太阳能电池板捕光及除尘系统

张 玮，杨景发，邹鹏飞，李文静，侯国栋，苏安阁

（1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002；2.保定市第一中学，河北 保定 071002）

太阳能作为取之不尽、用之不竭的第一大清洁能源，已成为世界各国竞相开发的重点［1］，太阳能光伏发电具有安全可靠、无污染、无噪声等优点。2010年中国太阳能光伏并网发电年新增安装容量（峰值功率）138MW，累计安装500MW。太阳能产业已成为全球发展最快的新兴行业之一。但同时太阳能也存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题。

光伏发电系统的光电转化装置——阵列式太阳能电池板，多采用固定式安装，不能实时追踪太阳位置的变化，致使采光效率较低，影响光电转换效率。另外，由于电池板表面充分裸露在室外空气中，随着时间积累，空气中的无机和有机灰尘会逐渐积累在其表面，既降低电池的能量转换效率，也容易因“热岛效应”造成电池局部发热而损坏，导致太阳能蓄电池因不能保持足够的电量而大大缩短寿命。综合比较实现追踪太阳的单轴追踪、双轴追踪、光敏电阻光强比较等方法［2］，以及人工擦拭、刮刷式、高压水流／气流清洁等电池板除尘方法［3］，我们设计了集“聚光”、“电池板倾角调节”、“平行于地轴的定点定角单轴追踪”和“高压风力除尘”于一体的“太阳能电池板捕光及除尘系统”，充分提高太阳能电池的光电转化率。

1 设计原理

1.1 追踪／不追踪太阳照度比较

在空旷的楼顶进行对比实验，通过测量追踪太阳与不追踪2种情况下的太阳照度（EA为不追踪太阳时的照度，EB为追踪太阳时的照度），来比较太阳能电池板的受光情况，测量结果见表1。由表1可得出：当对太阳进行追踪时，其照度值比不追踪时平均高出约29.8%。

表1 追踪／不追踪太阳照度

1.2 光强对太阳能电池开路电压和短路电流的影响

利用FZ－GDD硅光电池特性实验仪，调整电池板与光源之间距离，测量不同距离下电池板的开路电压UOC和短路电流ISC，测量结果见图1。

图1 硅光电池板光照效应

1.3 保定地区太阳运行轨道图

太阳高度角α、太阳赤纬角δ和太阳方位角的计算公式［4］分别为：

式中，φ为当地的地理纬度［5］，ω为太阳时角，N 为从1月1日起，到该天的天数。

根据以上式计算与太阳能应用有关的参数，并由所得数据获得了太阳运行轨迹，见图2［6］。

图2 保定地区太阳轨迹图计算模拟

1.4 太阳能电池板倾角选择

根据地球绕太阳运行的规律可知：即使在同纬度的地方，在不同的季节，太阳的入射角也是不同的。依据本次设计并参考相关文献中的资料，为获得最大的日射量，电池板的倾角β推荐值如下：全年使用，β＝φ，夏季（从春分到秋分）使用，β＝φ－10°；冬季（从秋分到春分）使用，β＝φ＋10°；由保定的地理位置可得，夏季太阳能电池板倾角为38°，冬季为43°。

2 太阳能电池板捕光与除尘系统的设计

太阳能电池板捕光与除尘系统主要由聚光模块、追踪模块、高压风力除尘模块和电源模块等部分组成，见图3。

2.1 聚光模块设计

利用聚集反射技术，在太阳能电池板的左右两侧布置反光铝板，通过实验比较，确定铝板和太阳能电池板夹角，使太阳能电池板接收尽可能多的太阳能，减小太阳能量的分散性和太阳光的不均匀性，提高光电转换效率。

经过计算比较，将铝板和太阳能电池板成60°角布置时，在电池板受光面积不变的情况下，其使用的反射铝板的面积最小，成本也就低。聚光板块结构示意见图4。

2.2 太阳能电池板追踪模块设计

图3 太阳电池板捕光及除尘系统结构框图

追踪模块采用“平行于地轴的定点定角单轴追踪”系统，包括硬件结构和软件两部分。首先进行初始设定：根据不同的季节、地理纬度，通过手动旋钮设定电池板的安装倾角；通过软件设定每个时钟点的水平方向旋转角度。设定完成后，系统软件发出控制信号（步进时钟脉冲）驱动步进电机带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现电池板单轴（东西向）跟踪。

2.2.1 追踪模块的硬件结构设计

追踪模块硬件主要由底座、主轴、齿轮、轴承和步进电机［7］、手动刻度旋钮等部分组成，见图5。

图4 太阳电池板聚光结构示意图

图5 追踪模块后视、前视和整体结构

该系统设计要点：主轴与地轴平行；根据电池板质量确定扭矩，进而选择步进电机的型号和驱动器；通过齿轮啮合，实现变速；使用轴承减小阻力；硬件部分安装在立杆的顶部平台上，样机设计时，缩短立杆；控制箱设计在底部。设计时先进行Pro／E模型设计［8］，再进行CAD设计。

2.2.2 电池板专用调角盘

设置一个“电池板专用调角盘”（见图6），用于调节太阳能电池板的倾角。根据地理纬度、不同的季节，通过手动旋钮方便、准确地设定电池板的安装仰俯角。

图6 太阳电池板专用调角结构

2.2.3 单片机主控器硬件接口电路设计

利用单片机最小系统，分配步进电机的控制端口，设计控制接口电路（见图7），用继电器实现小电流控制大电流，完成电池板追踪旋转。

图7 单片机控制接口电路

2.2.4 追踪模块的软件设计

跟踪系统软件设计所用单片机为STC89C54，系统软件采用C语言编写，依据跟踪方案，完成时钟、定点旋转角度和自动复位设定［9］，程序流程图见图8。

图8 程序流程图

2.3 高压风力除尘结构设计

在太阳能电池板的高端斜后方，安装一个带倾角的气体喷管。首先进行喷管进风口和出风口设计［10］。设计时，参照相应的流体力学知识，为使喷管出风较为均匀，且在一定长度距离内使水头损失、能量损失达到最小。利用流体力学fluent软件对进风口个数、出风口孔洞形状（圆／方）、个数进行模拟比较［11］。

由模拟分析可知：2个进风口、每个分管一段，出风口形状为圆形，多个出风口的效果最好，风量均匀，风速较大，而出风口开成狭缝以后，风速较小，达不到除尘要求。故最终设计为：2个进风口、17个圆形出风口。进风口通过软管经控制阀与高压储气罐连接，利用单片机定时点开启控制阀，一定压力的气体通过小孔均匀喷出，转化为高速微细气体射流，形成对电池板表面的喷射力，实现较大面积除尘。

2.4 太阳能电池板光电互补电源模块设计

太阳能发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池（组）组成，同时备用了一套AC／DC市电供电系统实现光电互补［12］，可在2种供电方式中自由切换，以保障系统的运行的稳定性，增强实用性。

2.5 整机设计与制作

本系统由太阳能电池板跟踪装置、风力除尘装置和控制电路硬软件等部分组成。制作初期设计了多种样机模型，经多次论证，确定最终的结构。制作过程中严格遵循科学布局、结构严谨、务实简洁的思想，按照机械制作标准制作而成，样机见图9。

图9 太阳能电池板捕光及除尘装置

3 结论

本系统是基于单片机的自动控制系统，配合精密机械装置使系统更加稳定，提高系统追踪太阳的精度，独创的高压风除尘法，能够有效除去太阳能电池板表面灰尘，显著提高了太阳能光伏发电系统的综合发电效率。太阳能具有洁净、方便、无尽等优势，有理由相信，本项目成果的转化，必将产生可观的环境效益、经济效益和社会效益。

（References）

［1］吴红山.太阳能的应用现状及发展前景［J］.科技信息：学术研究，2008（7）：72－74.

［2］程智峰，郑浩俊.一种利用高压水流对太阳能电池板阵列自动除尘的系统：中国，201950044［P］.2010－12－28.

［3］周诗悦，朱凯，刘爽.太阳能电池板自动跟踪系统［J］.控制工程，2009，16（增刊）：17－19.

［4］关继文，孔令成，张志华.高精度太阳能跟踪控制器设计与实现［J］.自动化与仪器仪表，2010（3）：23－25.

［5］罗运俊.太阳热水器技术讲座（一）：太阳热水器发展概况及基本知识［J］.可再生能源，2004（1）：58－61.

［6］徐利，曹莹，是度芳.太阳能电池板跟踪与太阳相对地面的运动轨道研究［J］.科技创新导报，2010（29）：12－13.

［7］陈旭平，熊德敏，胡联红.步进电机在太阳能跟踪器上的应用［J］.今日科技，2008（8）：46－47.

［8］任丰兰，曾经梁.PRO／E软件在机械制图中的应用［J］.农机使用与维修，2012（5）：91－93.

［9］李杜.以STC89C52RC为核心的实用单片机教学板设计［J］.湖南工程学院学报，2012，22（3）：18－20.

［10］程智峰，郑浩俊.一种利用高压气流对太阳能电池板阵列自动除尘的系统：中国，201950［P］.2010－12－28.

［11］郭婷婷，李雪梅，冯博.电除尘器内斜气流特性的数值研究［J］.华北电力大学学报，2008，36（5）：50－55.

［12］贲礼进，曹莹，倪有军.太阳能家用电站系统设计方法［J］.新能源，2010（12）：53－55.