光伏組件自動除塵裝置設計與研究

巫江，龔恒翔，朱新才，李江華

(重慶理工大學，重慶 400054)

光伏組件自動除塵裝置設計與研究

巫江，龔恒翔，朱新才，李江華

(重慶理工大學，重慶 400054)

光伏組件灰塵效應嚴重影響電能輸出效率，為了實現灰塵的自動清除，借助CATIA軟件，設計了一種光伏組件自動除塵裝置。該裝置可通過鏟、刷、抹3種動作完成光伏組件表面的清理。裝置具有低耗、無水、無清潔劑和無二次污染等特點。樣機測試結果表明:該裝置設計合理，動作準確，技術上可行、可靠，具有應用推廣價值。

光伏組件;表面除塵;CATIA建模;二次污染

太陽能(solar energy)是一種綠色能源。目前太陽能利用有光熱、光電、光化學、光生物4種方式。光伏組件是光電法利用太陽能的核心部件，它通過半導體材料的光生伏打效應把入射的光能轉化為電能。已經商用化的硅基太陽能電池光電轉化效率接近20%。生產實踐表明:露天放置的光伏組件在使用一段時間后，源自空氣攜載的微米級灰塵顆粒物會吸附在光伏組件通光玻璃表面形成阻光灰塵覆蓋層。定量的分析測試表明: 4 g/m2的灰塵堆積使得光伏組件電能輸出效率銳降60%。更有甚者，鳥類糞便、樹葉、動物攀爬遺跡等大塊不透光的污染物覆蓋會產生熱斑效應，導致光伏組件局域高溫直至燒毀報廢。因此，光伏組件表面灰塵覆蓋層的及時清理對于光伏組件正常功能的保持是必要和必須的［1，2，7，13］。

灰塵效應機制復雜，灰塵的數量、幾何特征、物理化學性質、氣象因素等都會對灰塵效應的強弱有直接影響。雖然公開報道的文獻資料表明灰塵效應引起了國內外研究者的廣泛注意，但距離問題的有效解決還有很長的路要走。有研究者考慮采用超硬、高度光潔和雙性的組件通光覆蓋層來解決這個問題，或者通過覆蓋玻璃表面涂覆薄膜層的方式，或者使用TiO2自清潔涂層技術［3］。研究取得了一些進展，但大部分仍處于實驗室研究階段，要么以損失通光量為代價，要么化學穩定性不夠，環境耐受性差，無法在露天環境下長久保持優良性質。也有研究者和企業在光伏組件上外置機械結構來“清掃”灰塵［4，14］。機械類清潔裝置主要存在的問題是:①清潔過程需要水;②智能化程度不高;③綜合功耗較大。這3個缺陷限制了外置機械類清潔裝置的進一步推廣應用。

針對上述分析，本文設計了一種具有較好尺寸兼容性的外置機械式光伏組件自動除塵裝置，以期實現智能高效自動除塵，徹底解決光伏組件灰塵效應問題。

1 光伏組件自動除塵應有特征

由于近地面附近太陽光輻射功率密度較低(≤1.1 kW/m2)，硅基太陽能電池片光電轉化效率低(＜20%)，光伏組件的每單位發電量占地面積較大，因此土地使用成本較高，特別在人員稠密的城市區域。從安全和經濟等綜合因素考慮，目前太陽能電站一般選擇在荒漠化地帶或者偏僻地點建設。太陽能的優勢和潛力使其成為目前和今后主要開發利用綠色能源之一，光伏電站的建設數量和規模必將越來越大。已有技術和工程經驗表明:光伏電站的性能受多種外在因素的影響，地理與氣象因素的影響尤為顯著［5］。源自空氣攜載的灰塵覆蓋光伏組件通光面導致的可接收光輻射量急劇降低是僅次于晝夜交替的影響發電量的因素。這一點在有污染和沙塵的地方尤為明顯。目前應對灰塵積累的方式是人工清理，采用人工方式用水或者清洗劑定期沖洗或擦拭組件表面。人工方式的不足十分明顯，高成本、安全風險和二次污染的可能性均存在。如果不對其進行維護和清理，光伏組件光電轉換效率將大幅度降低，在一兩年后基本失去功能［6］。

外置機械式除塵裝置中，汽車擋風玻璃的雨刷是最容易聯想到的實例。光伏組件除塵具有特殊性，此類裝置應有如下技術特征:

1)能自動感知灰塵積累程度，判斷是否需要進行除塵作業;

2)無水或無清洗劑，儲存作業過程不需要水樣液體，避免部件銹蝕、密封層破損、二次污染和電氣安全事故［8］;

3)待機功耗低，除塵作業功耗低;

4)使用壽命長，累計使用不低于10萬次或20年;

5)維護頻次低，年檢修維護次數不超過2次［9，16］。

2 整體方案設計

方案設計是標定項目設計的大方向，使大型、繁瑣、復雜的工作可以有條理、有順序、有效率地實施。機械方案設計對產品的最終結構、成本、性能和使用維護具有重大的影響，是決定機械產品質量和經濟效益的關鍵環節。

根據光伏組件除塵作業要求，本文裝置分為3大部分:傳動機構，清掃機構和凸輪機構。清掃機構通過凸輪機構固定于傳動機構上［9］。整體結構圖如圖1所示。

圖1 整體結構圖

傳統的除塵裝置軌跡為直上直下型，即清掃機構一直與被除塵表面接觸。清掃機構在被除塵表面上來回掃動，容易導致清掃機構很快磨損，同時一些大顆粒的灰塵夾雜在清掃機構與被除塵表面之間來回帶動，以致灰塵難以清理干凈并在摩擦時損壞裝置表面［10］。

為克服傳統除塵裝置的缺陷，本設計特別添加了一個凸輪機構，以保證該裝置長期有效。固定在光伏支架上的傳動機構提供驅動力使清掃機構沿著光伏組件表面來回進行除塵作業。當清掃機構從光伏組件頂端向下移動時，清掃動作開始，到達底端時動作停止。同時，觸發凸輪機構使清掃機構向上垂直抬升并脫離光伏組件表面，穩定后迅速返回光伏組件頂端并再次觸發凸輪機構，從而使清掃機構與光伏組件表面再接觸，開始清掃動作，進行下一次除塵作業。整體裝置運動步驟為①→②→③→④，依次循環。清掃機構運動軌跡如圖2所示。

圖2 清掃機構運動軌跡

3 除塵機械結構設計

CATIA是一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件。CATIA系列產品已經在7大領域里成為首要的3D設計和模擬解決方案:汽車、航空航天、船舶制造、廠房設計、電力與電子、消費品和通用機械制造［11，15］。本研究借助CATIA三維軟件實現包括傳動機構、清掃機構和凸輪結構3大部分的設計、模擬和定型。

3.1 傳動機構機械結構設計

根據除塵作業的要求［12］，傳動機構為清掃機構提供動力使其做往復運動。傳動機構的機械結構如圖3所示。

圖3 傳動機構機械結構

3.2 清掃機構分析及設計

根據光伏組件特殊除塵要求，除塵工作通過一鏟、二刷、三抹3個過程完成。

1)鏟。清掃機構運行時首先對附著在光伏組件表面的大尺寸及附著強度較高的固體垃圾進行初步清理，完成粗略除塵。

2)刷。滾刷對光伏組件表面進一步動作，除去第一次鏟動作后的殘余物和更為細小的灰塵，對光伏組件進行細致除塵。滾刷內層筒壁為尼龍，在尼龍筒壁上穿制尼龍絲，尼龍絲對稱滾筒中心人字形纏繞，即左旋和右旋對稱制作。旋轉時，灰塵順著螺旋流向兩側滑動，減少了灰塵對光伏組件表面的摩擦。同時，螺旋線形毛刷可以刷洗到邊角區域，較一般的纏繞方法更能徹底清潔光伏組件表面。

3)抹。使用抹條對光伏組件表面進行一定力度的擦拭，將前兩次除塵動作后依然附著于光伏組件表面的塵埃除去，實現精細除塵。

圖4所示為清掃機構的機械結構。步進電機提供恒扭矩驅動，通過聯軸器使固定在帶座軸承上的滾刷做旋轉運動，滾刷毛與光伏組件表面保持恰當距離，使得滾刷毛呈現合適的彎曲變形。從相互作用的情況看，只有當旋轉運動的滾刷毛與光伏組件表面接觸所產生的摩擦力大于灰塵吸附于光伏組件表面的吸附力時，才可將灰塵除去。受力分析如圖5所示。實際測試發現:滾刷毛變形量的大小與除塵效果及系統能耗有依賴關系，小的形變量能耗低，但除塵效果差;形變量過大，除塵效果反而降低，同時扭矩增大會導致系統能耗成倍提高。此外，灰塵的地域特點也決定了最小除塵耗能的差異。因此，本設計中加入了距離微調機構，以適應不同的情況，達到最佳除塵能效比。

圖4 清掃機構的機械結構

圖5 滾刷運動過程中的受力分析

滾刷旋轉過程中，滾毛變形量為

滾刷受到的光伏組件表面的摩擦力(大小等于滾刷對光伏組件表面的清掃摩擦力)為

式(1)、(2)中:R為滾刷半徑;h為滾刷中心與光伏組件表面的垂直距離，距離可調;N為光伏組件對滾刷毛的支撐力，主要取決于滾毛的變形情況，可以認為在作業過程中為定值。

除塵鏟與機殼前端固定，高度可調，與光伏組件表面保持一定的高度以避免移動時刮傷表面。在機殼的末端安裝一塊可調抹條與光伏組件表面接觸，并與表面保持一定的壓力?？烧{抹條具有一定的吸水性和合適的硬度［13］。

3.3 凸輪機構設計

凸輪機構的作用是使清潔機構在除塵過程中從光伏組件頂端到達底端后能垂直抬升，脫離光伏組件表面，然后返回頂端重新與光伏組件表面接觸。這樣可以避免清掃機構在當前除塵動作完成返回過程中將已經掃至光伏組件一端的灰塵垃圾再次拖帶回去，從而提高除塵效率。此外，提升脫離接觸后減少了清掃機構對光伏組件表面的摩擦，避免了機械磨損。利用弧形通孔和螺栓的配合使得滾珠絲桿電機的動力能夠迫使清掃機構進行升降，無需額外的動力，簡化了機構，提高了可靠性。圖6為凸輪機構的機械結構，圖中所示為凸輪機構動作中的狀態。

圖6 凸輪機構機械結構

3.3.1 凸輪機構工作原理

凸輪的工作原理可以簡化為一個物體與一個一定角度的斜面之間的相對運動。對斜面進行固定，然后對物體施加一個足以使物體沿著斜面向上的驅動力，這樣物體就可沿斜面向上運動［14］。反之，使物體在X軸方向固定，對斜面施加一個驅動力，斜面沿著X軸方向運動，物體沿著Y軸運動。如圖7所示，對運動進行分解。

圖7 運動分解圖

3.3.2 凸輪板分析

光伏組件的放置平面與地平面的夾角為x°，即凸輪板最左邊的圓弧形卡槽的斜邊與水平面的夾角必須大于x°，否則清掃機構在上升的過程中會因自重原因向下滑動再次與光伏組件表面接觸。長凹槽的傾斜角與螺釘的接觸角度也應大于其相對自鎖的角度，否則將發生自鎖現象，出現動作失誤。凹槽的受力分析如圖8所示。

圖8 凹槽受力分析

根據機械原理自鎖條件，螺栓在凹槽中勻速向上滑動時，實際驅動力為

理想驅動力為

靜摩擦因子為

根據自鎖條件確定，只有滿足α＜β時，驅動力F才可使螺栓向上滑動，否則發生自鎖。其中: G為除塵機構重力;F為驅動力;α為摩擦角;γ為凹槽與凸輪板之間的夾角;β為驅動角，β=90°－α;f為螺栓與凸輪板之間的摩擦力;p為全反力。

4 樣機的調試

完成設計和軟件模擬動作檢測后，分析認為系統設計結構合理，動作可靠性有足夠的保證，除塵作業達到預定要求，系統能耗在可接受范圍內。隨后加工裝配除塵系統原理性樣機進行試驗。圖9為樣機實物。

聯動試運行過程中，凸輪機構之間的零部件摩擦力較大，相對支架配合有一定的誤差，傳動機構變形量大導致振動加劇。經過對凸輪機構零部件之間進行打磨和適當增加潤滑，傳動機構加固后，整套裝置的機械結構部分運轉相對平穩且無噪音，達到了設計要求。

再次試運行，以一塊戶外放置了1年的200 Wp單晶光伏組件為測試樣本進行效果檢測。電輸出性能檢測表明系統除塵效果良好，樣本組件基本電性能(開路電壓、閉路電流、工作電壓、工作電流)恢復率超過95%。連續50次運行未出現驅動失效、動作失誤、部件過熱、意外停機等故障，試驗系統的可用性、可靠性得到初步驗證和肯定。

圖9 樣機實物

5 結束語

灰塵效應是影響光伏組件發電量的重要環境因素?；诠夥M件安置環境和除塵特殊要求的綜合考慮，本文研制了一種在除塵過程中無水、無清潔劑的光伏組件除塵裝置，利用CATIA三維軟件進行建模和分析。本文設計的裝置質量輕、零部件少、結構鋼度強、可轉動部件少、能耗低且智能化程度較高。詳細介紹了整套裝置的結構組成、工作流程和工作特點。原理性樣機試驗結果表明:樣本光伏組件除塵后性能恢復率高于95%，實現了連續50次無故障運行。測試結果表明:該裝置的功能達到了設計預期，可用性、穩定性和可靠性有足夠的保證。為了實現批量化商業應用，需要進一步優化、完善其自動控制部分，在保證功能和可靠性的前提下減輕整套裝置質量，減少可動部件數量，實現更高的性價比。

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(責任編輯 楊黎麗)

Design and Research of Photovoltaic Module
Automatic Dust Removal Device

WU Jiang，GONG Heng－xiang，ZHU Xin－cai，LI Jiang－hua
(Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Because of dust effect，the power output efficiency of photovoltaic(PV)module decreases sharply.A set of auto－clean device has been designed with CATIA software in order to clean the dust layer deposited on PV glass surface.The surface of photovoltaic modules can be effectively cleaned by shovel，brush and wipe.The device has the advantage of low consumption，waterlessness，no detergent，and no secondary pollution.Prototype debugging shows the viable of basic function with promotional value.

PV modules;dust－removing;CATIA modeling;secondary pollution

TH122

A

1674－8425(2014)03－0092－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.017

2013－11－15

重慶理工大學研究生創新基金資助項目(YCX2012306);重慶市科委應用開發項目(cstc2012gg－yyjs0740、cstc2013yykfA0223);重慶市巴南區科技局科研專項(2012Q125)

巫江(1988—)，男，重慶人，碩士，主要從事機械設計研究。

巫江，龔恒翔，朱新才，等.光伏組件自動除塵裝置設計與研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014 (3):92－97.

format:WU Jiang，GONG Heng－xiang，ZHU Xin－cai，et al.Design and Research of Photovoltaic Module Automatic Dust Removal Device［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):92－97.