太阳能电池板自动除尘装置

何炬

研制背景及意义

太阳能电池板表面除尘的传统方法有两种：一种是采用水冲刷，这种方法会耗费大量人力和水资源，且这种方法只能应用于安装在低矮位置的太阳能电池板，如太阳能草坪灯、太阳能地灯等，对安装在较高位置的太阳能电池板，如太阳能路灯、屋顶太阳能供电装置，则除尘极为不便；另一种是通过控制器用电机带动传动装置对太阳能电池板表面进行除尘，此类装置结构复杂，可靠性差，且初始投入与后期维护成本较高，大大增加了发电成本，不易推广应用。

针对以上问题，我们研制出了一种结构相对简单、能够自动运行并且节约能源的太阳能电池板自动除尘装置。本装置仅使用太阳能，不消耗其他能源，在能源危机日益加剧的今天具有很好的发展前景。

设计方案

太阳能电池板自动除尘装置基本结构图如图1所示，包括装有自主研制的相变材料的集热装置、气缸、除尘刷、压力真空表及阀门。气缸布置在太阳能电池板的一侧，通过气缸支架与太阳能电池板边框固定连接。集热管的出气口通过管道连接气缸的进气口，管道上安装有一个四通接头。四通接头的一端连按压力真空表，用于测量管道内的压力值；一端连接阀门，用于对管道和集热管抽真空，使气动装置的管道内在初始阶段为负压；四通接头的另外两端与管道相连。气缸的滑块与气缸支架下端之间装有相吸的磁铁片，确保活塞在气压增加的条件下能直接运动到导轨上端，不会在导轨中间停留。滑块同时与除尘杆相连，除尘杆与滑块一体或者固定在一起，除尘刷安装于除尘杆上，位于太阳能电池板的正面，与太阳能电池板的上、下两边缘平行，其起始位置位于太阳能电池板的下端。

太阳能电池板自动除尘装置选取膨胀度高、相变潜热小的相变材料为工质，利用相变材料的热膨胀产生推动力驱动装置运行。

装置的工作原理见图2。白天，太阳能电池板自动除尘装置接受阳光照射，集热管吸热升温，同时一部分阳光通过反光壁面反射到集热管上，使得集热管的温升加剧，引起管内相变材料汽化，随着汽化的液体增加，管道内的压力也随着增大。当温度升高到一定值时，集热管内的高压气体将推动气缸内的活塞移动，从而推动除尘刷上移，直到升至太阳能电池板的最顶端，达到清洁太阳能电池板的目的。

夜间温度下降，管道内的气体由于降温而开始液化，管道压力逐渐减小。当压力减小到一定程度时，由于管道中初始状态是负压，大气压通过出气口推动活塞带动气缸滑块向下移动，直至回到太阳能电池板的最下端，除尘刷也回到初始位置。按照这样的工作方式，除尘刷每天往复运动1次，即能保证太阳能电池板的表面在大部分时间里是清洁的，这样就使太阳能电池板的光电转换效率维持在一个较高的水平。本装置实物照片见图3。

技术经济分析

以180瓦太阳能电池板为例。经测试，当太阳能电池板表面灰尘覆盖量达到4.05克/平方米时，会造成发电量下降约40%，等效于发电功率下降72瓦，按照单晶硅太阳能电池板每瓦12元的价格计算，即有72×12=864元的投资被浪费掉。按照本方案设计生产的应用于180瓦太阳能电池板的除尘装置价格为每套600元，再加上太阳能电池板本身的价格，该套设备共计2760元。如果将该笔资金只用于太阳能电池板的购置，则可购得230瓦的太阳能电池板。如果不采取任何清洁措施，那么达到4.05克/平方米的灰尘覆盖量后，太阳能电池板的效率会下降多达40%，即实际可用功率只剩下138瓦，远低于安装本装置后的180瓦电池板。

结论和创新点

利用相变材料昼夜特性的差异，采用独特的气动除尘方式对太阳能电池板的积尘进行清洁，与同类产品相比，设计方案新颖。

工质选取高膨胀度、低汽化潜热的相变材料，在较低的温度下，工质就会产生较大的体积变化量，从而产生较大的压力，保证了太阳能电池板自动除尘装置的高效运行。

设备安装时对集热管进行抽真空，使得除尘部件的返回过程更顺畅，仅利用太阳能作为动力源，不需消耗额外的能源，节能环保。

应用价值

该产品采用气动除尘的方法，有效地解决了现有太阳能电池板除尘方式浪费水资源、装置复杂、较难维护的问题。本产品仅使用太阳辐射能作为装置运行的动力，不消耗其他额外能源，通过相变材料在昼夜条件下的特性差异，能够很好地对太阳能电池板表面进行清洁。本产品设计独特，运行效率高，易于维护，市场前景广阔，在技术成熟的情况下可大规模生产、应用和推广。随着光伏产业的不断发展壮大和节能减排战略的贯彻，本产品将迎来更多的契机，必定会有更好的市场前景。

专家评语

该项目研究开发了一种用于太阳能电池板的自动除尘装置，相变材料的应用有特色，构思巧妙，节能环保，有应用前景。建议不断完善技术方案，在实际中推广和使用。