太阳能电池组件自动除尘装置研究与设计

邓艳

摘 要 为避免积尘对组件性能的影响，研究以云南干海子并网光伏电站为例，设计了一种适用于太阳能电池组件自动除尘装置。研究通过对干海子并网光伏电站环境条件及影响进行分析，因地制宜地对太阳能电池组自动除尘装置结构、工作原理和工作过程中循环工作电路、电机控制电路和限位开关等进行设计，并对其有益效果进行分析。以实现太阳能电池组定时、自动和循环除尘等工作，提高光伏电站太阳能电池组件转换效率和发电效率，达到节能高效的目的。

关键词 太阳能电池组件 并网光伏电站 自动除尘

中图分类号：TM914 文献标识码：A

0引言

光伏电站发电效率取决于太阳能电池组件的光电转换效率和周边环境影响。在组件表面形成的积尘，会遮挡太阳能电池组件，既降低了光电转换效率，又会产生热斑效应而损坏组件。云南干海子并网光伏电站地处大理州高原地带，因其环境独有特点，光伏电站发电系统较其他地区电站更易积尘。目前，市面上少有专门针对云贵高原区域光伏发电站的太阳能电池组件自动除尘装置，本文通过对太阳能电池组件表面积尘的形成、影响、危害等的分析，提出一种太阳能电池组件的自动除尘装置，以避免积尘对组件性能的影响，实现提高云贵高原地区光伏电站发电效率的目的。

1干海子并网光伏电站环境条件及影响

干海子并网光伏电站场址为未利用土地，其四周均有山体环绕，黄土覆盖深厚，且土层疏松。四围山体为岩体出露山体，干旱缺水，不适合作物生长，主要植被以杂草和低矮灌木为主。

该发电站外围大气物质是一种含有大量形状各异、成分复杂、固态和液态颗粒物质的多组分气溶胶。该气溶胶随着空气流动会扩散达数千米以外的区域。多组分气溶胶中固态和液态颗粒物来源形式多样，如地表灰尘颗粒、岩石风化颗粒、植被生长等自然因素所产生的颗粒。

此外，因快速城市化和工业化所带来的交通尾气排放、工业废弃物和建筑材料等污染排放、长期风沙环境所导致的灰尘，和大气环流对不同距离颗粒物和污染物的运输等原因，均导致该光伏电站外围环境布满大量积尘颗粒，并对该光伏电站太阳能电池组件的发电效率产生了严重影响。周遭环境阻碍了太阳光线的透射率，进而影响了组件表面太阳辐射量的接受，甚至产生热斑效应，导致组件因局部高温烧毁而报废。

2太阳能电池组件的自动除尘装置

在清除太阳能电池组件表面的积尘时，对于组件数量多、安装位置较于陡险的组件来说，人工清洗方法将会消耗巨大的人力、物力。太阳能电池组件自动除尘装置能够达到自动除去组件表面积尘效果，在除尘过程中无需人为干预。很大程度保证了太阳能电池组件表面清洁度、减少组件损坏率，提高组件发电效率。

2.1太阳能电池组件自动除尘装置的结构

太阳能电池组件自动除尘装置包括第一重除尘系统、第二重除尘系统、第三重除尘系统、轨道系统、储水及供水系统、收放管道系统和太阳能电池组件系统。

2.1.1第一重除尘系统的构成

第一重除尘系统包括吸尘部件、吸尘条、吸尘口、吸气管道、电磁阀Ⅱ、储尘盒、吸风机、刷毛和电机固定架。其中，吸尘条安装于吸尘部件的最底端，其上设有吸尘口，且吸尘条的长度与太阳能电池组件的长度一致；刷毛敷设于吸尘条的正下方，且刷毛一端嵌入吸尘条中，其敷设长度与吸尘条的长度一致；吸风机通过电机固定架安装于吸尘部件顶部；储尘盒安装于吸尘部件顶部；吸气管道将吸尘条、吸尘口、储尘盒和吸风机连通；电磁阀Ⅱ安装于吸气管道内部邻近储尘盒的一侧。

2.1.2第二重除尘系统的构成

第二重除尘系统包括洗尘部件、水管道、水气交汇口、高压喷嘴、吹气管道、电磁阀Ⅰ、吹风机、注塑体、刷毛和电机固定架。其中，水管道及吹气管道相互连通，且交汇于水气交汇口，并与高压喷嘴连通；电磁阀Ⅰ安装于吹气管道内邻近吹风机一侧；吹风机通过电机固定架安装于洗尘部件顶部；刷毛通过注塑体安装于洗尘部件的最底端。

2.1.3第三重除尘系统的构成

第三重除尘系统包括右刮水条和左刮水条。其中，右刮水条紧靠吸尘部件的右侧安装；左刮水条紧靠洗尘部件的左侧安装。

2.1.4轨道系统的构成

轨道系统包括限位开关、步进电机、驱动轴、轮子、上边沿轨道、下边沿轨道、支撑件、轮轴、转轴和空心体。其中，上边沿轨道和下边沿轨道安装于太阳能电池组件的边框上；限位开关分别安装于上边沿轨道、下边沿轨道的最两端；步进电机的转轴及轮子的轮轴通过驱动轴相连，且轮子通过支撑件与吸尘部件、洗尘部件连接并固定；空心体安装于吸尘部件和洗尘部件邻近轨道的两侧，并与其连成一体。

2.1.5储水及供水系统的构成

储水及供水系统包括水管道、水泵、电磁阀Ⅲ、电机固定架、注水口、储水箱和出水口。其中，水泵通过电机固定架安装于长板上；电磁阀Ⅲ安装于水管道内、水泵的右侧；储水箱安装于地面上，其顶端设有注水口、底端设有出水口；出水口通过水管道与水泵相连。

2.1.6收放管道系统的构成

收放管道系统包括转轴、电机固定架、线轮轴、线轮、驱动电机、线轮固定架和线轮主体。其中，驱动电机通过电机固定架安装于长板上，其转轴与线轮的线轮轴相连；线轮主体位于两个线轮中间。

2.1.7太阳能电池组件系统的构成

太阳能电池组件系统包括太阳能电池组件、组件边框、光伏支架和水泥墩。其中，组件边框安装于太阳能电池组件的四周；光伏支架安装于太阳能电池组件下方，并与水泥墩连接；水泥墩安置于地面上。

2.2太阳能电池组件自动除尘装置的工作原理

太阳能电池组件自动除尘装置的循环工作电路如图2所示。

其工作原理如下：该循环控制电路通过电容C2、泄放电阻R3的降压以及VD2的稳压后，得到可为电路提供12V电源的直流电压。IC1是一个集成电路，其内部电路与R1、R2、C1构成一个时钟振荡器，并为IC1的定时提供时钟脉冲。当电路通电后，首次进入水泵M1、吹风机M2、吸风机M3、驱动电机M4和步进电机M5的工作间隙等待时间，并通过对时钟脉冲的计数与分频来实现IC1内部的延时，当计时时间（如7d）到时，IC1的Q14端便输出高电平，使三极管VT导通，继电器KA得电，驱动水泵M1、吹风机M2、吸风机M3、驱动电机M4和步进电机M5开始工作；同时，电磁阀Y1、Y2和Y3得电而开启。此时，IC1又开始对水泵M1、吹风机M2、吸风机M3、驱动电机M4和步进电机M5的工作时间进行计时，当定时时间（如5min）到时，IC1的Q14端又变为低电平，使VT截止，继电器KA失电，水泵M1、吹风机M2、吸风机M3、驱动电机M4和步进电机M5停止工作，同时，电磁阀Y1、Y2和Y3失电而关闭。此时，IC1自动复位，又开始下一次计时，从而可以使水泵M1、吹风机M2、吸风机M3、驱动电机M4、步进电机M5、电磁阀Y1、电磁阀Y2和电磁阀Y3按照设定时间进行定时循环工作。图中LED为工作指示灯。

2.3太阳能电池组件自动除尘装置的工作过程

起始时，第一重除尘系统、第二重除尘系统、第三重除尘系统相互连接而成的整体位于轨道系统的最左端。当接通电源后，循环工作控制电路内部元件开始计时，当计时时间到时，步进电机M5得电正转而驱动太阳能电池组件自动除尘装置沿轨道运行。同时，吸风机M3得电工作，电磁阀Ⅱ得电开启，吸风机吸收太阳能太阳能电池组件表面的灰尘，并将灰尘吸入储尘盒；水泵M1和吹风机M2得电工作，电磁阀Ⅰ和电磁阀Ⅲ得电开启，水泵M1抽取储水箱内的水，并将其送到第二重除尘系统中，同时，吹风机吹风，使得从高压喷嘴中喷出高压水，进而更利于除去太阳能电池组件表面的灰尘、鸟粪等污物；驱动电机M4得电正转，驱动线轮转动，从而将缠绕在线轮主体上的水管道释放。当太阳能电池组件自动除尘装置运行到轨道的最右端时，触碰限位开关，驱使步进电机M5反转，从而使得太阳能电池组件自动除尘装置沿轨道向相反方向运动，同时，驱动电机M4反转，驱动线轮转动，收回释放的水管道于线轮主体上。如此反复工作。

在太阳能电池组件自动除尘装置运行的同时，循环工作控制电路对其运行时间进行定时。当定时时间（一般为太阳能电池组件自动除尘装置来回工作一次的时间，如5min）到时，水泵M1、吹风机M2、吸风机M3、驱动电机M4和步进电机M5停止工作，同时，电磁阀Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ因失电而关闭。

2.4太阳能电池组件自动除尘装置的有益效果

（1）装置运行时所需的电源由太阳能电池组件自身提供，其具有便捷、环保、节能的优势。

（2）装置第一重除尘系统的刷毛在组件表面运行时，表面的粘结积尘在刷毛的作用下变为干松积尘，提高了吸尘条工作效率。

（3）装置第二重除尘系统的高压喷嘴可喷射高压水，使太阳能电池组件表面的不易清理污物在刷毛和高压水作用下变得潮湿而易于清理。

（4）装置第三重除尘系统的刮水条可有效清除太阳能电池组件表面的水痕及融入其中的灰尘。

（5）装置在其工作过程中无需人员参与，可有效避免在清理组件时人员意外坠落、触电伤亡，和踩踏损等。

3 结论

本文设计了一种太阳能电池组件自动除尘装置。该装置通过循环工作电路、电机控制电路、限位开关等实现装置的定时、自动、循环工作，达到有效清除组件表面积尘和鸟粪等污物的效果，最终减少组件的损坏。当太阳能电池组件表面有20天的积尘时，通过清洗装置安装前后的对比试验，清洗后系统的发电效率提高了24%左右。

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