基于行波電簾的太陽能電池板自除塵系統概論

高曉飛?周傳德?孟明輝?唐正林

摘 要 太陽能發電應用前景廣闊，然而積灰問題導致發電效率降低，太陽能清潔問題迫在眉睫。電簾除塵技術利用行波電場中的作用力驅動電場中微塵做定向運動，進而實現除塵目的。文章將行波電簾技術應用于太陽能電池板除塵，并搭建實驗系統平臺。實驗研究發現系統在380V/50Hz的三相交流電源激勵下自除塵效率高達96%，驗證了行波電簾技術在太陽能電池板除塵中的可行性。

關鍵詞 太陽能電池板;行波電簾;除塵

引言

太陽能電池板的大部分應用環境中均存在著大量灰塵，積灰問題將導致太陽能發電效率降低，造成資源浪費與經濟損失。現有太陽能電池板除塵方法主要有人工清潔法、機器人清潔法、機械除塵法、自清潔薄膜法、自然除塵法等[6]。這些除塵方法或需耗費大量水及人力資源，或成本較高。因此，自NASA提出電簾除塵技術以來，其作為一種相對簡單高效的新型除塵技術一直備受關注[4]。電簾除塵技術利用交變電源與電極結合形成行波電場，電場力驅動帶電或不帶電的微塵在電場中做定向運動，進而達到除塵目的。其相較其他除塵方式來講不存在除塵死角，且不需人力及水資源。利用行波電簾技術進行太陽能電池板除塵，既可避免影響太陽能電池板的光照環境，又能實現在工頻、低壓環境下自動除塵，應用方便、成本低，對各個領域及惡劣環境下的光伏發電系統均具有可觀應用價值[1-3]。

1976年，NASA[4]首次提出電簾技術并通過大量研究逐漸形成了電簾技術基本理論--將一組相互平行的透明導體電極刻蝕在基底上，接通激勵源后，相鄰電極之間將產生電場，從而使其中的微塵顆粒在力的作用下開始移動。之后，國內外學者對此進行了大量研究并取得了一定成果。七十年代日本學者Masuda等人[6]改進了電簾技術并將其分為平面型、籠型及環形三類。后又建立了其中顆粒物運動微分方程，并根據向量求和法估算其所受驅動力，進而得出其受力及運動軌跡，證明了行波電簾可有效驅動顆粒物使其進行定向運輸，適用于除塵領域。F.W.Schmidlin等[10]通過研究發現，顆粒物在電場中存在三種運動模式--沖浪模式、彈跳模式及簾狀模式，并建立了對應的動力學微分方程。H.Kawamoto等人[6]發現當輸入頻率不同時，顆粒的運動方向分為前向運動、反向運動和相對靜止三種，由此可見，激勵電源參數的變化會對除塵效率造成一定影響。國內學者柳冠青[9]等人通過實驗研究發現微塵顆粒在行波電場中運動軌跡呈現一定周期性，但在變形的簾狀模式中周期重復性較差，軌跡更加貼近電簾附近[8]。

1系統方案

太陽能電池板主要分三層，由鋼化玻璃、電池片及背板組成。鋼化玻璃主要作用是保護電池片，因此必須選用透光性好的材料，不能影響電池板的光照環境。將平行電極刻蝕在表面的鋼化玻璃上，可保證在不影響電池板光照環境的前提下進行除塵。

如圖，將一組寬度與間距均為0.2mm的平行電簾刻蝕在太陽能電池板表面鋼化玻璃上，接通激勵源后，相鄰電極之間將產生行波電場。此時，帶電微塵在行波電場作用下受電場力，不帶電微塵在電場作用下電離或極化后受介電泳力。之后，受電場力、介電泳力、重力及阻力的微塵在行波電場的作用下將沿特定軌跡進行移動，最終遠離電場并自然著陸[4]。

由于實驗環境原因，搭建與實際除塵效果相同的環境進行實驗，并選擇與沙漠地區沙塵相同的微塵顆粒（粒徑范圍為0-110μm）作為實驗樣本，系統連接圖如圖。將電簾除塵技術應用于太陽能電池板自清潔系統，行波電簾刻蝕在行波電簾板基底上，行波電簾板的三相電極通過控制開關與380V/50Hz三相交變激勵源的U、V、W三相電極相連接。電簾板上的平行電極接通交變電壓后產生行波電場。電場中的微塵顆粒不論帶電與否，都會在相應作用力的作用下受迫進行特定運動并遠離電場，進入自然著陸階段，最終實現自主除塵[4]。

2行波電簾除塵實驗

選用相同規格多組電簾板撒落不同質量微塵進行實驗。實驗時利用振動篩篩分出粒徑在0-110μm范圍內的微塵顆粒作為實驗樣本，將其均勻灑落在電簾板表面，測試寬度與間距均為0.2mm的電簾板在工頻380V/50Hz下的除塵效率[5]。

準備好實驗所需儀器及符合要求的微塵。測得電簾板質量M1及布沉后質量M2并得到布塵質量M3。打開電源，均勻灑下微塵。關閉電源，用毛刷輕輕刷下周圍微塵。測得此時電簾板質量M4并得到剩余微塵質量M5，最后計算除塵效率。測得實驗數據如下。

從上述實驗測得數據可以看出，對于粒徑分布在0-110μm范圍內的微塵顆粒，選用多組寬度與間距均為0.2mm的電簾板分別布下不同質量微塵，使用380V/50Hz三相交流電源時，除塵效率平均可達96%，單組實驗最低除塵效率可達95%且系統穩定安全，說明此種尺寸規格的電簾板對三相交流電網具有良好適用性，電簾除塵效率十分可觀[6]。

3總結與展望

沙漠地區缺乏人力及資源，采用人工清洗等方法進行太陽能電池板除塵顯然難以滿足使用要求，因此通過行波電簾技術進行光伏發電系統除塵十分必要。

文章介紹了電簾除塵技術理論，并搭建基于行波電簾的太陽能電池板自除塵系統實驗平臺進行相關實驗，系統自除塵效率可達96%，能有效解決太陽能清潔耗費資源等問題，具有可觀應用價值，本文為進一步探索行波電簾除塵研究提供了一定參考價值，基于本實驗系統可進一步研究不同激勵信號下的除塵效果。除塵效率是電簾除塵技術首要解決的問題，目前除塵效率最低可達95%，但仍有少量細小微塵顆粒難以清除。因此，后續研究工作可從本方面著手，加入超聲波振動法，緩解黏附在基底上的微塵顆粒，實現更高效除塵[7]。

參考文獻

[1] 邢羽.太陽能靜電除塵電機的性能研究[D].石家莊：河北科技大學，2018.

[2] 孟明輝，周傳德，張杰，等.三相行波電簾除塵的抗風干擾實驗研究[J].機電工程，2016，33（4）：453-457.

[3] 張華，季旭，楊劍.太陽能靜電除塵性能的實驗研究[J].云南師范大學學報（自然科學版），2016，36（2）：11-16.

[4] 周傳德，何高法，張杰，等.基于行波電簾的太陽能電池板微塵自清潔研究[J].河北科技大學學報，2013，34（2）：97-101.

[5] 高凌云.太陽能電池板除塵新技術[J].現代物理知識，2010，22（5）：52.

[6] 張杰.基于行波電場理論的微塵顆粒輸運機理與電簾除塵研究[D].重慶：重慶大學，2018.

[7] J.Zhang，C.Zhou，F.Zheng，et al.Numerical and experimental modeling of particle levitation and movement behavior on traveling-wave electric curtain for particle removal[J].articulate science and technology，2018，（15）：1-9.

[8] J.Zhang，C.Zhou，Y.Tang，et al.Criteria for particles to be levitated and to move continuously on traveling-wave electric curtain for dust mitigation on solar panels[J]. Renewable energy，2018，（119）：410–420.

[9] 劉關卿，李水清，柳冠青，等.模擬火星灰在行波電簾中的運動特性[J].工程熱物理學報，2011，32（12）：2073-2075.

[10] 馬海敏.光學器件表面防污除塵結構的設計與制備[D].杭州：浙江大學，2012.

作者簡介

高曉飛（1996-），女，內蒙古赤峰市人;學歷：碩士研究生，現就職單位：重慶科技學院 機械與動力工程學院，研究方向：機器人與機器人視覺。