新型太陽能自動清潔裝置設計

左先旺 榮先釗

摘? ?要：近年來，我國大力發展清潔能源，太陽能光伏發電發展得尤為迅速，但太陽能光伏發電板隨著使用時間的增長，表面附著的灰塵會大大地降低光伏板的透光率，降低發電效率。因此，需要對光伏板進行定期清潔。文章設計了一種新型太陽能自動清潔裝置，將原有的矩形光伏發電板改造為扇形光伏板，使得清潔裝置更加便捷;在光伏板表面鍍上PDMS膜，PDMS膜具有很好的透光度，能夠在光伏板表面形成一層疏水層，使得灰塵不易附著，并且便于清潔。清潔機械臂則采用了汽車擋風玻璃清潔裝置的設計原理，利用單個步進電機以及滑動導軌組合而成，既可以降低成本，又能夠達到較好的清潔效果。并且在光伏板四周設計了清潔廢液回收槽，可以將使用過后的清潔液回收，避免了其對環境的污染。

關鍵詞：聚二甲基硅氧烷膜;清潔機械臂;廢液回收

1? ? 背景及意義

為降低化石能源對環境的影響，清潔能源的發展已經成為大趨勢，全球能源的使用逐漸從石油等不可再生資源向太陽能光伏發電等綠色清潔能源轉變。目前，太陽能已經在全球發電市場上占據了較大的份額，2017年我國新增光伏并網容量達到53.06 GW，同比增長53.6%;截至2017年，累計光伏裝機并網量達到130.25 GW，同比增長68%，分布式光伏累計裝機容量29.66 GW。到2030年，我國計劃新增900 GW太陽能用以發電[1]。

太陽能光伏板長期暴露在戶外，極易吸附灰塵，灰塵會導致照射到太陽能光伏板上的光照強度減弱，從而引起熱斑效應，并且降低太陽能發電效率。關于熱斑效應，當太陽能光伏組件中的一個電池或一組電池被遮擋光線或者損壞，工作電流低于該電池或電池組的短路電流，在組件中會發生熱斑加熱效應，此時該被遮光或損壞的電池或電池組將被置于反向偏置狀態，吸收功率，從而引起光伏板發熱。

以20 MW太陽能光伏發電站為例，據統計，太陽能光伏板在清潔狀態時發電效率可達到23%～25%，如果太陽能電池組件受到灰塵等的污染，其發電效率則會降到17%～18%左右。可算出發電效率損失可達到5%～8%左右，會對光伏發電效率造成極大的影響，若定期對光伏發電組件進行清潔，則可以避免灰塵對發電效率的影響，提高發電效率[2]。基于此，本文參考車載雨刮器原理，提出一種新型的光伏清潔裝置設計。能較好地對光伏板進行清潔，并且成本較低，能夠極大地提高光伏板的發電效率。

2? ? 關鍵技術

目前，我國太陽能光伏板清潔方式主要有3種：光伏板表面鍍膜、人工清潔、機械自動清潔。光伏板鍍膜成本高且效果不佳，在鍍膜的基礎上仍需要清潔。人工清潔成本相對高昂，且不便捷。分布式太陽能發電設備多位于居民區屋頂、樓層外沿等懸空位置，人工清潔危險系數高。故根據結構設計簡單、性價比高、運行維護成本低、自動化清潔的設計要求，本文設計了一種新型太陽能自動清潔裝置。

該裝置通過對太陽能光伏板進行改造，將光伏板由傳統的矩形改造為扇形，并且在其透光面鍍上疏水性膜，借鑒汽車雨刮器原理，設計改裝太陽能光伏板清潔機械手柄，將清潔劑通過機械手柄噴淋到光伏面板上，利用機械手柄上的毛刷和清潔劑噴淋以及膜的疏水性，可達到較好的清潔效果。

2.1? PDMS薄膜

首先，疏水性膜是運用荷葉的原理在太陽能光伏發電板透光面鍍上一層疏水膜。由倒模法制備而成的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜不僅具有良好的自清潔性能，并且還具有很好的透光性，因此，在太陽能光伏板的防塵上具有良好的應用價值[3]。

具體方法為：用光刻法制作倒模、并澆筑PDMS預聚體、固化、剝離，從而得到柔性疏水透光清潔薄膜。該薄膜表面微結構為直徑、高度及間距均勻5 μm的圓柱型陣列。水滴在該薄膜上的接觸角為151.3°，其滾動角小于18°，透光率為95%，表現出優良的疏水性和自清潔能力。

2.2? 清潔裝置結構設計

該新型太陽能自動清潔裝置，由新型太陽能光伏板、機械清潔手臂、清潔液回收裝置組合而成。

所述的新型太陽能光伏板，其特征在于將傳統的矩形光伏板改造為扇形，相鄰的光伏板交替顛倒排列。并在其表面鍍上一層PDMS膜，在光伏板與灰塵之間形成一道疏水層，使得灰塵能夠更好地溶于清潔劑而不附著于光伏板表面。

所述的機械清潔手臂，一端位于扇形光伏板的圓心處，安裝有垂直于光伏板面的轉動軸承，可將機械手臂在光伏版面上轉動。另一端位于光伏板面上，位于光伏板上的機械手臂帶有轉動毛刷，并且帶有多個自動噴頭，可將清潔液通過噴淋的方式噴射到光伏板表面上進行除塵[4]。

所述的清潔液回收裝置，由光伏板邊緣寬3 cm的清潔液回收槽以及位于回收槽底部的清潔液回收管組成。在對光伏板進行清潔時，噴淋到光伏板表面上的清潔液順著光伏板流下，流入光伏板邊緣的清潔液回收槽中，再通過回收槽中的導管進行回收利用，防止清潔液隨處滴落，污染環境。太陽能清潔裝置如圖1所示。

3? ? 具體實現

該太陽能清潔裝置的機構組成包括：步進電機、導軌、支撐座、螺母塊、滑塊、毛刷。步進電機安裝在每塊扇形太陽能光伏板的圓心位置，垂直于光伏板平面放置，當步進電機在一端旋轉時，另一端通過滑塊在弧形導軌上滑動。通過調整滑輪與嵌入式圓棒的相互貼合程度，可實現滑塊在導軌上往復滑動。機械臂上排列多排毛刷，毛刷可拆卸更換，機械臂上排列有清潔液噴淋口，通過噴淋清潔液配合毛刷的往復滑動達到清潔的目的。在扇形光伏板四周設置平行的寬為3 cm的廢液回收槽。通過設置步進電機的轉矩和轉速，可以實現毛刷在光伏板平面上的往復運動，配合噴淋頭中噴灑的清潔液，可以實現對光伏板的高效清潔[5]。

4? ? 結語

本文設計了一種新型太陽能自動清潔裝置，將原有的矩形光伏發電板改造為扇形的光伏板，使得清潔裝置更加便捷。在光伏板表面鍍上PDMS膜，PDMS膜具有很好的透光度，能夠在光伏板表面形成一道疏水層，使得灰塵不易附著，并且便于清潔。清潔機械臂則采用了汽車擋風玻璃清潔裝置的設計原理，由單個步進電機以及滑動導軌組合而成，既可以降低成本，又能夠達到較好的清潔效果。并且在光伏板四周設計了清潔廢液回收槽，可以將使用過后的清潔廢液回收，避免了其對環境的污染。

[參考文獻]

[1]邢玉東.光伏清潔機器人的設計與實現[D].天津：天津理工大學，2019.

[2]王維鵬，魏圓慧，楊志磊，等.基于單體光伏板清潔裝置的設計[J].科技創新導報，2018（35）：90-91.

[3]張萬軍，王剛，陳慧媛，等.太陽能清潔裝置的設計[J].價值工程，2018（29）：122-126.

[4]曲宏偉，王靖雯.積灰對光伏板輸出特性影響理論和試驗研究[J].太陽能學報，2018（8）：2335-2340.

[5]閆九祥，王亞麗，魏盼盼，等.一種新型太陽能光伏板清潔機器人控制系統的設計[J].山東科學，2017（4）：112-117.

Abstract：In recent years， China has made great efforts to develop clean energy， and the development of solar photovoltaic power generation is particularly rapid. However， with the growth of the use time of solar photovoltaic power generation panels， dust attached to the surface will greatly reduce the transmittance of photovoltaic panels and reduce the efficiency of power generation. Therefore， the photovoltaic panels need to be cleaned regularly. In this paper， a new type of solar automatic cleaning device is designed， which transforms the original rectangular photovoltaic panel into a fan-shaped photovoltaic panel， making the cleaning device more convenient. The PDMS film is plated on the surface of the photovoltaic panel. The PDMS film has a good light transmittance and can form a hydrophobic layer on the surface of the photovoltaic panel， making the dust not easy to adhere and easy to clean. The cleaning arm adopts the design principle of car windscreen cleaning device， which is composed of a single stepper motor and sliding guide rail， which can not only reduce the cost， but also achieve better cleaning effect. Moreover， a clean waste liquid recycling tank is designed around the photovoltaic panel， which can recycle the used clean waste liquid and avoid its pollution to the environment.

Key words：polydimethylsiloxane membrane; cleaning arm; waste recycling