清潔能源
——光伏發電板自清潔的研究

何 軍，程天翊，韓 穎

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景

“十二五”時期，我國新增太陽能光伏電站裝機容量約1 000萬千瓦，太陽能光熱發電裝機容量100萬千瓦，分布式光伏發電系統約1 000萬千瓦，光伏電站投資按平均每千瓦1萬元測算，分布式光伏系統按每千瓦1.5萬元測算，總投資需求約2 500億元。目前，我國太陽能發電產業正蓬勃發展。另外，我國的光伏發電大都選在光照條件好、土地使用費用低的西北部，西部地區的光照強度較大，能夠追求最大的發電效益，但是西部地區卻也大都存在著風沙大、塵土多的問題，這些沙塵積聚在光伏電池板上，嚴重地影響了發電效率。

對于固定型號的太陽能電池，其標稱發電效率實際上是指在標準測試條件（STC）下的性能指標，即輻照度為1 000 W/m2，溫度為25±1℃，大氣品質AM為1.5，而在實際光伏電站運行中，周圍環境時時刻刻都在變化，從而影響了光伏電池的發電性能。當溫度上升時，太陽能電池短路電流有微弱的上升，開路電壓明顯下降，最終導致電池的最大輸出功率下降。

基于以上背景，本項目設計了應用于光伏發電板自清潔的輔助降溫裝置。將在技術上難以提高效率的問題轉移至實際工作環境中，再次提高光伏發電效率，促進綠色能源發展，為我國可持續發展戰略作出貢獻。

2 系統設計

2.1 系統整體組成及操作流程

本作品是基于形狀記憶金屬合金變形特性而設計的一套全機械裝置，裝置一共可分為三大模塊，分別是記憶金屬動力模塊、傳動模塊和光伏發電模塊。其中，記憶金屬發電模塊在陽光暴曬下與水端形成溫差，使記憶金屬發生形變和回復的反復過程，提供動力，并由此循環轉動，動力經傳動后，轉化為毛刷的直線運動，具體如圖1所示。

圖1 裝置模型圖

各裝置有序連接后，水槽藏于光伏發電板背面，傳動機構和記憶金屬動力模塊在其側面，接收光照，之后將熱能轉化為機械能，為水提供動力。整個過程屬于全自動過程，同時利用太陽能光熱為裝置提供能量。每一套裝置形成一個單元，所有單元構成一個網絡，通過水槽的連接設計，將其統一，方便在其一端補充水源，大量減少人工，保證裝置的自動化運行。

2.2 光伏發電模塊設計

本項目的光伏發電模塊與傳統市場上的光伏發電板接軌并相適應，由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜和太陽跟蹤控制系統等設備組成。

2.3 記憶金屬動力模塊

記憶金屬模塊由固定支架、水槽、環形聚光器、記憶金屬彈簧、傳動輪構成，工作時，將其安裝在光伏發電板側面，聚光器一側朝外，為前傳動輪加熱，并使其始終維持在一定的高溫狀態。水槽整體在光伏發電板背面，與之相對的后傳動輪浸沒在水槽內的水中，溫度相對較低。于是，前后傳動輪分別形成熱端和冷端，形成溫差，為記憶金屬的變形提供溫度條件，使得記憶金屬彈簧沿傳動輪轉動，傳動輪對外輸出軸功。固定支架支撐起整個動力模塊，連接4個傳動輪，連接水槽，固定環形聚光器，與光伏發電板結構支架相連接固定，使其固定在整個光伏發電裝置一側，不占據光伏發電板受到的光照面積。

聚光器與前傳動輪同軸，固定在固定支架上，采用反射率大、透射率小的材料，將一定面積內的光照匯集至前傳動輪上，加熱傳動輪，保證其高溫狀態，以追求最大的溫差，達到運行的最佳效果。水槽采用半封閉結構，與最后的供水模塊相通，設計盡量封閉的結構，以減少水流的蒸發量，減少水資源的浪費。

2.4 記憶金屬結構設計

記憶金屬彈簧材料選用鎳鈦記憶合金，其伸縮率在20%以上，疲勞壽命達到1×107，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，制成細長封閉彈簧，將彈簧纏繞至4個傳動輪上，在冷熱兩端存在溫差時，發生各自對應的變形與恢復、拉伸與收縮。在將熱能轉化為機械能這個過程中，帶動4個傳動輪轉動，對外輸出軸功。固定支架選用PP材質，其主要特性為密度小、抗沖擊性強、表面剛度好、抗劃痕、延展性好、抗吸濕，這些特性使其在運行過程中能減少能量的損耗。固定支架的制作可由3D打印機打印制成，傳動輪同樣采用PP材質，擁有質量輕、結構強度高的特點，在其表面涂有黑色吸光材料，保證大量的吸收光熱，使得熱端維持在高溫狀態。傳動齒輪采用PP材質，表面剛度好、不易變形，可采用3D打印制成，結構簡單，成本較低。

2.5 傳動模塊設計

傳動模塊設計如圖2所示，該模塊的作用主要是將記憶金屬動力模塊的軸動轉化為直線運動，且為往復直線運動，整體結構由齒條和中間的齒輪構成，記憶金屬產生的軸動轉換為一側齒條的線運動，然后運動至另一齒條另一端，整個動力模塊一起進行往復運動，同時與毛刷的同軸為毛刷旋轉動力。

圖2 傳動模塊設計圖

本裝置背面另外裝有導軌配重，當毛刷向下移動時，對重上升，一個往復運動后，毛刷向上移動，對重向下，使得毛刷上移的阻力減小，防止中間出現卡出的情況。

傳動結構的設計需配合對應的光伏發電板結構支架，將其固定在光伏發電板一側。選用輕質且強度較高的塑料，以延長產品使用壽命，使能耗降至最低。

毛刷選用輕質硬桿制成的龍骨，其運動方式為緊貼光伏發電板表面，且限制于導軌上。

最終傳動機構的表現為：動力模塊與水槽、毛刷一起在齒輪的傳動下做往復直線運動，往復運動主要由齒條下方的導軌實現，記憶金屬動力模塊部分凸出，與導軌凹處相觸，環繞長條凸起做往復運動，在上下不同過程中分別處于上下兩條凹槽中，保證齒輪只與齒條的一側相嚙合，另一側不接觸，從而保證反復直線運動的實現。

3 可行性分析

本項目由4大模塊構成，基于形狀記憶合金的溫差發電利用的擴展，舍棄其原有的發電模式，雖其研究較多，也較為成熟，但其涉及能量的二次轉化，能量利用率較低，于是采取直接利用其產生的機械能作用于太陽能電池板表面，起到清潔及降溫作用。形狀記憶合金的技術應用已較為廣泛，且在本裝置中，合金結構較簡單。

傳動結構的設計主要為往復機械運動結構的設計，結構簡單可行。與現有的各種自清潔裝置對比，本裝置具有更多優點和更強的適應性。現有的自清潔裝置多采用電機驅動，以機器人的形式進行自清潔，此過程需要耗費大量能量，且裝置在運行過程中，無法做到即時清潔，本裝置在高溫環境下自動開始工作，且運行過程中無能量損耗，零耗能的設計思路競爭力更強，節能減排效益也最佳。因此，本項目具有較大的可行性。

4 總結

我國太陽能資源豐富，全國年日照大于2 200 h的地區超過2/3，年輻射量為5 900 MJ/m2，是世界上太陽能最豐富的地區之一。因此，我國非常適合太陽能的開發與利用。目前，大規模利用太陽能主要是用來進行發電，而太陽能光伏發電是太陽能發電的主要形式。

太陽能發電具有經濟、環保和安全可靠的優點。太陽能電站可建設在已有建筑上，不占地，建設周期短。由于系統建在負荷中心附近，無需建設昂貴的輸電網和變電站，輸配電損耗低，減少了長距離輸電帶來的巨大投資和電力損耗。采用太陽能作為能源，綠色無污染，減少有害物質的排放總量。而本裝置所能實現的功能為在零能耗的情況下，全自動降溫且清潔光伏發電板，能夠有效提高發電板的發電效率，符合節能減排的要求，因此，將本裝置用于提高太陽能發電板效率，具有較好的應用前景。