康洪波，范 虹，趙 蕾,2，龔 旭,2，李曉琪,2

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000；2.張家口浩源電子科技有限公司，河北張家口075000)

京津冀環(huán)境下太陽電池板清潔方法研究

康洪波1，范 虹1，趙 蕾1,2，龔 旭1,2，李曉琪1,2

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000；2.張家口浩源電子科技有限公司，河北張家口075000)

嚴(yán)重的環(huán)境問題使得綠色能源的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注，而太陽能發(fā)電又成為其中研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。在京津冀地區(qū)，霧霾、灰塵嚴(yán)重影響著光伏電站的發(fā)電效率。在研究京津冀地區(qū)灰塵成分、形狀粒徑的基礎(chǔ)上，形成了針對(duì)該地區(qū)的灰塵清潔方法與發(fā)電效率之間的處理方案，并在該方案的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)及相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備提出了一種自適應(yīng)性太陽電池板清潔裝置。

京津冀;太陽電池板;灰塵清潔

在近幾年環(huán)保部發(fā)布的全國城市空氣質(zhì)量狀況報(bào)告中，京津冀已經(jīng)成為污染治理的重點(diǎn)地區(qū)。改善環(huán)境的措施之一就是利用清潔能源來代替化石能源，因此，各種光伏電站應(yīng)運(yùn)而生。

隨著光伏電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏電站的后期維護(hù)成為電站高效運(yùn)行的重中之重。這其中，太陽電池板表面灰塵對(duì)發(fā)電效率的影響成為提高運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素。而在京津冀地區(qū)，一方面，太陽能發(fā)電裝置要經(jīng)受霧霾的考驗(yàn)；而另一方面，在空氣質(zhì)量好的張承地區(qū)，雖然沒有霧霾，但是風(fēng)沙大、揚(yáng)塵多，也給電池板的發(fā)電帶來不利的影響。因此，研究針對(duì)京津冀地區(qū)的太陽電池板清潔技術(shù)，具有重要的意義。

據(jù)調(diào)查，積塵對(duì)太陽能陣列的發(fā)電效率有著比較嚴(yán)重的影響。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使發(fā)電效率降低20%以上。同時(shí)，厚厚的積塵還會(huì)在太陽能陣列的表面產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，縮短電池板的使用壽命，引起電池板故障。因此，采取有效的手段對(duì)電池板進(jìn)行除塵是保證光伏發(fā)電效率的重要措施。

概括起來，目前的電池板除塵方法主要有兩種：自然除塵和機(jī)械除塵[1]。自然除塵是指利用自然界的力量，例如自然的風(fēng)、雨等因素使灰塵自然脫落。這種方法的效率較低，尤其是在霧霾嚴(yán)重或空氣濕度較大的地區(qū)，會(huì)使灰塵顆粒粘黏在太陽電池板表面，僅靠自然的力量很難去除；另一種方法是機(jī)械除塵，主要利用機(jī)械設(shè)備，采用某種媒介來去除電池板的灰塵。媒介主要有兩種，一種是振動(dòng)或超聲波，另一種是水。對(duì)于振動(dòng)或超聲波而言，難點(diǎn)在于如何在保證光伏發(fā)電設(shè)備可靠工作的前提下，產(chǎn)生陣列的振動(dòng)，而且振幅的大小還必須能產(chǎn)生有效的除塵效果。而對(duì)于水媒介而言，一方面水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，另一方面，在寒冷的冬季，除塵的水滴會(huì)在電池板表面形成冰膜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)凍裂太陽電池板。

除自然除塵和機(jī)械除塵外，除塵方法還有納米自清潔薄膜除塵、靜電除塵和行波電簾除塵等方法。這些方法成本高，一時(shí)還難以應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。因此針對(duì)這些情況，以京津冀地區(qū)氣候?yàn)楸尘埃治鲈摰貐^(qū)灰塵的粘附特性和移除方法，并以此為指導(dǎo)，研究出一種更適合于該地區(qū)的電池板除塵方案，具有十分重要的意義。

1 京津冀地區(qū)灰塵特性對(duì)光伏發(fā)電的影響

如圖1所示，京津冀地區(qū)地處太行山脈，是我國太陽能資源豐富和次豐富區(qū)，而這兩個(gè)區(qū)域也針對(duì)了兩種氣候條件，所形成的灰塵條件也不相同。在該地區(qū)的北部，主要包括了張承地區(qū)，太陽能資源豐富，霧霾少，風(fēng)力較大，降雨量小，所以灰塵的主要成分是揚(yáng)塵或揚(yáng)沙，灰塵的顆粒大，粘黏性小，所以這一地區(qū)自然除塵是有一定的作用的，但是灰塵量大，只用自然除塵方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要一定的其他方法。

在該地區(qū)的南部，地處太行山脈的南面，風(fēng)力小，霧霾嚴(yán)重，空氣濕度也相應(yīng)較大，所以灰塵顆粒小，粘黏性大，所以單利用自然除塵是起不到除塵的作用的，還需要增加相應(yīng)的措施。

圖1 我國太陽能資源分布圖

2 機(jī)械除塵原理和裝置

在自然除塵的基礎(chǔ)上，采用機(jī)械除塵的方法是有效的途徑。

太陽電池板上的灰塵主要受到四種力的影響：凈重力、范德華力、靜電力和粘附力。在張承地區(qū)，氣候干燥，經(jīng)測(cè)試，在太陽電池板表面上的灰塵含水量較少，一般都不大于0.3%，因此，灰塵顆粒的毛細(xì)作用力小，粘附力??；同時(shí)灰塵顆粒較大，相對(duì)比于范德化力而言，凈重力對(duì)太陽電池板上的落塵影響更大，因此，機(jī)械方法宜采用先清掃，再用一定量的水進(jìn)行沖洗的方法。而對(duì)于南部地區(qū)，電池板上的灰塵受粘附力的影響，需要進(jìn)一步提高除塵的力度，所以用水沖洗的過程中需要加入一些清洗劑，以加強(qiáng)除塵的效果。電池板上的灰塵主要受力分析圖如圖2所示[1]。

圖2 灰塵顆粒受力圖

如圖2中所示，G為灰塵顆粒所受凈重力，Gx和Gy為凈重力在X與Y方向上的分量，這兩個(gè)分量一個(gè)形成了灰塵的下滑力，另一個(gè)形成軸向壓力，是粘附力的一個(gè)重要形成原因；T是灰塵顆粒與電池板的摩擦力、灰塵顆粒之間的作用力的合作力，Tx形成與Gx方向相反的抗滑力，起平衡下滑力的作用，Ty形成軸向壓力，作用與Gy相同；而FE和Fvdw為總靜電力和范德華力，形成的作用同軸向壓力。

從以上受力的分析情況來看，除塵要破壞的力有兩個(gè)，一個(gè)是軸向壓力，另一個(gè)是剩余抗滑力，大小為向上的抗滑力減去向下的下滑力。機(jī)械除塵可以先用除塵撣破壞軸向壓力，再利用水沖的方向來破壞剩余抗滑力。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)除塵裝置如圖3所示。

圖3 機(jī)械去塵裝置圖

如圖3所示，整個(gè)除塵裝置由三部分組成，第一部分是撣(刷)式除塵裝置，除塵撣(刷)采用兩種形式組合完成，一種是條形撣(刷)，另一種是圓盤撣(刷)，操作方式是前面由圓盤撣(刷)將電池板上的灰塵沿圓心方向旋轉(zhuǎn)擦除，以減小灰塵的附著力，后面由條形撣(刷)沿橫向清掃灰塵。這一部分完成了電池板的初級(jí)清塵。

當(dāng)電池板的初級(jí)清塵完成后，再利用高壓水槍對(duì)電池板進(jìn)行沖刷，以完成電池板的深度清洗。因此，整個(gè)裝置的第二部分就是水洗裝置，水洗裝置由水箱、水泵、膨脹罐、電磁閥、高壓水槍等五部分組成。

整個(gè)裝置的最后一個(gè)部分，也是最核心的部分是系統(tǒng)控制裝置。系統(tǒng)控制裝置由控制器、數(shù)據(jù)采集裝置、無線通信裝置來組成?？刂破骺梢圆捎脝纹瑱C(jī)，單片機(jī)的功能強(qiáng)弱由系統(tǒng)控制的精度來決定，當(dāng)控制精度不高時(shí)，可以采用8位的單片機(jī)就可，而對(duì)于控制精確要求高的場(chǎng)合，要采用16位，甚至32位的ARM芯片，這樣可以將清潔度控制算法植入于芯片內(nèi)，以達(dá)到利用算法來提高控制精度的目的。數(shù)據(jù)的采集裝置是一個(gè)利用各種傳感器來構(gòu)建的灰塵厚度采集器，目前常用的傳感器是微波傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等。本裝置中，控制器與撣(刷)式除塵裝置、水洗裝置的數(shù)據(jù)通信采用無線通信方式，這樣可以解決布線繁亂和改線困難的問題。無線通信方式可以采用例如紅外線、ZigBee等短距離通信方式，從而可以達(dá)到通信高效的目的。

3 機(jī)械除塵方法效果的分析

機(jī)械除塵的潔凈度來自于兩個(gè)方面，一個(gè)是灰塵撣的動(dòng)作壓力和次數(shù)，另一個(gè)是水清洗的水量和時(shí)間。目前常用的清潔方式都是固定方式，也就是說，這兩方面的因素都是在多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)定的硬件動(dòng)作，并將這種動(dòng)作固定好來實(shí)施。這種方式具有硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是卻不太適應(yīng)氣候的變化較大的情況，例如在張承地區(qū)，春冬秋季節(jié)風(fēng)沙大，夏季風(fēng)沙小，而且在同一個(gè)時(shí)間段，氣候的變化也是多端的，因此，為了提高機(jī)械除塵的精度，本設(shè)計(jì)利用ANFIS方法來加強(qiáng)除塵裝置的適應(yīng)性。

ANFIS方法的全稱是自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)，主要用來處理具有高度復(fù)雜性、多變性和非線性的問題[2]。而針對(duì)京津冀地區(qū)的氣候問題，利用ANFIS方法來提高預(yù)測(cè)的精確度，正是ANFIS所善長的領(lǐng)域。

一般情況下，ANFIS采用四個(gè)步驟來完成預(yù)測(cè)模型的建立，分別為：(1)利用系統(tǒng)內(nèi)已采集數(shù)據(jù)構(gòu)造原始數(shù)據(jù)集，對(duì)利用一些簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)算法對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，為保證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，本實(shí)例采用上一年的每隔5天的氣候值(溫度、濕度、日照強(qiáng)度、風(fēng)力等)進(jìn)行構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并將該地區(qū)前5年的極端氣候值統(tǒng)計(jì)出來，添加入該數(shù)據(jù)庫中；

(2)確定氣候問題的隸屬度函數(shù)。氣候參數(shù)的復(fù)雜多變使得函數(shù)本身也要適應(yīng)問題本身的復(fù)雜性，在本例當(dāng)中選用鐘形函數(shù)來完成，具體公式如下所示：

式中：oij是隸屬函數(shù)的中心；dij是隸屬函數(shù)的寬度，當(dāng)季節(jié)不同時(shí)，oij和dij取值也不同，而oij、dij的不同直接對(duì)應(yīng)隸屬函數(shù)形狀的改變。

(3)構(gòu)建模糊推理系統(tǒng)的模糊規(guī)則。在本例中，利用MATLAB的genfis1生成模糊規(guī)則，從而完成從數(shù)據(jù)中生成FIS結(jié)構(gòu)的任務(wù)。

(4)以數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本值，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的輸入值，利用BP多層前饋網(wǎng)絡(luò)誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法來形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸出值，為了提高輸出層的準(zhǔn)確性，反向傳播函數(shù)采用最小二乘法來完成。

(5)根據(jù)以上模型及相應(yīng)的函數(shù)，使用ANFIS進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)訓(xùn)練，訓(xùn)練次數(shù)取300次，取數(shù)據(jù)庫中一個(gè)周期(三年)的1 000組數(shù)據(jù)，生成后一個(gè)周期(后一年)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行持續(xù)性的ANFIS模型修改，直到數(shù)據(jù)基本符合為止。

4 總結(jié)

本文針對(duì)京津冀環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了太陽能除塵系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用機(jī)械除塵方法，利用水和灰塵撣作為除塵媒介，并在單片機(jī)中嵌入ANFIS，來改善機(jī)械除塵的效果，從而實(shí)現(xiàn)太陽電池板的有效清潔。

[1]曲君樂，呂斌，吳承璇.太陽電池板自動(dòng)清掃裝置的研制[J].山東科學(xué),2013(8)：52-53.

[2]劉懷國，孫建華，張冰.ANFIS及其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(10):34-36.

Cleaning method of solar panel in Beijing-Tianjin-Hebei region

KANG Hong-bo1,FAN Hong1,ZHAO Lei1,2,GONG Xu1,2,LI Xiao-qi1,2
(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei 075000,China;2.Zhangjiakou Haoyuan Electronic Technology Co.,LTD,Zhangjiakou Hebei 075000,China)

The green energy has been widely used due to the serious environmental problems,and solar power has become one of the research and application focus.In the Beijing-Tianjin-Hebei region,haze and dust,have seriously affected the power generation efficiency of photovoltaic power plants.Based on the research of the dust composition and shape particle size in Beijing-Tianjin-Hebei area,the treatment scheme between the dust cleaning method and power generation efficiency was formed.On the basis of the scheme,an adaptive solar panel cleaning device was proposed by using single chip microcomputer and corresponding mechanical equipment.

Beijing-Tianjin-Hebei;solar panels;dust clean

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1045-03

2016-12-21

河北建筑工程學(xué)院科研基金(2016XJJZD04)

康洪波(1972—)，女，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>