張萬軍 王剛 陳慧媛 鄒帥 楊桂軍

摘要：當(dāng)前，隨著全球能源危機(jī)加劇，清潔可持續(xù)能源占全球能源體系比重越來越大。光伏板作為清潔能源的代表之一，得到廣泛應(yīng)用。由于積灰對光伏板光電效率轉(zhuǎn)換影響極大，設(shè)計(jì)光伏板清潔裝置顯得極為重要。清潔裝置的設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高為原則，實(shí)現(xiàn)對板的定期清潔，降低積灰影響，主要分為兩部分。清潔的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)：框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、回收槽、噴頭位置可調(diào)部分及電池板安裝傾角、高度可調(diào)部分；噴頭位置角度模擬計(jì)算：建立模型優(yōu)化噴頭位置，用較少的噴頭實(shí)現(xiàn)較的噴淋效果。

Abstract： At present， as the global energy crisis intensifies， clean， sustainable energy accounts for a growing proportion of the global energy system. As one of the representatives of clean energy， photovoltaic panels have been widely used. Because of the great influence of ash deposition on the photoelectric efficiency conversion of photovoltaic panels， it is very important to design the photovoltaic panel cleaning device. The design of the cleaning device with simple structure and high cost as the principle， implementation of regular cleaning of plate， reduce the fouling effect， mainly divided into two parts： the design of the structure model of frame structure design： clean， recovery tank， nozzle position adjustable parts and panels installation angle， height adjustable nozzle position angle； simulation： experimental data to establish the model of optimization of spray nozzle position， with less effect than the nozzle.

關(guān)鍵詞： 光伏板；清潔裝置；噴頭位置；模型

Key words： photovoltaic panel；cleaning device；nozzle position；model

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0122-05

0 引言

全球能源緊張，低碳理念深入人心，光伏板作為可持續(xù)能源，得到廣泛應(yīng)用。能源利用率成為關(guān)注重心[1]。全球能源結(jié)構(gòu)從以石油為主的不可再生能源向低碳可持續(xù)的綠色能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為必然。青海處中緯度帶，輻射大、光照強(qiáng)，太陽能資源豐富，年總輻射量690.8～753.6千焦耳/cm2，直接輻射量占60%以上，僅次西藏，位居第二[2]。常用光伏板分為晶體硅型和薄膜型，其效率主要受光—電轉(zhuǎn)化效率影響。表面灰塵沉積會造成灰塵顆粒覆蓋在光伏板透光面上，透光板被遮蓋部分無法透光而對光伏板效率產(chǎn)生影響[3]。

目前光伏板的清潔主要分三種：人工清潔，表面鍍膜，機(jī)械自動清潔。我國大型光伏電站分布在條件惡劣地區(qū)較多，因晝夜溫差大，干旱多沙塵，對結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)苛，且增加后期維護(hù)成本[4-5]。本著結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高，維護(hù)成本低的原則提出設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)通過在透光面鍍疏水性膜，同時在太陽能電池板上創(chuàng)造類似南方多雨環(huán)境，將清潔溶液以噴淋的方式噴射到光伏板表面進(jìn)行除塵，利用膜的疏水性、水流沖擊力及清潔劑分解灰塵，實(shí)現(xiàn)良好的清潔效果，膜疏水性可降低溶液粘附在電池板面積聚灰塵造成的影響，同時對清潔溶液進(jìn)行回收再利用減少污染，降低成本。

1 清潔裝置模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清潔裝置設(shè)計(jì)理念是運(yùn)用荷葉原理在電池板透光面鍍一層疏水膜，同時在電池板面創(chuàng)造富水表面利用膜的疏水性、噴射對灰塵的剝離力、清潔劑分解污漬，多重作用達(dá)到清潔目的，對清潔溶液回收處理再利用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)約成本的目的。

本次設(shè)計(jì)小型的光伏板清潔裝置結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)小模型降低費(fèi)用同時實(shí)現(xiàn)清潔除塵，優(yōu)化清潔效果。因此設(shè)計(jì)主要針對小電池板清潔硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用小光伏板支架，成本盡可能低，結(jié)構(gòu)盡可能簡單的優(yōu)化。

光伏發(fā)電效率受積灰和光伏板安裝傾角影響。清潔裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過傾角變化使電池板上太陽輻射面積最大化，同時富水表面需要多個噴頭噴淋，噴頭位置不確定，因此在硬件設(shè)計(jì)時要實(shí)現(xiàn)噴頭位置可動態(tài)調(diào)。整體結(jié)構(gòu)主要分兩大部分：①清潔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和回收槽部分，主要實(shí)現(xiàn)溶液回收和噴頭位置可調(diào)；②光伏板安裝傾角可調(diào)，對地高度可調(diào)部分的設(shè)計(jì)及兩部分之間的連接。（圖1）

1.1 清潔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和回收槽結(jié)構(gòu)

噴頭位置可調(diào)節(jié)，采用兩個L型鋼件，對其中間進(jìn)行開槽處理，通過改變兩鋼件組合位置，并利用螺栓固定，實(shí)現(xiàn)噴頭位置可調(diào)，同時確定鋼件與太陽能板的相對位置。

太陽輻射面積對光電效率影響大，電池板放置位置的邊框在達(dá)到可放置光伏板的同時，邊框盡可能窄。對光伏板清潔時，清洗溶液順電池板面留下，在光伏板下邊框設(shè)置長11cm開口，下部焊接回收槽并在回收槽底部開孔，以方便連接導(dǎo)通，循環(huán)利用，避免清潔溶液滲入地表的污染。（圖3）

1.2 傾角可變，高度可調(diào)部分

太陽能電池板傾角對發(fā)電效率的影響大。傾角轉(zhuǎn)變采用結(jié)構(gòu)可使太陽能電池板上下180度可調(diào)的效果。構(gòu)件易組裝的同時，可變距離為16cm，每隔2cm設(shè)置一個孔，通過螺栓進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)高度的調(diào)節(jié)功能。（圖4）

2 噴頭位置角度的模擬計(jì)算

清潔裝置設(shè)計(jì)采用水射流清潔，噴頭角度位置的確定，決定了表面清潔的效果，模擬計(jì)算需要解決怎樣用較少的噴頭數(shù)，達(dá)到優(yōu)良的清潔效果的問題。清潔溶液噴淋到電池板上時，溶液沖擊力是剝離光伏板上灰塵的主力軍，沖擊力大的地方在光伏板上形成沖擊面，因此模型使用的有效面積為沖擊面積。采用噴頭為扇形噴頭，即噴出面積是夾角為40°的扇形，由于水泵的規(guī)格限制及理論與實(shí)際差異，噴淋形成的有效面積需要實(shí)驗(yàn)得到。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴頭角度在0-15°范圍內(nèi)面積變化不明顯，因此以15°為一個間隔對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，噴頭在距離光伏板邊大于14cm時，沖擊面積明顯減小，距離大于18cm后基本可忽略。根據(jù)對實(shí)驗(yàn)采集沖擊形狀進(jìn)行分類，主要為15°-75°基本形狀為梯形、90°為長方形、0°距離為0cm時是三角形。因此用0°、45°、90°為代表表示沖擊形狀的大概尺寸。

2.1 模型條件的確定

通過實(shí)驗(yàn)可知，噴頭噴到電池板上時邊界基本為直線，忽略實(shí)驗(yàn)中人工誤差影響，理想噴頭噴出面積為均勻連續(xù)且夾角為40°的等邊三角形，不考慮環(huán)境因素對噴頭的影響。解決噴射角度為40°的噴頭最優(yōu)為多少個，位置怎樣排布時，噴射面積覆蓋整個太陽能電池板的清潔效果最佳的問題。通過實(shí)驗(yàn)測，有效面積與電池板面積之比在0.08-0.27之間，N即有效面積全覆蓋的情況下噴頭個數(shù)最小為4個。實(shí)驗(yàn)噴頭有效距離大于18cm時各角度沖擊面積都很小，可忽略。

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

本次噴淋的模型中，噴頭的參數(shù)主要有三個：噴頭角度包括噴出扇形的角度（40°）和相對水平面角度（實(shí)驗(yàn)最優(yōu)角度為45°）、噴頭個數(shù)（最少4個）、噴頭位置排布。噴淋裝置的清潔效果主要有兩方面因素：噴淋有效面積盡可能大的情況下能否覆蓋整個電池板，清潔效果怎樣用參數(shù)來表示。由于需要考慮的參數(shù)較多，將噴淋有效面積設(shè)定為可覆蓋電池板，從而簡化問題。

2.2.1 噴頭位置排布的細(xì)化

考慮噴頭噴出為單向40°等腰三角形，因此噴頭位置設(shè)置在光伏板外。但噴頭可以在光伏板外的任意位置，范圍過大，且噴頭噴射距離有限。合理對噴頭位置設(shè)置邊界條件，縮減范圍，減小難度。噴射壓力與距離成反比，因此離噴嘴越近，壓力越大對光伏板面污漬的剝離力越大，同時考慮到噴頭距離太近，接觸部分形成湍流，降低清潔效率的影響，設(shè)定約束條件避免噴頭距離過近造成的影響。通過噴頭間間距考慮，可確定其在光伏板上的位置。

實(shí)驗(yàn)中所購買的小型電池板為正方形，由正方形對稱性，將光伏板各邊分為2n（n=1、2、3、4……）每份長度為噴頭間距，即：A=13/2n（1）

得A的值為：6.5cm、3.25cm、2.167cm、1.65cm等。由噴射角40°，b=A/2tan20° （2）

得重疊位置相對噴頭最小距離，b=8.93cm、4.46cm、2.98cm、2.23cm。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)在離噴嘴0-4cm處噴頭壓力很大，容易產(chǎn)生湍流且影響清潔效果，因此在選擇間距盡可能小的前提下，減小噴頭間相互影響。因此選擇邊長四等分，間隔為3.25cm。根據(jù)噴頭間距對光伏板各邊等分，得到十六個位置點(diǎn)，每個位置點(diǎn)，都僅有一個變量。

2.2.2 噴淋有效面積的計(jì)算

這里的噴淋有效面積指噴頭射程在小于18cm時，噴到電池板上的面積（與噴頭距光伏板邊距離有關(guān)）設(shè)噴頭距光伏板的最短直線距離為Xi。Xi間變化互不干擾，彼此獨(dú)立。將Xi根據(jù)細(xì)化的16個點(diǎn)分為三類每部分均有不同的取值區(qū)間：

2.2.3.3 噴頭交疊影響區(qū)的約束條件

為避免噴頭交疊區(qū)影響噴淋效果，故需約束噴頭噴出距離較近時，噴頭無交疊區(qū)。對角線上噴頭及與之相鄰光伏板邊四分之一處噴頭（圖14）。

在此位置處必有交疊區(qū)，因此約束選擇對角線噴頭時，不可選擇與之相臨的四分之一處噴頭即

當(dāng)P21=1時P14=0或P14=1時 P21=0；

當(dāng)P31=1時P24=0或P24=1時 P31=0；

當(dāng)P41=1時P34=0或P34=1時P41=0；

當(dāng)P11=1時P44=0或P44=1時P11=0。

2.2.4 模型求解

利用約束，使各噴頭有效面積相加的最小值等于板面積。從而求得噴頭最佳位置，和噴頭距離光伏板邊長度。

并將實(shí)驗(yàn)處理的數(shù)據(jù)有效面積占總光伏板的比值Q（Xi）取同距離下比值最大值，根據(jù)所取的Xi值取值結(jié)果相加大于1：

其中Q（Xi）取值時，對區(qū)間內(nèi)進(jìn)行線性等分取值。

2.2.5 結(jié)果分析

使用matlab編程分析后所得結(jié)果為：有效面積最大時噴頭位置排布為P14=P24=P34=P44=1或P12=P22=P32=P42=1且距光伏板邊距離為10cm時，噴頭排布如圖15所示。

根據(jù)理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明在該位置時4噴頭可實(shí)現(xiàn)對光伏板的全覆蓋，同時由于噴頭各邊只分布一個，減小干擾區(qū)，噴頭在光伏板上形成的沖擊面覆蓋整光伏板，同時溶液受重力影響沿光伏板邊下落時，對容易積灰的部分進(jìn)行二次清潔，清潔效果較優(yōu)。

3 結(jié)論

清潔裝置結(jié)構(gòu)性價(jià)比高，可實(shí)現(xiàn)安裝傾角傾角，高度可調(diào)節(jié)。同時通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理得出噴頭最佳排布方式即在P14=P24=P34=P44=1或P12=P22=P32=P42=1。通過模型的建立確定了4個噴頭即可實(shí)現(xiàn)對光伏板清潔，噴頭的排布避免了噴頭高壓區(qū)域重疊，同時水流受重力影響，對光伏板易積灰的下半部分實(shí)現(xiàn)二次清洗，并對溶液回收再利用。對大型光伏電站的清潔實(shí)現(xiàn)具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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