清洁能源——光伏发电板自清洁的研究

何 军，程天翊，韩 颖

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景

“十二五”时期，我国新增太阳能光伏电站装机容量约1 000万千瓦，太阳能光热发电装机容量100万千瓦，分布式光伏发电系统约1 000万千瓦，光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算，分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算，总投资需求约2 500亿元。目前，我国太阳能发电产业正蓬勃发展。另外，我国的光伏发电大都选在光照条件好、土地使用费用低的西北部，西部地区的光照强度较大，能够追求最大的发电效益，但是西部地区却也大都存在着风沙大、尘土多的问题，这些沙尘积聚在光伏电池板上，严重地影响了发电效率。

对于固定型号的太阳能电池，其标称发电效率实际上是指在标准测试条件（STC）下的性能指标，即辐照度为1 000 W/m2，温度为25±1℃，大气品质AM为1.5，而在实际光伏电站运行中，周围环境时时刻刻都在变化，从而影响了光伏电池的发电性能。当温度上升时，太阳能电池短路电流有微弱的上升，开路电压明显下降，最终导致电池的最大输出功率下降。

基于以上背景，本项目设计了应用于光伏发电板自清洁的辅助降温装置。将在技术上难以提高效率的问题转移至实际工作环境中，再次提高光伏发电效率，促进绿色能源发展，为我国可持续发展战略作出贡献。

2 系统设计

2.1 系统整体组成及操作流程

本作品是基于形状记忆金属合金变形特性而设计的一套全机械装置，装置一共可分为三大模块，分别是记忆金属动力模块、传动模块和光伏发电模块。其中，记忆金属发电模块在阳光暴晒下与水端形成温差，使记忆金属发生形变和回复的反复过程，提供动力，并由此循环转动，动力经传动后，转化为毛刷的直线运动，具体如图1所示。

图1 装置模型图

各装置有序连接后，水槽藏于光伏发电板背面，传动机构和记忆金属动力模块在其侧面，接收光照，之后将热能转化为机械能，为水提供动力。整个过程属于全自动过程，同时利用太阳能光热为装置提供能量。每一套装置形成一个单元，所有单元构成一个网络，通过水槽的连接设计，将其统一，方便在其一端补充水源，大量减少人工，保证装置的自动化运行。

2.2 光伏发电模块设计

本项目的光伏发电模块与传统市场上的光伏发电板接轨并相适应，由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等设备组成。

2.3 记忆金属动力模块

记忆金属模块由固定支架、水槽、环形聚光器、记忆金属弹簧、传动轮构成，工作时，将其安装在光伏发电板侧面，聚光器一侧朝外，为前传动轮加热，并使其始终维持在一定的高温状态。水槽整体在光伏发电板背面，与之相对的后传动轮浸没在水槽内的水中，温度相对较低。于是，前后传动轮分别形成热端和冷端，形成温差，为记忆金属的变形提供温度条件，使得记忆金属弹簧沿传动轮转动，传动轮对外输出轴功。固定支架支撑起整个动力模块，连接4个传动轮，连接水槽，固定环形聚光器，与光伏发电板结构支架相连接固定，使其固定在整个光伏发电装置一侧，不占据光伏发电板受到的光照面积。

聚光器与前传动轮同轴，固定在固定支架上，采用反射率大、透射率小的材料，将一定面积内的光照汇集至前传动轮上，加热传动轮，保证其高温状态，以追求最大的温差，达到运行的最佳效果。水槽采用半封闭结构，与最后的供水模块相通，设计尽量封闭的结构，以减少水流的蒸发量，减少水资源的浪费。

2.4 记忆金属结构设计

记忆金属弹簧材料选用镍钛记忆合金，其伸缩率在20%以上，疲劳寿命达到1×107，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，制成细长封闭弹簧，将弹簧缠绕至4个传动轮上，在冷热两端存在温差时，发生各自对应的变形与恢复、拉伸与收缩。在将热能转化为机械能这个过程中，带动4个传动轮转动，对外输出轴功。固定支架选用PP材质，其主要特性为密度小、抗冲击性强、表面刚度好、抗划痕、延展性好、抗吸湿，这些特性使其在运行过程中能减少能量的损耗。固定支架的制作可由3D打印机打印制成，传动轮同样采用PP材质，拥有质量轻、结构强度高的特点，在其表面涂有黑色吸光材料，保证大量的吸收光热，使得热端维持在高温状态。传动齿轮采用PP材质，表面刚度好、不易变形，可采用3D打印制成，结构简单，成本较低。

2.5 传动模块设计

传动模块设计如图2所示，该模块的作用主要是将记忆金属动力模块的轴动转化为直线运动，且为往复直线运动，整体结构由齿条和中间的齿轮构成，记忆金属产生的轴动转换为一侧齿条的线运动，然后运动至另一齿条另一端，整个动力模块一起进行往复运动，同时与毛刷的同轴为毛刷旋转动力。

图2 传动模块设计图

本装置背面另外装有导轨配重，当毛刷向下移动时，对重上升，一个往复运动后，毛刷向上移动，对重向下，使得毛刷上移的阻力减小，防止中间出现卡出的情况。

传动结构的设计需配合对应的光伏发电板结构支架，将其固定在光伏发电板一侧。选用轻质且强度较高的塑料，以延长产品使用寿命，使能耗降至最低。

毛刷选用轻质硬杆制成的龙骨，其运动方式为紧贴光伏发电板表面，且限制于导轨上。

最终传动机构的表现为：动力模块与水槽、毛刷一起在齿轮的传动下做往复直线运动，往复运动主要由齿条下方的导轨实现，记忆金属动力模块部分凸出，与导轨凹处相触，环绕长条凸起做往复运动，在上下不同过程中分别处于上下两条凹槽中，保证齿轮只与齿条的一侧相啮合，另一侧不接触，从而保证反复直线运动的实现。

3 可行性分析

本项目由4大模块构成，基于形状记忆合金的温差发电利用的扩展，舍弃其原有的发电模式，虽其研究较多，也较为成熟，但其涉及能量的二次转化，能量利用率较低，于是采取直接利用其产生的机械能作用于太阳能电池板表面，起到清洁及降温作用。形状记忆合金的技术应用已较为广泛，且在本装置中，合金结构较简单。

传动结构的设计主要为往复机械运动结构的设计，结构简单可行。与现有的各种自清洁装置对比，本装置具有更多优点和更强的适应性。现有的自清洁装置多采用电机驱动，以机器人的形式进行自清洁，此过程需要耗费大量能量，且装置在运行过程中，无法做到即时清洁，本装置在高温环境下自动开始工作，且运行过程中无能量损耗，零耗能的设计思路竞争力更强，节能减排效益也最佳。因此，本项目具有较大的可行性。

4 总结

我国太阳能资源丰富，全国年日照大于2 200 h的地区超过2/3，年辐射量为5 900 MJ/m2，是世界上太阳能最丰富的地区之一。因此，我国非常适合太阳能的开发与利用。目前，大规模利用太阳能主要是用来进行发电，而太阳能光伏发电是太阳能发电的主要形式。

太阳能发电具有经济、环保和安全可靠的优点。太阳能电站可建设在已有建筑上，不占地，建设周期短。由于系统建在负荷中心附近，无需建设昂贵的输电网和变电站，输配电损耗低，减少了长距离输电带来的巨大投资和电力损耗。采用太阳能作为能源，绿色无污染，减少有害物质的排放总量。而本装置所能实现的功能为在零能耗的情况下，全自动降温且清洁光伏发电板，能够有效提高发电板的发电效率，符合节能减排的要求，因此，将本装置用于提高太阳能发电板效率，具有较好的应用前景。