太陽能電池板捕光及除塵系統

張 瑋，楊景發，鄒鵬飛，李文靜，侯國棟，蘇安閣

（1.河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002；2.保定市第一中學，河北 保定 071002）

太陽能作為取之不盡、用之不竭的第一大清潔能源，已成為世界各國競相開發的重點［1］，太陽能光伏發電具有安全可靠、無污染、無噪聲等優點。2010年中國太陽能光伏并網發電年新增安裝容量（峰值功率）138MW，累計安裝500MW。太陽能產業已成為全球發展最快的新興行業之一。但同時太陽能也存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化等問題。

光伏發電系統的光電轉化裝置——陣列式太陽能電池板，多采用固定式安裝，不能實時追蹤太陽位置的變化，致使采光效率較低，影響光電轉換效率。另外，由于電池板表面充分裸露在室外空氣中，隨著時間積累，空氣中的無機和有機灰塵會逐漸積累在其表面，既降低電池的能量轉換效率，也容易因“熱島效應”造成電池局部發熱而損壞，導致太陽能蓄電池因不能保持足夠的電量而大大縮短壽命。綜合比較實現追蹤太陽的單軸追蹤、雙軸追蹤、光敏電阻光強比較等方法［2］，以及人工擦拭、刮刷式、高壓水流／氣流清潔等電池板除塵方法［3］，我們設計了集“聚光”、“電池板傾角調節”、“平行于地軸的定點定角單軸追蹤”和“高壓風力除塵”于一體的“太陽能電池板捕光及除塵系統”，充分提高太陽能電池的光電轉化率。

1 設計原理

1.1 追蹤／不追蹤太陽照度比較

在空曠的樓頂進行對比實驗，通過測量追蹤太陽與不追蹤2種情況下的太陽照度（EA為不追蹤太陽時的照度，EB為追蹤太陽時的照度），來比較太陽能電池板的受光情況，測量結果見表1。由表1可得出：當對太陽進行追蹤時，其照度值比不追蹤時平均高出約29.8%。

表1 追蹤／不追蹤太陽照度

1.2 光強對太陽能電池開路電壓和短路電流的影響

利用FZ－GDD硅光電池特性實驗儀，調整電池板與光源之間距離，測量不同距離下電池板的開路電壓UOC和短路電流ISC，測量結果見圖1。

圖1 硅光電池板光照效應

1.3 保定地區太陽運行軌道圖

太陽高度角α、太陽赤緯角δ和太陽方位角的計算公式［4］分別為：

式中，φ為當地的地理緯度［5］，ω為太陽時角，N 為從1月1日起，到該天的天數。

根據以上式計算與太陽能應用有關的參數，并由所得數據獲得了太陽運行軌跡，見圖2［6］。

圖2 保定地區太陽軌跡圖計算模擬

1.4 太陽能電池板傾角選擇

根據地球繞太陽運行的規律可知：即使在同緯度的地方，在不同的季節，太陽的入射角也是不同的。依據本次設計并參考相關文獻中的資料，為獲得最大的日射量，電池板的傾角β推薦值如下：全年使用，β＝φ，夏季（從春分到秋分）使用，β＝φ－10°；冬季（從秋分到春分）使用，β＝φ＋10°；由保定的地理位置可得，夏季太陽能電池板傾角為38°，冬季為43°。

2 太陽能電池板捕光與除塵系統的設計

太陽能電池板捕光與除塵系統主要由聚光模塊、追蹤模塊、高壓風力除塵模塊和電源模塊等部分組成，見圖3。

2.1 聚光模塊設計

利用聚集反射技術，在太陽能電池板的左右兩側布置反光鋁板，通過實驗比較，確定鋁板和太陽能電池板夾角，使太陽能電池板接收盡可能多的太陽能，減小太陽能量的分散性和太陽光的不均勻性，提高光電轉換效率。

經過計算比較，將鋁板和太陽能電池板成60°角布置時，在電池板受光面積不變的情況下，其使用的反射鋁板的面積最小，成本也就低。聚光板塊結構示意見圖4。

2.2 太陽能電池板追蹤模塊設計

圖3 太陽電池板捕光及除塵系統結構框圖

追蹤模塊采用“平行于地軸的定點定角單軸追蹤”系統，包括硬件結構和軟件兩部分。首先進行初始設定：根據不同的季節、地理緯度，通過手動旋鈕設定電池板的安裝傾角；通過軟件設定每個時鐘點的水平方向旋轉角度。設定完成后，系統軟件發出控制信號（步進時鐘脈沖）驅動步進電機帶動小齒輪轉動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉動，實現電池板單軸（東西向）跟蹤。

2.2.1 追蹤模塊的硬件結構設計

追蹤模塊硬件主要由底座、主軸、齒輪、軸承和步進電機［7］、手動刻度旋鈕等部分組成，見圖5。

圖4 太陽電池板聚光結構示意圖

圖5 追蹤模塊后視、前視和整體結構

該系統設計要點：主軸與地軸平行；根據電池板質量確定扭矩，進而選擇步進電機的型號和驅動器；通過齒輪嚙合，實現變速；使用軸承減小阻力；硬件部分安裝在立桿的頂部平臺上，樣機設計時，縮短立桿；控制箱設計在底部。設計時先進行Pro／E模型設計［8］，再進行CAD設計。

2.2.2 電池板專用調角盤

設置一個“電池板專用調角盤”（見圖6），用于調節太陽能電池板的傾角。根據地理緯度、不同的季節，通過手動旋鈕方便、準確地設定電池板的安裝仰俯角。

圖6 太陽電池板專用調角結構

2.2.3 單片機主控器硬件接口電路設計

利用單片機最小系統，分配步進電機的控制端口，設計控制接口電路（見圖7），用繼電器實現小電流控制大電流，完成電池板追蹤旋轉。

圖7 單片機控制接口電路

2.2.4 追蹤模塊的軟件設計

跟蹤系統軟件設計所用單片機為STC89C54，系統軟件采用C語言編寫，依據跟蹤方案，完成時鐘、定點旋轉角度和自動復位設定［9］，程序流程圖見圖8。

圖8 程序流程圖

2.3 高壓風力除塵結構設計

在太陽能電池板的高端斜后方，安裝一個帶傾角的氣體噴管。首先進行噴管進風口和出風口設計［10］。設計時，參照相應的流體力學知識，為使噴管出風較為均勻，且在一定長度距離內使水頭損失、能量損失達到最小。利用流體力學fluent軟件對進風口個數、出風口孔洞形狀（圓／方）、個數進行模擬比較［11］。

由模擬分析可知：2個進風口、每個分管一段，出風口形狀為圓形，多個出風口的效果最好，風量均勻，風速較大，而出風口開成狹縫以后，風速較小，達不到除塵要求。故最終設計為：2個進風口、17個圓形出風口。進風口通過軟管經控制閥與高壓儲氣罐連接，利用單片機定時點開啟控制閥，一定壓力的氣體通過小孔均勻噴出，轉化為高速微細氣體射流，形成對電池板表面的噴射力，實現較大面積除塵。

2.4 太陽能電池板光電互補電源模塊設計

太陽能發電系統由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池（組）組成，同時備用了一套AC／DC市電供電系統實現光電互補［12］，可在2種供電方式中自由切換，以保障系統的運行的穩定性，增強實用性。

2.5 整機設計與制作

本系統由太陽能電池板跟蹤裝置、風力除塵裝置和控制電路硬軟件等部分組成。制作初期設計了多種樣機模型，經多次論證，確定最終的結構。制作過程中嚴格遵循科學布局、結構嚴謹、務實簡潔的思想，按照機械制作標準制作而成，樣機見圖9。

圖9 太陽能電池板捕光及除塵裝置

3 結論

本系統是基于單片機的自動控制系統，配合精密機械裝置使系統更加穩定，提高系統追蹤太陽的精度，獨創的高壓風除塵法，能夠有效除去太陽能電池板表面灰塵，顯著提高了太陽能光伏發電系統的綜合發電效率。太陽能具有潔凈、方便、無盡等優勢，有理由相信，本項目成果的轉化，必將產生可觀的環境效益、經濟效益和社會效益。

（References）

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