太阳能清洁装置的设计

摘要：当前，随着全球能源危机加剧，清洁可持续能源占全球能源体系比重越来越大。光伏板作为清洁能源的代表之一，得到广泛应用。由于积灰对光伏板光电效率转换影响极大，设计光伏板清洁装置显得极为重要。清洁装置的设计以结构简单、性价比高为原则，实现对板的定期清洁，降低积灰影响，主要分为两部分。清洁的结构模型设计：框架结构设计、回收槽、喷头位置可调部分及电池板安装倾角、高度可调部分；喷头位置角度模拟计算：建立模型优化喷头位置，用较少的喷头实现较的喷淋效果。

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.

關键词： 光伏板；清洁装置；喷头位置；模型

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

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0122-05

0 引言

全球能源紧张，低碳理念深入人心，光伏板作为可持续能源，得到广泛应用。能源利用率成为关注重心[1]。全球能源结构从以石油为主的不可再生能源向低碳可持续的绿色能源结构转变成为必然。青海处中纬度带，辐射大、光照强，太阳能资源丰富，年总辐射量690.8～753.6千焦耳/cm2，直接辐射量占60%以上，仅次西藏，位居第二[2]。常用光伏板分为晶体硅型和薄膜型，其效率主要受光—电转化效率影响。表面灰尘沉积会造成灰尘颗粒覆盖在光伏板透光面上，透光板被遮盖部分无法透光而对光伏板效率产生影响[3]。

目前光伏板的清洁主要分三种：人工清洁，表面镀膜，机械自动清洁。我国大型光伏电站分布在条件恶劣地区较多，因昼夜温差大，干旱多沙尘，对结构要求严苛，且增加后期维护成本[4-5]。本着结构简单、性价比高，维护成本低的原则提出设计方案：设计通过在透光面镀疏水性膜，同时在太阳能电池板上创造类似南方多雨环境，将清洁溶液以喷淋的方式喷射到光伏板表面进行除尘，利用膜的疏水性、水流冲击力及清洁剂分解灰尘，实现良好的清洁效果，膜疏水性可降低溶液粘附在电池板面积聚灰尘造成的影响，同时对清洁溶液进行回收再利用减少污染，降低成本。

1 清洁装置模型的结构设计

清洁装置设计理念是运用荷叶原理在电池板透光面镀一层疏水膜，同时在电池板面创造富水表面利用膜的疏水性、喷射对灰尘的剥离力、清洁剂分解污渍，多重作用达到清洁目的，对清洁溶液回收处理再利用，达到环保、节约成本的目的。

本次设计小型的光伏板清洁装置结构。设计小模型降低费用同时实现清洁除尘，优化清洁效果。因此设计主要针对小电池板清洁硬件结构，设计实验用小光伏板支架，成本尽可能低，结构尽可能简单的优化。

光伏发电效率受积灰和光伏板安装倾角影响。清洁装置结构设计，通过倾角变化使电池板上太阳辐射面积最大化，同时富水表面需要多个喷头喷淋，喷头位置不确定，因此在硬件设计时要实现喷头位置可动态调。整体结构主要分两大部分：①清洁结构设计和回收槽部分，主要实现溶液回收和喷头位置可调；②光伏板安装倾角可调，对地高度可调部分的设计及两部分之间的连接。（图1）

1.1 清洁结构设计和回收槽结构

喷头位置可调节，采用两个L型钢件，对其中间进行开槽处理，通过改变两钢件组合位置，并利用螺栓固定，实现喷头位置可调，同时确定钢件与太阳能板的相对位置。

太阳辐射面积对光电效率影响大，电池板放置位置的边框在达到可放置光伏板的同时，边框尽可能窄。对光伏板清洁时，清洗溶液顺电池板面留下，在光伏板下边框设置长11cm开口，下部焊接回收槽并在回收槽底部开孔，以方便连接导通，循环利用，避免清洁溶液渗入地表的污染。（图3）

1.2 倾角可变，高度可调部分

太阳能电池板倾角对发电效率的影响大。倾角转变采用结构可使太阳能电池板上下180度可调的效果。构件易组装的同时，可变距离为16cm，每隔2cm设置一个孔，通过螺栓进行固定，实现高度的调节功能。（图4）

2 喷头位置角度的模拟计算

清洁装置设计采用水射流清洁，喷头角度位置的确定，决定了表面清洁的效果，模拟计算需要解决怎样用较少的喷头数，达到优良的清洁效果的问题。清洁溶液喷淋到电池板上时，溶液冲击力是剥离光伏板上灰尘的主力军，冲击力大的地方在光伏板上形成冲击面，因此模型使用的有效面积为冲击面积。采用喷头为扇形喷头，即喷出面积是夹角为40°的扇形，由于水泵的规格限制及理论与实际差异，喷淋形成的有效面积需要实验得到。通过实验发现喷头角度在0-15°范围内面积变化不明显，因此以15°为一个间隔对数据进行整理，喷头在距离光伏板边大于14cm时，冲击面积明显减小，距离大于18cm后基本可忽略。根据对实验采集冲击形状进行分类，主要为15°-75°基本形状为梯形、90°为长方形、0°距离为0cm时是三角形。因此用0°、45°、90°为代表表示冲击形状的大概尺寸。

2.1 模型条件的确定

通过实验可知，喷头喷到电池板上时边界基本为直线，忽略实验中人工误差影响，理想喷头喷出面积为均匀连续且夹角为40°的等边三角形，不考虑环境因素对喷头的影响。解决喷射角度为40°的喷头最优为多少个，位置怎样排布时，喷射面积覆盖整个太阳能电池板的清洁效果最佳的问题。通过实验测，有效面积与电池板面积之比在0.08-0.27之间，N即有效面积全覆盖的情况下喷头个数最小为4个。实验喷头有效距离大于18cm时各角度冲击面积都很小，可忽略。

2.2 数学模型建立

本次喷淋的模型中，喷头的参数主要有三个：喷头角度包括喷出扇形的角度（40°）和相对水平面角度（实验最优角度为45°）、喷头个数（最少4个）、喷头位置排布。喷淋装置的清洁效果主要有两方面因素：喷淋有效面积尽可能大的情况下能否覆盖整个电池板，清洁效果怎样用参数来表示。由于需要考虑的参数较多，将喷淋有效面积设定为可覆盖电池板，从而简化问题。

2.2.1 喷头位置排布的细化

考虑喷头喷出为单向40°等腰三角形，因此喷头位置设置在光伏板外。但喷头可以在光伏板外的任意位置，范围过大，且喷头喷射距离有限。合理对喷头位置设置边界条件，缩减范围，减小难度。喷射压力与距离成反比，因此离喷嘴越近，压力越大对光伏板面污渍的剥离力越大，同时考虑到喷头距离太近，接触部分形成湍流，降低清洁效率的影响，设定约束条件避免喷头距离过近造成的影响。通过喷头间间距考虑，可确定其在光伏板上的位置。

实验中所购买的小型电池板为正方形，由正方形对称性，将光伏板各边分为2n（n=1、2、3、4……）每份长度为喷头间距，即：A=13/2n（1）

得A的值为：6.5cm、3.25cm、2.167cm、1.65cm等。由喷射角40°，b=A/2tan20° （2）

得重叠位置相对喷头最小距离，b=8.93cm、4.46cm、2.98cm、2.23cm。

结合实验在离喷嘴0-4cm处喷头压力很大，容易产生湍流且影响清洁效果，因此在选择间距尽可能小的前提下，减小喷头间相互影响。因此选择边长四等分，间隔为3.25cm。根据喷头间距对光伏板各边等分，得到十六个位置点，每个位置点，都仅有一个变量。

2.2.2 噴淋有效面积的计算

这里的喷淋有效面积指喷头射程在小于18cm时，喷到电池板上的面积（与喷头距光伏板边距离有关）设喷头距光伏板的最短直线距离为Xi。Xi间变化互不干扰，彼此独立。将Xi根据细化的16个点分为三类每部分均有不同的取值区间：

2.2.3.3 喷头交叠影响区的约束条件

为避免喷头交叠区影响喷淋效果，故需约束喷头喷出距离较近时，喷头无交叠区。对角线上喷头及与之相邻光伏板边四分之一处喷头（图14）。

评价[A].塔里木石油年鉴[C].2011.

[5]王珊，高德东，郭菁莘，等.水射流在荒漠光伏电站电池清洁中的应用[J].太阳能学报，2015.

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