions such as dust testing and cleaning in different circumstances.

solar power system;panels;automatic cleaning;embedded type

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1255-02

2016-04-10

田海川(1976—)，男，河北省人，講師，主要研究方向?yàn)闊崮芄こ毯妥詣?dòng)化控制。