面向太陽能電池板清潔作業(yè)的風能落沙器研究與設(shè)計

馬 宏 任賀宇 麻勝南 龐永俊 常宗越 李媛媛

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口市智能機械技術(shù)創(chuàng)新中心；3.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引 言

2015年《河北省張家口市可再生能源示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出：張家口是我國華北地區(qū)風能和太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，風能資源可開發(fā)量達4000萬千瓦以上，太陽能發(fā)電可開發(fā)量達3000萬千瓦以上.計劃可再生能源消費量占終端能源消費總量比例：2020年達到30%，2030年達到50%；到2050年80%的電力消費來自可再生能源，光伏發(fā)電裝機規(guī)模達到2400萬千瓦[1].

由于空氣中的塵土沉積等原因太陽能電池板表面經(jīng)常會有積塵，進而影響太陽能電池板的發(fā)電效率，及時清潔太陽能電池板表面的積塵，有利于提高太陽能電池板的發(fā)電效率.在諸多的清潔方法中，公開號為CN208303391U的專利技術(shù)公開了一種利用自然風進行太陽能電池板清潔作業(yè)的方法，該方法可以通過引導自然風實現(xiàn)太陽能電池板的清潔作業(yè)，但是，自然風中夾雜的沙粒等雜質(zhì)，如果不進行過濾，沙粒將隨著自然風流動到太陽能電池板表面并對電池板造成一定的磨蝕.該技術(shù)僅僅依靠垂直管路和重力進行落沙作業(yè)，該方法具有一定的局限性，容易造成去除不盡的技術(shù)問題.

1 落沙器設(shè)計

本研究設(shè)計一種用于太陽能電池板清潔作業(yè)的落沙器，能夠過濾空氣管路中的沙粒，為利用自然風清潔太陽能電池板的技術(shù)提供自然風的濾沙功能.該落沙器設(shè)置擋板，擋板位于出風口和入風口之間，可以提高沙粒的過濾效果，而且過濾阻力小，適應(yīng)于自然風等無源氣流的過濾.該設(shè)備多處結(jié)構(gòu)使用過盈配合裝配，當遇到大風等外力沖擊時，該結(jié)構(gòu)可受力被動脫開，進而避免主體結(jié)構(gòu)因沖擊力被破壞.落沙器各零部件形狀簡單，便于制造；各零件之間的連接關(guān)系簡單，便于組裝，適用于大規(guī)模生產(chǎn)使用.

2 詳細設(shè)計

2.1 整體設(shè)計

落沙器包括混凝土底座、支架、定位塊、定位槽、底蓋、密封圈、落沙器下節(jié)、定位環(huán)、定外凹槽、抱箍A、儲沙區(qū)、擋沙節(jié)、擋板、落沙器上節(jié)、定位凸環(huán)、定位卡槽、抱箍B、頂蓋、凸緣、進風孔、出風孔、進風管、進風段、轉(zhuǎn)角段、出風段、出風管、入風段、轉(zhuǎn)彎段、送風段、凸起、出風口和入風口.其外形圖如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖1 落沙器外形圖 圖2落沙器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖中：1.混凝土底座，2.支架，3.定位塊，4.定位槽，5.底蓋，6.密封圈，7.落沙器下節(jié)，8.定位環(huán)，9.定位凹槽，10.抱箍A，11.儲沙區(qū)，12.擋沙節(jié)，13.擋板，14.落沙器上節(jié)，15.定位凸環(huán)，16.定位卡槽，17.抱箍B，18.頂蓋，19.凸緣，20.進風孔，21.出風孔，22.進風管，23.進風段，24.轉(zhuǎn)角段，25.出風段，26.出風管，27.入風段，28.轉(zhuǎn)彎段，29.送風段，30.凸起，31.出風口，32.入風口.

其中，混凝土底座1位于最下方，起支撐作用，支架2的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為角鋼，支架2下端預(yù)埋在混凝土底座1內(nèi)，預(yù)埋之前做好防腐處理，支架2垂直向上，支架2上部和支架2中部分別各焊接有2個定位塊3，所有定位塊3均位于支架2左側(cè)，支架2上部的2個定位塊3呈上下排布且中間隔開一定距離進而構(gòu)成定位槽4，支架2中部的2個定位塊3呈上下排布且中間隔開一定距離進而構(gòu)成定位槽4，支架2上共設(shè)置2個定位槽4，且上下分布.

2.2 外殼設(shè)計

落沙器下節(jié)7為注塑材料且設(shè)置為圓柱漏斗形，落沙器下節(jié)7的外壁上部設(shè)計有2個平行的定位環(huán)8且2個定位環(huán)8之間隔開一定距離，形成定外凹槽9，定外凹槽9與支架2中部的定位槽4水平對齊，抱箍A10經(jīng)由定外凹槽9和定位槽4將落沙器下節(jié)7固定在支架2上，落沙器下節(jié)7的下部為儲沙區(qū)11，儲沙區(qū)11用于存儲過濾出的沙粒，儲沙區(qū)11的外壁下端設(shè)置有外螺紋.

擋沙節(jié)12為注塑材料且外形設(shè)置為空心圓柱形，擋沙節(jié)12安裝在落沙器下節(jié)7的上部并呈同軸結(jié)構(gòu)，擋沙節(jié)12的內(nèi)壁嵌套在落沙器下節(jié)7的外壁并形成過盈密封配合，擋沙節(jié)12的中部設(shè)置有水平的半圓形擋板13，擋板13位于擋沙節(jié)12的右側(cè)，擋板13用于改變落沙器內(nèi)部空氣循環(huán)路線，增加濾沙效果.擋沙節(jié)如圖3所示.

落沙器上節(jié)14為注塑材料設(shè)計為空心圓柱形，落沙器上節(jié)14安裝在擋沙節(jié)12上部并呈同軸結(jié)構(gòu)，落沙器上節(jié)14的外壁嵌套在擋沙節(jié)12的內(nèi)壁內(nèi)并呈過盈密封配合，落沙器上節(jié)14的外壁上部設(shè)計有2個平行的定位凸環(huán)15且2個定位凸環(huán)15之間隔開一定距離，形成定位卡槽16，定位卡槽16與支架2上部的定位槽4水平對齊，抱箍B17經(jīng)由定位卡槽16和定位槽4將落沙器上節(jié)14固定在支架2上.

頂蓋18為注塑材料設(shè)置為薄圓柱形，頂蓋18的底面上設(shè)置有環(huán)形的凸緣19，頂蓋18安裝在落沙器上節(jié)14的上部并呈同軸結(jié)構(gòu)，凸緣19的外壁嵌套在落沙器上節(jié)14的內(nèi)壁內(nèi)并呈過盈密封配合，頂蓋18上設(shè)置有出風孔21和進風孔20，出風孔21和進風孔20均為圓柱形孔，進風孔20的軸線與頂蓋18的軸線平行，出風孔21的軸線與頂蓋18的軸線平行，進風孔20與出風孔21位于頂蓋18的同一條直徑上.頂蓋示意圖如圖4.

圖3 擋沙節(jié) 圖4 頂蓋

2.3 風管設(shè)計

進風管22為PVC管材并通過承插工藝設(shè)置為“L”形結(jié)構(gòu)，進風管22由進風段23、轉(zhuǎn)角段24和出風段25組成，分段結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)和裝配，轉(zhuǎn)角段24為90度轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，進風段23的上端嵌套在進風孔20內(nèi)并呈過盈密封配合，進風段23上端伸出頂蓋18一段距離，進風段23的下端嵌套在轉(zhuǎn)角段24的內(nèi)壁并呈過盈密封配合，出風段25的左端嵌套在轉(zhuǎn)角段24的內(nèi)部并呈過盈密封配合，出風段25的另一端為出風口31，出風口31設(shè)計為斜45度的截面，且截面朝向右下方，調(diào)整進風段23和出風段25的長度使出風口31恰好位于落沙器下節(jié)7底部的中央位置，氣流依次經(jīng)由進風段23、轉(zhuǎn)角段24和出風段25進入到落沙器內(nèi)部.進風管結(jié)構(gòu)如圖5.

圖5 進風管結(jié)構(gòu) 圖6 出風管結(jié)構(gòu)

出風管26為PVC管材并通過承插工藝設(shè)置為“L”形結(jié)構(gòu)，出風管26由入風段27、轉(zhuǎn)彎段28和送風段29組成，分段結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)和裝配，轉(zhuǎn)彎段28為90度轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，送風段29的上端嵌套在出風孔21內(nèi)并呈過盈密封配合，送風段29上端伸出頂蓋18一段距離，送風段29的下端嵌套在轉(zhuǎn)彎段28的內(nèi)壁并呈過盈密封配合，入風段27的右端嵌套在轉(zhuǎn)彎段28的內(nèi)部并呈過盈密封配合，入風段27的另一端為入風口32，入風口32設(shè)計為斜45度的截面，且截面朝向左上方，調(diào)整入風段27和送風段29的長度使入風口32恰好位于落沙器上節(jié)14頂部的中央位置，落沙器內(nèi)部的氣體依次經(jīng)由入風段27、轉(zhuǎn)彎段28和送風段29流出落沙器.出風管結(jié)構(gòu)如圖6所示.

3 工作過程及落沙器清潔

將自然風引導至進風管22，進而使自然風經(jīng)由出風口31進入到落沙器內(nèi)腔，自然風中夾雜的沙粒等雜質(zhì)由于重力和擋板13的攔截，再加上出風口31的斜面結(jié)構(gòu)和朝向的作用等原因，沙粒逐步集中到儲沙區(qū)11.由于落沙器內(nèi)部風壓增大的原因，落沙器頂部靠近出風口31且含沙量低的空氣經(jīng)由出風管26流出落沙器形成潔凈氣流，完成濾沙作業(yè).將底蓋5旋開，儲沙區(qū)11的沙粒由于重力掉出，再次擰緊底蓋5并壓緊密封圈6即可完成清理.