何 軍，程天翊，韓 穎

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項(xiàng)目背景

“十二五”時(shí)期，我國(guó)新增太陽能光伏電站裝機(jī)容量約1 000萬千瓦，太陽能光熱發(fā)電裝機(jī)容量100萬千瓦，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)約1 000萬千瓦，光伏電站投資按平均每千瓦1萬元測(cè)算，分布式光伏系統(tǒng)按每千瓦1.5萬元測(cè)算，總投資需求約2 500億元。目前，我國(guó)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展。另外，我國(guó)的光伏發(fā)電大都選在光照條件好、土地使用費(fèi)用低的西北部，西部地區(qū)的光照強(qiáng)度較大，能夠追求最大的發(fā)電效益，但是西部地區(qū)卻也大都存在著風(fēng)沙大、塵土多的問題，這些沙塵積聚在光伏電池板上，嚴(yán)重地影響了發(fā)電效率。

對(duì)于固定型號(hào)的太陽能電池，其標(biāo)稱發(fā)電效率實(shí)際上是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下的性能指標(biāo)，即輻照度為1 000 W/m2，溫度為25±1℃，大氣品質(zhì)AM為1.5，而在實(shí)際光伏電站運(yùn)行中，周圍環(huán)境時(shí)時(shí)刻刻都在變化，從而影響了光伏電池的發(fā)電性能。當(dāng)溫度上升時(shí)，太陽能電池短路電流有微弱的上升，開路電壓明顯下降，最終導(dǎo)致電池的最大輸出功率下降。

基于以上背景，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了應(yīng)用于光伏發(fā)電板自清潔的輔助降溫裝置。將在技術(shù)上難以提高效率的問題轉(zhuǎn)移至實(shí)際工作環(huán)境中，再次提高光伏發(fā)電效率，促進(jìn)綠色能源發(fā)展，為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作出貢獻(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體組成及操作流程

本作品是基于形狀記憶金屬合金變形特性而設(shè)計(jì)的一套全機(jī)械裝置，裝置一共可分為三大模塊，分別是記憶金屬動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊和光伏發(fā)電模塊。其中，記憶金屬發(fā)電模塊在陽光暴曬下與水端形成溫差，使記憶金屬發(fā)生形變和回復(fù)的反復(fù)過程，提供動(dòng)力，并由此循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)后，轉(zhuǎn)化為毛刷的直線運(yùn)動(dòng)，具體如圖1所示。

圖1 裝置模型圖

各裝置有序連接后，水槽藏于光伏發(fā)電板背面，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和記憶金屬動(dòng)力模塊在其側(cè)面，接收光照，之后將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為水提供動(dòng)力。整個(gè)過程屬于全自動(dòng)過程，同時(shí)利用太陽能光熱為裝置提供能量。每一套裝置形成一個(gè)單元，所有單元構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過水槽的連接設(shè)計(jì)，將其統(tǒng)一，方便在其一端補(bǔ)充水源，大量減少人工，保證裝置的自動(dòng)化運(yùn)行。

2.2 光伏發(fā)電模塊設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的光伏發(fā)電模塊與傳統(tǒng)市場(chǎng)上的光伏發(fā)電板接軌并相適應(yīng)，由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜和太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。

2.3 記憶金屬動(dòng)力模塊

記憶金屬模塊由固定支架、水槽、環(huán)形聚光器、記憶金屬?gòu)椈?、傳?dòng)輪構(gòu)成，工作時(shí)，將其安裝在光伏發(fā)電板側(cè)面，聚光器一側(cè)朝外，為前傳動(dòng)輪加熱，并使其始終維持在一定的高溫狀態(tài)。水槽整體在光伏發(fā)電板背面，與之相對(duì)的后傳動(dòng)輪浸沒在水槽內(nèi)的水中，溫度相對(duì)較低。于是，前后傳動(dòng)輪分別形成熱端和冷端，形成溫差，為記憶金屬的變形提供溫度條件，使得記憶金屬?gòu)椈裳貍鲃?dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)輪對(duì)外輸出軸功。固定支架支撐起整個(gè)動(dòng)力模塊，連接4個(gè)傳動(dòng)輪，連接水槽，固定環(huán)形聚光器，與光伏發(fā)電板結(jié)構(gòu)支架相連接固定，使其固定在整個(gè)光伏發(fā)電裝置一側(cè)，不占據(jù)光伏發(fā)電板受到的光照面積。

聚光器與前傳動(dòng)輪同軸，固定在固定支架上，采用反射率大、透射率小的材料，將一定面積內(nèi)的光照匯集至前傳動(dòng)輪上，加熱傳動(dòng)輪，保證其高溫狀態(tài)，以追求最大的溫差，達(dá)到運(yùn)行的最佳效果。水槽采用半封閉結(jié)構(gòu)，與最后的供水模塊相通，設(shè)計(jì)盡量封閉的結(jié)構(gòu)，以減少水流的蒸發(fā)量，減少水資源的浪費(fèi)。

2.4 記憶金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

記憶金屬?gòu)椈刹牧线x用鎳鈦記憶合金，其伸縮率在20%以上，疲勞壽命達(dá)到1×107，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，制成細(xì)長(zhǎng)封閉彈簧，將彈簧纏繞至4個(gè)傳動(dòng)輪上，在冷熱兩端存在溫差時(shí)，發(fā)生各自對(duì)應(yīng)的變形與恢復(fù)、拉伸與收縮。在將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能這個(gè)過程中，帶動(dòng)4個(gè)傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)外輸出軸功。固定支架選用PP材質(zhì)，其主要特性為密度小、抗沖擊性強(qiáng)、表面剛度好、抗劃痕、延展性好、抗吸濕，這些特性使其在運(yùn)行過程中能減少能量的損耗。固定支架的制作可由3D打印機(jī)打印制成，傳動(dòng)輪同樣采用PP材質(zhì)，擁有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在其表面涂有黑色吸光材料，保證大量的吸收光熱，使得熱端維持在高溫狀態(tài)。傳動(dòng)齒輪采用PP材質(zhì)，表面剛度好、不易變形，可采用3D打印制成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。

2.5 傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)如圖2所示，該模塊的作用主要是將記憶金屬動(dòng)力模塊的軸動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，且為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)由齒條和中間的齒輪構(gòu)成，記憶金屬產(chǎn)生的軸動(dòng)轉(zhuǎn)換為一側(cè)齒條的線運(yùn)動(dòng)，然后運(yùn)動(dòng)至另一齒條另一端，整個(gè)動(dòng)力模塊一起進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與毛刷的同軸為毛刷旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

圖2 傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)圖

本裝置背面另外裝有導(dǎo)軌配重，當(dāng)毛刷向下移動(dòng)時(shí)，對(duì)重上升，一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)后，毛刷向上移動(dòng)，對(duì)重向下，使得毛刷上移的阻力減小，防止中間出現(xiàn)卡出的情況。

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需配合對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電板結(jié)構(gòu)支架，將其固定在光伏發(fā)電板一側(cè)。選用輕質(zhì)且強(qiáng)度較高的塑料，以延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，使能耗降至最低。

毛刷選用輕質(zhì)硬桿制成的龍骨，其運(yùn)動(dòng)方式為緊貼光伏發(fā)電板表面，且限制于導(dǎo)軌上。

最終傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的表現(xiàn)為：動(dòng)力模塊與水槽、毛刷一起在齒輪的傳動(dòng)下做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)主要由齒條下方的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，記憶金屬動(dòng)力模塊部分凸出，與導(dǎo)軌凹處相觸，環(huán)繞長(zhǎng)條凸起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在上下不同過程中分別處于上下兩條凹槽中，保證齒輪只與齒條的一側(cè)相嚙合，另一側(cè)不接觸，從而保證反復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

3 可行性分析

本項(xiàng)目由4大模塊構(gòu)成，基于形狀記憶合金的溫差發(fā)電利用的擴(kuò)展，舍棄其原有的發(fā)電模式，雖其研究較多，也較為成熟，但其涉及能量的二次轉(zhuǎn)化，能量利用率較低，于是采取直接利用其產(chǎn)生的機(jī)械能作用于太陽能電池板表面，起到清潔及降溫作用。形狀記憶合金的技術(shù)應(yīng)用已較為廣泛，且在本裝置中，合金結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要為往復(fù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可行。與現(xiàn)有的各種自清潔裝置對(duì)比，本裝置具有更多優(yōu)點(diǎn)和更強(qiáng)的適應(yīng)性?，F(xiàn)有的自清潔裝置多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以機(jī)器人的形式進(jìn)行自清潔，此過程需要耗費(fèi)大量能量，且裝置在運(yùn)行過程中，無法做到即時(shí)清潔，本裝置在高溫環(huán)境下自動(dòng)開始工作，且運(yùn)行過程中無能量損耗，零耗能的設(shè)計(jì)思路競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，節(jié)能減排效益也最佳。因此，本項(xiàng)目具有較大的可行性。

4 總結(jié)

我國(guó)太陽能資源豐富，全國(guó)年日照大于2 200 h的地區(qū)超過2/3，年輻射量為5 900 MJ/m2，是世界上太陽能最豐富的地區(qū)之一。因此，我國(guó)非常適合太陽能的開發(fā)與利用。目前，大規(guī)模利用太陽能主要是用來進(jìn)行發(fā)電，而太陽能光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的主要形式。

太陽能發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。太陽能電站可建設(shè)在已有建筑上，不占地，建設(shè)周期短。由于系統(tǒng)建在負(fù)荷中心附近，無需建設(shè)昂貴的輸電網(wǎng)和變電站，輸配電損耗低，減少了長(zhǎng)距離輸電帶來的巨大投資和電力損耗。采用太陽能作為能源，綠色無污染，減少有害物質(zhì)的排放總量。而本裝置所能實(shí)現(xiàn)的功能為在零能耗的情況下，全自動(dòng)降溫且清潔光伏發(fā)電板，能夠有效提高發(fā)電板的發(fā)電效率，符合節(jié)能減排的要求，因此，將本裝置用于提高太陽能發(fā)電板效率，具有較好的應(yīng)用前景。