基于自動清洗的太陽電池板發電系統的設計

田海川，郭 建，牛建會，馮英偉

(河北建筑工程學院，河北張家口075000)

基于自動清洗的太陽電池板發電系統的設計

田海川，郭 建，牛建會，馮英偉

(河北建筑工程學院，河北張家口075000)

灰塵對太陽電池板的發電效率有極大的影響。采用一定的技術手段對電池板進行自動清洗，可以有效地提高其發電效率。設計了帶有自動清洗功能的太陽能發電系統，其中自動清洗系統由水箱、水泵、分布式噴淋裝置和嵌入式控制器組成，可以在不同的情況下完成電池板灰塵檢測和清洗等功能。

太陽能發電系統；電池板；自動清洗；嵌入式

光伏發電的能源來自于取之不盡、用之不竭的太陽能，是資源最豐富的可再生能源。太陽能發電是新能源的代表技術，具有綠色、環保、清潔安全的特點。隨著科技水平的發展，太陽能發電技術日益成熟，其發電成本也出現大幅下降，成為最有前景的新型發電方式。

光伏發電是一種依靠太陽光進行發電的能源形式，其最主要的發電部件是太陽電池板，所以太陽電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。太陽電池板的理論發電效率為25%，實際為23%；而受污染后發電效率降為17%～18%。因此電池板的清潔程度對發電效率和效益影響非常之大，解決清洗問題勢在必行。

太陽電池板容易損壞主要是因為電池板安裝在戶外，環境復雜，充滿了風沙和浮灰，而且現在環境污染嚴重，有非常多的雜質嚴重阻擋了太陽電池板吸收陽光，降低電池板工作效率。如果不及時清洗，太陽電池板不僅對太陽能的吸收減弱，還容易產生局部燒壞，從而影響發電系統的正常工作[1]。目前大多數太陽能光伏系統都不包括相應的清洗裝置。即使增加了清洗的環節也是定時進行清洗，無法完成根據天氣的基本情況，動態地調整清洗模式和次數等功能。而天氣是多變的，因此，根據天氣的具體情況來有效地調整清洗模式是本研究的重點。

1 系統工作基本原理

根據太陽能陣列所處環境的基本情況，本文設計了兩種不同的自動清洗設備。第一種清洗設備的清洗媒介是水，主要適用于灰塵度不高、天氣狀況較好的南方地區。第二種清洗的媒介是水、灰塵撣和清洗劑，主要適用于灰塵度高、需要用高壓水反復沖洗的環境。用高壓水反復的沖洗容易造成太陽陣列大面積短路，從而引起發電效率降低；同時，如果太陽能發電廠位于北方，高壓水在冬季所產生的冰層會使太陽陣列凍裂，從而破壞太陽能發電系統。因此清潔的過程先用灰塵撣掃除灰塵，再利用混合了特殊清潔劑的水進行沖洗，完成清潔的過程。

圖1 基于水清潔的自動清潔系統工作原理

基于水清潔的自動清潔系統的工作原理如圖1所示。基于水清潔的自動清潔系統由水箱、直流水泵、管路、電磁閥、膨脹罐、灰塵層積量檢測裝置、噴淋裝置和控制器組成。基本工作原理為：首先，控制器接收來自于灰塵層積量檢測裝置的信息，當集灰量達到一定程度時，控制器關閉電磁閥并啟動水泵，水泵從水箱抽取自來水或者軟化水，經泵增壓通過管路送到膨脹罐，膨脹罐內隨著水量的增加壓力逐漸上升，當膨脹罐內壓力不再明顯上升時，突然打開電磁閥，使得膨脹罐內大量出水快速噴向電池板，以水脈沖形式高效清洗電池板，當膨脹罐內水壓明顯降低時，系統關閉電磁閥，對膨脹罐再次進行蓄水并再次進行噴射，直到電池板清洗干凈，如此反復。此間水泵一直處于工作狀態，不斷向膨脹罐補充水。

基于水、灰塵撣和清洗劑的自動清潔系統的工作原理如圖2所示。該自動清潔系統由灰塵層積量檢測裝置、毛撣、同步電機、水箱、直流水泵、管路、電磁閥、噴淋裝置和控制器組成。基本工作原理為：首先，控制器接收來自于灰塵層積量檢測裝置的信息，當集灰量達到一定程度時，控制器控制同步電機，帶動毛撣進行反復掃刷，毛撣采用特殊材質，以免對太陽電池板造成劃傷。當灰塵檢測裝置的數據顯示灰塵度已降至合理的范圍內時，控制器啟動水泵，水泵從水箱抽取帶有太陽電池板特制清潔劑的清潔水，經泵增壓通過管路送到噴淋頭，同時控制器打開電磁閥，由噴淋裝置對電池板進行沖洗。在水壓不足的地方，也可以增加膨脹罐來提高水壓。

圖2 基于水、灰塵撣和清洗劑的自動清潔系統的工作原理

2 系統設計

2.1 系統控制器的設計

整個系統的核心是控制器。對于家用或小型的光伏發電系統，控制要求不太高時，控制器選用51單片機就可，單片機利用I/O口接收來自于灰塵層積量檢測裝置的信息，并利用其他I/O口向水泵、電磁閥、步進電機等執行機構發出控制命令，并帶動毛撣或噴淋進行清潔。對于大型的光伏發電系統，在每個太陽電池板上布置短距離無線通信控制節點，采用相應的技術(例如ZigBee技術)構成具有一定網絡拓撲結構的無線傳感網。整個傳感網的核心采用嵌入式ARM芯片構成，完成與上層控制系統的網絡協議的轉換，充當網關的角色。這樣就可以形成以無線傳感網為底層數據采集與控制機構、ARM芯片為網關、上層服務器為數據處理中心，客戶端或手機為控制和顯示設備的一體化控制系統。

2.2 灰塵層積量檢測裝置的設計

系統數據采集主要來自于灰塵層積量檢測裝置。該裝置沒有特定的傳感器，在本設計中，可以利用超聲波傳感器或光照強度傳感器置于一透明盒內，當灰塵累積量超過一定設定厚度時，傳感器將信息傳回單片機，利用中斷機制觸發I/O口控制執行機構。以使用光照強度傳感器為例，單片機內驅動程序如下所示(本設計所選用的光照強度傳感器為BH1750)。

2.3 執行機構的控制設計

系統中的執行機構有水泵、步進電機、電磁閥等設備，這些設備都是接受來自于單片機I/O口的控制信息，以中斷的形式完成控制功能。在以上設備中，以步進電機的控制較為復雜，其驅動程序設計如下：

以上是控制系統步進電機的設計，由于篇幅關系，其他執行機構不再贅述。

3 結論

本文以單片機為核心，設計了兩種不同環境下的太陽能陣列清洗方式。一種方式是以水洗為主，另一種方式是灰塵撣加水洗的方式，并為它們設計了相應的驅動程序。經實驗證明，這兩種方式的清潔效果理想，成本也較為合理，為進一步推廣太陽能發電系統打下了良好的基礎。

[1]林少伯.含光伏電源的微電網儲能控制技術研究[D]．保定：華北電力大學，2013：17-19.

Design of solar panels power generation system based on automatic cleaning

The dust has great influence on the efficiency of the solar panels.It can effectively improve the efficiency of the solar panels by automatic cleaning with certain technical means.The solar power system with automatic cleaning function was designed.Automatic cleaning system includes water tank,water pump,distributed spray device and embedded controller.It can finish some functions such as dust testing and cleaning in different circumstances.

solar power system;panels;automatic cleaning;embedded type

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1255-02

2016-04-10

田海川(1976—)，男，河北省人，講師，主要研究方向為熱能工程和自動化控制。