太陽(yáng)能電池板自動(dòng)除塵裝置

何炬

研制背景及意義

太陽(yáng)能電池板表面除塵的傳統(tǒng)方法有兩種：一種是采用水沖刷，這種方法會(huì)耗費(fèi)大量人力和水資源，且這種方法只能應(yīng)用于安裝在低矮位置的太陽(yáng)能電池板，如太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能地?zé)舻?，?duì)安裝在較高位置的太陽(yáng)能電池板，如太陽(yáng)能路燈、屋頂太陽(yáng)能供電裝置，則除塵極為不便；另一種是通過(guò)控制器用電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置對(duì)太陽(yáng)能電池板表面進(jìn)行除塵，此類(lèi)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，且初始投入與后期維護(hù)成本較高，大大增加了發(fā)電成本，不易推廣應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們研制出了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、能夠自動(dòng)運(yùn)行并且節(jié)約能源的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)除塵裝置。本裝置僅使用太陽(yáng)能，不消耗其他能源，在能源危機(jī)日益加劇的今天具有很好的發(fā)展前景。

設(shè)計(jì)方案

太陽(yáng)能電池板自動(dòng)除塵裝置基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括裝有自主研制的相變材料的集熱裝置、氣缸、除塵刷、壓力真空表及閥門(mén)。氣缸布置在太陽(yáng)能電池板的一側(cè)，通過(guò)氣缸支架與太陽(yáng)能電池板邊框固定連接。集熱管的出氣口通過(guò)管道連接氣缸的進(jìn)氣口，管道上安裝有一個(gè)四通接頭。四通接頭的一端連按壓力真空表，用于測(cè)量管道內(nèi)的壓力值；一端連接閥門(mén)，用于對(duì)管道和集熱管抽真空，使氣動(dòng)裝置的管道內(nèi)在初始階段為負(fù)壓；四通接頭的另外兩端與管道相連。氣缸的滑塊與氣缸支架下端之間裝有相吸的磁鐵片，確?；钊跉鈮涸黾拥臈l件下能直接運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌上端，不會(huì)在導(dǎo)軌中間停留?；瑝K同時(shí)與除塵桿相連，除塵桿與滑塊一體或者固定在一起，除塵刷安裝于除塵桿上，位于太陽(yáng)能電池板的正面，與太陽(yáng)能電池板的上、下兩邊緣平行，其起始位置位于太陽(yáng)能電池板的下端。

太陽(yáng)能電池板自動(dòng)除塵裝置選取膨脹度高、相變潛熱小的相變材料為工質(zhì)，利用相變材料的熱膨脹產(chǎn)生推動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行。

裝置的工作原理見(jiàn)圖2。白天，太陽(yáng)能電池板自動(dòng)除塵裝置接受陽(yáng)光照射，集熱管吸熱升溫，同時(shí)一部分陽(yáng)光通過(guò)反光壁面反射到集熱管上，使得集熱管的溫升加劇，引起管內(nèi)相變材料汽化，隨著汽化的液體增加，管道內(nèi)的壓力也隨著增大。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，集熱管內(nèi)的高壓氣體將推動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞移動(dòng)，從而推動(dòng)除塵刷上移，直到升至太陽(yáng)能電池板的最頂端，達(dá)到清潔太陽(yáng)能電池板的目的。

夜間溫度下降，管道內(nèi)的氣體由于降溫而開(kāi)始液化，管道壓力逐漸減小。當(dāng)壓力減小到一定程度時(shí)，由于管道中初始狀態(tài)是負(fù)壓，大氣壓通過(guò)出氣口推動(dòng)活塞帶動(dòng)氣缸滑塊向下移動(dòng)，直至回到太陽(yáng)能電池板的最下端，除塵刷也回到初始位置。按照這樣的工作方式，除塵刷每天往復(fù)運(yùn)動(dòng)1次，即能保證太陽(yáng)能電池板的表面在大部分時(shí)間里是清潔的，這樣就使太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率維持在一個(gè)較高的水平。本裝置實(shí)物照片見(jiàn)圖3。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以180瓦太陽(yáng)能電池板為例。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)太陽(yáng)能電池板表面灰塵覆蓋量達(dá)到4.05克/平方米時(shí)，會(huì)造成發(fā)電量下降約40%，等效于發(fā)電功率下降72瓦，按照單晶硅太陽(yáng)能電池板每瓦12元的價(jià)格計(jì)算，即有72×12=864元的投資被浪費(fèi)掉。按照本方案設(shè)計(jì)生產(chǎn)的應(yīng)用于180瓦太陽(yáng)能電池板的除塵裝置價(jià)格為每套600元，再加上太陽(yáng)能電池板本身的價(jià)格，該套設(shè)備共計(jì)2760元。如果將該筆資金只用于太陽(yáng)能電池板的購(gòu)置，則可購(gòu)得230瓦的太陽(yáng)能電池板。如果不采取任何清潔措施，那么達(dá)到4.05克/平方米的灰塵覆蓋量后，太陽(yáng)能電池板的效率會(huì)下降多達(dá)40%，即實(shí)際可用功率只剩下138瓦，遠(yuǎn)低于安裝本裝置后的180瓦電池板。

結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)

利用相變材料晝夜特性的差異，采用獨(dú)特的氣動(dòng)除塵方式對(duì)太陽(yáng)能電池板的積塵進(jìn)行清潔，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)方案新穎。

工質(zhì)選取高膨脹度、低汽化潛熱的相變材料，在較低的溫度下，工質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化量，從而產(chǎn)生較大的壓力，保證了太陽(yáng)能電池板自動(dòng)除塵裝置的高效運(yùn)行。

設(shè)備安裝時(shí)對(duì)集熱管進(jìn)行抽真空，使得除塵部件的返回過(guò)程更順暢，僅利用太陽(yáng)能作為動(dòng)力源，不需消耗額外的能源，節(jié)能環(huán)保。

應(yīng)用價(jià)值

該產(chǎn)品采用氣動(dòng)除塵的方法，有效地解決了現(xiàn)有太陽(yáng)能電池板除塵方式浪費(fèi)水資源、裝置復(fù)雜、較難維護(hù)的問(wèn)題。本產(chǎn)品僅使用太陽(yáng)輻射能作為裝置運(yùn)行的動(dòng)力，不消耗其他額外能源，通過(guò)相變材料在晝夜條件下的特性差異，能夠很好地對(duì)太陽(yáng)能電池板表面進(jìn)行清潔。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)獨(dú)特，運(yùn)行效率高，易于維護(hù)，市場(chǎng)前景廣闊，在技術(shù)成熟的情況下可大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用和推廣。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大和節(jié)能減排戰(zhàn)略的貫徹，本產(chǎn)品將迎來(lái)更多的契機(jī)，必定會(huì)有更好的市場(chǎng)前景。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)了一種用于太陽(yáng)能電池板的自動(dòng)除塵裝置，相變材料的應(yīng)用有特色，構(gòu)思巧妙，節(jié)能環(huán)保，有應(yīng)用前景。建議不斷完善技術(shù)方案，在實(shí)際中推廣和使用。