能監測沙塵與自動清潔的太陽能電池板保護裝置

有一次，我和媽媽去青海塔拉灘游玩，參觀了龍羊峽水光互補光伏電站。這里的定日鏡場有30 000多面定日鏡，每面鏡子都能自動追隨太陽而轉動，將光聚合到中間的塔上。

不過，聽工作人員介紹，這里曾是沙漠戈壁，沙塵較多，太陽能電池板常常被沙塵覆蓋，不僅影響太陽能電池板的光電轉換效率，還會導致太陽能電池板過熱，甚至損壞太陽能電池板。

通過查閱資料我了解到，傳統的太陽能電池板維護通常采用人工清洗或用高壓水槍沖洗的方法，這些方法不僅勞動強度大，而且用水量大，不適合干旱地區。此外，頻繁進行人工清洗也會增加維護成本，降低太陽能發電的經濟性。

針對這些情況，我思考：如果設計出沙塵監測與自動清潔于一體的太陽能電池板保護裝置，能否有效地解決這些問題呢？

一、設計思路

通過集成PM2.5傳感器實時監測沙塵濃度。這種粉塵傳感器中有一個孔，空氣可以自由流通。傳感器內部安裝紅外發光二極管和光電晶體管，紅外發光二極管定向發送紅外線，當被空氣中的顆粒物阻擋時，紅外線發生漫反射，信號輸出引腳電壓隨之變化。

把PM2.5傳感器放在太陽能電池板周圍，將紙片或小木棍插入傳感器孔內，模擬沙塵覆蓋時的情況。當傳感器監測到沙塵濃度超標時，先停止工作，然后單片機智能控制系統啟動振動馬達模塊，通過機械振動的方式清除太陽能電池板上的沙塵，有效恢復太陽能電池板的光電轉換效率。

二、設計制作

首先，連接PM2.5傳感器和Arduino Nano單片機擴展板，接著連接振動馬達與Arduino Nano單片機擴展板，最后連接LED燈與Arduino Nano單片機擴展板。用米思齊軟件編程，確認程序編譯正確后進行燒錄。

程序運行后先進行初始化設置，確保各個組件能正常工作。接著，PM2.5傳感器實時監測周圍的沙塵濃度，當監測到沙塵濃度過高時，裝置讓太陽能電池板停止運行，并熄滅LED燈，提示用戶當前太陽能電池板處于非工作狀態。與此同時，裝置將持續工作，直至監測到沙塵濃度降低到正常值。

一旦沙塵濃度處于安全范圍，裝置先啟動振動除塵功能，在完成清潔操作后，重新啟動太陽能電池板工作，LED燈亮起，表示太陽能電池板恢復正常運行。

三、效果測試

連接電池盒與主控板供電線，硬件設備初始化默認沙塵濃度為正常值。LED燈亮起，表示太陽能電池板正常工作，PM2.5傳感器持續監測沙塵濃度。

拿一根線或小棍子插入PM2.5傳感器孔內持續1.5 s，裝置判定沙塵濃度過高，讓太陽能電池板停止工作（具體表現為LED燈熄滅）。

抽出線或棍子，持續一段時間后裝置判定沙塵濃度低，太陽能電池板可以正常工作。這時，裝置中的振動馬達先給太陽能電池板振動除塵，之后太陽能電池板開始正常工作，具體表現為LED燈亮起。同時，還設置了人工除塵模式，當工作人員認為電池板表面沙塵濃度過高時，可按下紅色按鈕，啟動振動馬達除塵。

四、創新點

本裝置通過集成PM2.5傳感器實時監測沙塵濃度，利用單片機自動清潔，不僅提高了清潔的智能化和準確性，還方便對太陽能電池板進行維護。該裝置能減少水資源的浪費，特別適用于水資源短缺的地區。

應用本裝置能減少對人工清潔的需求，以及因人工操作不當可能引發的安全隱患，能提高太陽能電池板的安全性和可靠性。

五、進一步完善

提高PM2.5傳感器的靈敏度，使其更準確地判斷沙塵濃度，提高清潔效率；增強裝置的耐用性；讓裝置更智能化，例如加入環境濕度監測功能、優化振動清潔的時機和強度等。（指導老師：趙麗麗）

專家點評

侯冠宇同學的能監測沙塵與自動清潔的太陽能電池板保護裝置，是一件涉及光伏產業的創客作品。這項作品的完成，充分體現了作者具有良好的創新意識及對相關技術的學習和應用能力。

有研究表明，利用太陽能的最佳方式是光伏轉換，即利用光伏效應使太陽光射到硅材料上產生電流直接發電，而光伏產業就是以硅材料的應用開發形成的光電轉換產業鏈條的總稱，包括高純多晶硅原材料生產、太陽能電池生產、太陽能電池組件生產、相關生產設備的制造等。發達國家正在把太陽能的開發利用作為能源革命主要內容長期規劃，光伏產業正日益成為國際上繼IT、微電子產業之后又一爆炸式發展的行業。

我國76%的國土光照充沛，光能資源分布較均勻。與水電、風電、核電等相比，太陽能發電沒有任何排放和噪聲污染，應用技術成熟，安全可靠。同學們在中學階段開展這方面的嘗試或探究，可為成長為這方面的拔尖科創人才打下堅實基礎。