京津冀環境下太陽電池板清潔方法研究

康洪波，范 虹，趙 蕾,2，龔 旭,2，李曉琪,2

(1.河北建筑工程學院，河北張家口075000；2.張家口浩源電子科技有限公司，河北張家口075000)

京津冀環境下太陽電池板清潔方法研究

康洪波1，范 虹1，趙 蕾1,2，龔 旭1,2，李曉琪1,2

(1.河北建筑工程學院，河北張家口075000；2.張家口浩源電子科技有限公司，河北張家口075000)

嚴重的環境問題使得綠色能源的應用得到廣泛關注，而太陽能發電又成為其中研究和應用的重點。在京津冀地區，霧霾、灰塵嚴重影響著光伏電站的發電效率。在研究京津冀地區灰塵成分、形狀粒徑的基礎上，形成了針對該地區的灰塵清潔方法與發電效率之間的處理方案，并在該方案的基礎上，利用單片機及相應的機械設備提出了一種自適應性太陽電池板清潔裝置。

京津冀;太陽電池板;灰塵清潔

在近幾年環保部發布的全國城市空氣質量狀況報告中，京津冀已經成為污染治理的重點地區。改善環境的措施之一就是利用清潔能源來代替化石能源，因此，各種光伏電站應運而生。

隨著光伏電站規模的不斷擴大，光伏電站的后期維護成為電站高效運行的重中之重。這其中，太陽電池板表面灰塵對發電效率的影響成為提高運行效率的關鍵因素。而在京津冀地區，一方面，太陽能發電裝置要經受霧霾的考驗；而另一方面，在空氣質量好的張承地區，雖然沒有霧霾，但是風沙大、揚塵多，也給電池板的發電帶來不利的影響。因此，研究針對京津冀地區的太陽電池板清潔技術，具有重要的意義。

據調查，積塵對太陽能陣列的發電效率有著比較嚴重的影響。嚴重時，會使發電效率降低20%以上。同時，厚厚的積塵還會在太陽能陣列的表面產生化學腐蝕，縮短電池板的使用壽命，引起電池板故障。因此，采取有效的手段對電池板進行除塵是保證光伏發電效率的重要措施。

概括起來，目前的電池板除塵方法主要有兩種：自然除塵和機械除塵[1]。自然除塵是指利用自然界的力量，例如自然的風、雨等因素使灰塵自然脫落。這種方法的效率較低，尤其是在霧霾嚴重或空氣濕度較大的地區，會使灰塵顆粒粘黏在太陽電池板表面，僅靠自然的力量很難去除；另一種方法是機械除塵，主要利用機械設備，采用某種媒介來去除電池板的灰塵。媒介主要有兩種，一種是振動或超聲波，另一種是水。對于振動或超聲波而言，難點在于如何在保證光伏發電設備可靠工作的前提下，產生陣列的振動，而且振幅的大小還必須能產生有效的除塵效果。而對于水媒介而言，一方面水資源浪費嚴重，另一方面，在寒冷的冬季，除塵的水滴會在電池板表面形成冰膜，嚴重時會凍裂太陽電池板。

除自然除塵和機械除塵外，除塵方法還有納米自清潔薄膜除塵、靜電除塵和行波電簾除塵等方法。這些方法成本高，一時還難以應用到生產實踐當中。因此針對這些情況，以京津冀地區氣候為背景，分析該地區灰塵的粘附特性和移除方法，并以此為指導，研究出一種更適合于該地區的電池板除塵方案，具有十分重要的意義。

1 京津冀地區灰塵特性對光伏發電的影響

如圖1所示，京津冀地區地處太行山脈，是我國太陽能資源豐富和次豐富區，而這兩個區域也針對了兩種氣候條件，所形成的灰塵條件也不相同。在該地區的北部，主要包括了張承地區，太陽能資源豐富，霧霾少，風力較大，降雨量小，所以灰塵的主要成分是揚塵或揚沙，灰塵的顆粒大，粘黏性小，所以這一地區自然除塵是有一定的作用的，但是灰塵量大，只用自然除塵方法遠遠不夠，還需要一定的其他方法。

在該地區的南部，地處太行山脈的南面，風力小，霧霾嚴重，空氣濕度也相應較大，所以灰塵顆粒小，粘黏性大，所以單利用自然除塵是起不到除塵的作用的，還需要增加相應的措施。

圖1 我國太陽能資源分布圖

2 機械除塵原理和裝置

在自然除塵的基礎上，采用機械除塵的方法是有效的途徑。

太陽電池板上的灰塵主要受到四種力的影響：凈重力、范德華力、靜電力和粘附力。在張承地區，氣候干燥，經測試，在太陽電池板表面上的灰塵含水量較少，一般都不大于0.3%，因此，灰塵顆粒的毛細作用力小，粘附力小；同時灰塵顆粒較大，相對比于范德化力而言，凈重力對太陽電池板上的落塵影響更大，因此，機械方法宜采用先清掃，再用一定量的水進行沖洗的方法。而對于南部地區，電池板上的灰塵受粘附力的影響，需要進一步提高除塵的力度，所以用水沖洗的過程中需要加入一些清洗劑，以加強除塵的效果。電池板上的灰塵主要受力分析圖如圖2所示[1]。

圖2 灰塵顆粒受力圖

如圖2中所示，G為灰塵顆粒所受凈重力，Gx和Gy為凈重力在X與Y方向上的分量，這兩個分量一個形成了灰塵的下滑力，另一個形成軸向壓力，是粘附力的一個重要形成原因；T是灰塵顆粒與電池板的摩擦力、灰塵顆粒之間的作用力的合作力，Tx形成與Gx方向相反的抗滑力，起平衡下滑力的作用，Ty形成軸向壓力，作用與Gy相同；而FE和Fvdw為總靜電力和范德華力，形成的作用同軸向壓力。

從以上受力的分析情況來看，除塵要破壞的力有兩個，一個是軸向壓力，另一個是剩余抗滑力，大小為向上的抗滑力減去向下的下滑力。機械除塵可以先用除塵撣破壞軸向壓力，再利用水沖的方向來破壞剩余抗滑力。經測試，設計除塵裝置如圖3所示。

圖3 機械去塵裝置圖

如圖3所示，整個除塵裝置由三部分組成，第一部分是撣(刷)式除塵裝置，除塵撣(刷)采用兩種形式組合完成，一種是條形撣(刷)，另一種是圓盤撣(刷)，操作方式是前面由圓盤撣(刷)將電池板上的灰塵沿圓心方向旋轉擦除，以減小灰塵的附著力，后面由條形撣(刷)沿橫向清掃灰塵。這一部分完成了電池板的初級清塵。

當電池板的初級清塵完成后，再利用高壓水槍對電池板進行沖刷，以完成電池板的深度清洗。因此，整個裝置的第二部分就是水洗裝置，水洗裝置由水箱、水泵、膨脹罐、電磁閥、高壓水槍等五部分組成。

整個裝置的最后一個部分，也是最核心的部分是系統控制裝置。系統控制裝置由控制器、數據采集裝置、無線通信裝置來組成。控制器可以采用單片機，單片機的功能強弱由系統控制的精度來決定，當控制精度不高時，可以采用8位的單片機就可，而對于控制精確要求高的場合，要采用16位，甚至32位的ARM芯片，這樣可以將清潔度控制算法植入于芯片內，以達到利用算法來提高控制精度的目的。數據的采集裝置是一個利用各種傳感器來構建的灰塵厚度采集器，目前常用的傳感器是微波傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等。本裝置中，控制器與撣(刷)式除塵裝置、水洗裝置的數據通信采用無線通信方式，這樣可以解決布線繁亂和改線困難的問題。無線通信方式可以采用例如紅外線、ZigBee等短距離通信方式，從而可以達到通信高效的目的。

3 機械除塵方法效果的分析

機械除塵的潔凈度來自于兩個方面，一個是灰塵撣的動作壓力和次數，另一個是水清洗的水量和時間。目前常用的清潔方式都是固定方式，也就是說，這兩方面的因素都是在多次實驗的基礎上設定的硬件動作，并將這種動作固定好來實施。這種方式具有硬件設施實現簡單的優點，但是卻不太適應氣候的變化較大的情況，例如在張承地區，春冬秋季節風沙大，夏季風沙小，而且在同一個時間段，氣候的變化也是多端的，因此，為了提高機械除塵的精度，本設計利用ANFIS方法來加強除塵裝置的適應性。

ANFIS方法的全稱是自適應神經模糊推理系統，主要用來處理具有高度復雜性、多變性和非線性的問題[2]。而針對京津冀地區的氣候問題，利用ANFIS方法來提高預測的精確度，正是ANFIS所善長的領域。

一般情況下，ANFIS采用四個步驟來完成預測模型的建立，分別為：(1)利用系統內已采集數據構造原始數據集，對利用一些簡單的統計算法對原始數據集進行處理，為保證預測模型的準確性，本實例采用上一年的每隔5天的氣候值(溫度、濕度、日照強度、風力等)進行構建數據庫，并將該地區前5年的極端氣候值統計出來，添加入該數據庫中；

(2)確定氣候問題的隸屬度函數。氣候參數的復雜多變使得函數本身也要適應問題本身的復雜性，在本例當中選用鐘形函數來完成，具體公式如下所示：

式中：oij是隸屬函數的中心；dij是隸屬函數的寬度，當季節不同時，oij和dij取值也不同，而oij、dij的不同直接對應隸屬函數形狀的改變。

(3)構建模糊推理系統的模糊規則。在本例中，利用MATLAB的genfis1生成模糊規則，從而完成從數據中生成FIS結構的任務。

(4)以數據庫的數據作為訓練樣本值，構建神經網絡自學習的輸入值，利用BP多層前饋網絡誤差反向傳播學習算法來形成神經網絡輸入層的輸出值，為了提高輸出層的準確性，反向傳播函數采用最小二乘法來完成。

(5)根據以上模型及相應的函數，使用ANFIS進行數據預測訓練，訓練次數取300次，取數據庫中一個周期(三年)的1 000組數據，生成后一個周期(后一年)的預測數據，并與實際數據進行對比，進行持續性的ANFIS模型修改，直到數據基本符合為止。

4 總結

本文針對京津冀環境復雜的特點，設計了太陽能除塵系統。整個系統采用機械除塵方法，利用水和灰塵撣作為除塵媒介，并在單片機中嵌入ANFIS，來改善機械除塵的效果，從而實現太陽電池板的有效清潔。

[1]曲君樂，呂斌，吳承璇.太陽電池板自動清掃裝置的研制[J].山東科學,2013(8)：52-53.

[2]劉懷國，孫建華，張冰.ANFIS及其在控制系統中的應用[J].華東船舶工業學院學報，2001(10):34-36.

Cleaning method of solar panel in Beijing-Tianjin-Hebei region

KANG Hong-bo1,FAN Hong1,ZHAO Lei1,2,GONG Xu1,2,LI Xiao-qi1,2
(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei 075000,China;2.Zhangjiakou Haoyuan Electronic Technology Co.,LTD,Zhangjiakou Hebei 075000,China)

The green energy has been widely used due to the serious environmental problems,and solar power has become one of the research and application focus.In the Beijing-Tianjin-Hebei region,haze and dust,have seriously affected the power generation efficiency of photovoltaic power plants.Based on the research of the dust composition and shape particle size in Beijing-Tianjin-Hebei area,the treatment scheme between the dust cleaning method and power generation efficiency was formed.On the basis of the scheme,an adaptive solar panel cleaning device was proposed by using single chip microcomputer and corresponding mechanical equipment.

Beijing-Tianjin-Hebei;solar panels;dust clean

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1045-03

2016-12-21

河北建筑工程學院科研基金(2016XJJZD04)

康洪波(1972—)，女，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向為電氣工程。