太陽能電池板自動除塵裝置

何炬

研制背景及意義

太陽能電池板表面除塵的傳統方法有兩種：一種是采用水沖刷，這種方法會耗費大量人力和水資源，且這種方法只能應用于安裝在低矮位置的太陽能電池板，如太陽能草坪燈、太陽能地燈等，對安裝在較高位置的太陽能電池板，如太陽能路燈、屋頂太陽能供電裝置，則除塵極為不便；另一種是通過控制器用電機帶動傳動裝置對太陽能電池板表面進行除塵，此類裝置結構復雜，可靠性差，且初始投入與后期維護成本較高，大大增加了發電成本，不易推廣應用。

針對以上問題，我們研制出了一種結構相對簡單、能夠自動運行并且節約能源的太陽能電池板自動除塵裝置。本裝置僅使用太陽能，不消耗其他能源，在能源危機日益加劇的今天具有很好的發展前景。

設計方案

太陽能電池板自動除塵裝置基本結構圖如圖1所示，包括裝有自主研制的相變材料的集熱裝置、氣缸、除塵刷、壓力真空表及閥門。氣缸布置在太陽能電池板的一側，通過氣缸支架與太陽能電池板邊框固定連接。集熱管的出氣口通過管道連接氣缸的進氣口，管道上安裝有一個四通接頭。四通接頭的一端連按壓力真空表，用于測量管道內的壓力值；一端連接閥門，用于對管道和集熱管抽真空，使氣動裝置的管道內在初始階段為負壓；四通接頭的另外兩端與管道相連。氣缸的滑塊與氣缸支架下端之間裝有相吸的磁鐵片，確保活塞在氣壓增加的條件下能直接運動到導軌上端，不會在導軌中間停留。滑塊同時與除塵桿相連，除塵桿與滑塊一體或者固定在一起，除塵刷安裝于除塵桿上，位于太陽能電池板的正面，與太陽能電池板的上、下兩邊緣平行，其起始位置位于太陽能電池板的下端。

太陽能電池板自動除塵裝置選取膨脹度高、相變潛熱小的相變材料為工質，利用相變材料的熱膨脹產生推動力驅動裝置運行。

裝置的工作原理見圖2。白天，太陽能電池板自動除塵裝置接受陽光照射，集熱管吸熱升溫，同時一部分陽光通過反光壁面反射到集熱管上，使得集熱管的溫升加劇，引起管內相變材料汽化，隨著汽化的液體增加，管道內的壓力也隨著增大。當溫度升高到一定值時，集熱管內的高壓氣體將推動氣缸內的活塞移動，從而推動除塵刷上移，直到升至太陽能電池板的最頂端，達到清潔太陽能電池板的目的。

夜間溫度下降，管道內的氣體由于降溫而開始液化，管道壓力逐漸減小。當壓力減小到一定程度時，由于管道中初始狀態是負壓，大氣壓通過出氣口推動活塞帶動氣缸滑塊向下移動，直至回到太陽能電池板的最下端，除塵刷也回到初始位置。按照這樣的工作方式，除塵刷每天往復運動1次，即能保證太陽能電池板的表面在大部分時間里是清潔的，這樣就使太陽能電池板的光電轉換效率維持在一個較高的水平。本裝置實物照片見圖3。

技術經濟分析

以180瓦太陽能電池板為例。經測試，當太陽能電池板表面灰塵覆蓋量達到4.05克/平方米時，會造成發電量下降約40%，等效于發電功率下降72瓦，按照單晶硅太陽能電池板每瓦12元的價格計算，即有72×12=864元的投資被浪費掉。按照本方案設計生產的應用于180瓦太陽能電池板的除塵裝置價格為每套600元，再加上太陽能電池板本身的價格，該套設備共計2760元。如果將該筆資金只用于太陽能電池板的購置，則可購得230瓦的太陽能電池板。如果不采取任何清潔措施，那么達到4.05克/平方米的灰塵覆蓋量后，太陽能電池板的效率會下降多達40%，即實際可用功率只剩下138瓦，遠低于安裝本裝置后的180瓦電池板。

結論和創新點

利用相變材料晝夜特性的差異，采用獨特的氣動除塵方式對太陽能電池板的積塵進行清潔，與同類產品相比，設計方案新穎。

工質選取高膨脹度、低汽化潛熱的相變材料，在較低的溫度下，工質就會產生較大的體積變化量，從而產生較大的壓力，保證了太陽能電池板自動除塵裝置的高效運行。

設備安裝時對集熱管進行抽真空，使得除塵部件的返回過程更順暢，僅利用太陽能作為動力源，不需消耗額外的能源，節能環保。

應用價值

該產品采用氣動除塵的方法，有效地解決了現有太陽能電池板除塵方式浪費水資源、裝置復雜、較難維護的問題。本產品僅使用太陽輻射能作為裝置運行的動力，不消耗其他額外能源，通過相變材料在晝夜條件下的特性差異，能夠很好地對太陽能電池板表面進行清潔。本產品設計獨特，運行效率高，易于維護，市場前景廣闊，在技術成熟的情況下可大規模生產、應用和推廣。隨著光伏產業的不斷發展壯大和節能減排戰略的貫徹，本產品將迎來更多的契機，必定會有更好的市場前景。

專家評語

該項目研究開發了一種用于太陽能電池板的自動除塵裝置，相變材料的應用有特色，構思巧妙，節能環保，有應用前景。建議不斷完善技術方案，在實際中推廣和使用。