周傳德，何高法，張 杰，黎澤倫，鄧顯玲

（1.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400042）

目前對(duì)微塵顆粒監(jiān)測(cè)和除塵方法有較多研究，針對(duì)太陽(yáng)能電池板陣列除塵方法的研究較少［1-2］，中國(guó)有一些機(jī)械式除塵的方法和專利，國(guó)外的研究包括了在火星探測(cè)器或月球車太陽(yáng)能板的除塵方法、自清潔材料等［3-8］。概括起來(lái)主要有自然除塵、機(jī)械除塵、納米自清潔薄膜除塵、靜電除塵和行波電簾除塵等。

自然除塵是利用自然力量如風(fēng)吹、雨水沖刷或重力的自然作用來(lái)清除灰塵，除塵效果較差。振動(dòng)或超聲波等方式來(lái)清除微塵也是一種行之有效的機(jī)械除塵方法，其關(guān)鍵在于大面積電池陣列振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方法及其與除塵效果的關(guān)系等。California Institute of Technology的WILLIAMS等研究了以壓電陶瓷來(lái)驅(qū)動(dòng)自清潔火星探測(cè)器太陽(yáng)能電池板振動(dòng)特性［3］。納米自清潔薄膜覆蓋于太陽(yáng)能電池板陣列表面，是保持太陽(yáng)能電池板處于清潔狀態(tài)的有效方法之一，主要包括超親水性（Superhydrophilicity）材料自清潔薄膜和超疏水性（Superhydrophobic）材料自清潔薄膜2種方式。對(duì)超親水性材料研究較多的是TiO2。目前的研究熱點(diǎn)：1）制備工藝；2）摻雜和改性。超疏水材料薄膜的自清潔原理是基于“荷葉效應(yīng)”。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米自清潔表面太陽(yáng)能電池板進(jìn)行了卓有成效的研究工作。但納米自清潔薄膜自清潔方法距離大面積、低成本制備及應(yīng)用還有一定的距離。

靜電除塵是一種最簡(jiǎn)單的電子除塵方法。研究人員在研究火星太陽(yáng)能電池翼除塵方法時(shí)，提出微塵在紫外線照射或在與大氣摩擦過(guò)程中會(huì)帶上電荷；如果太陽(yáng)能電池表面具有很高的電位，將會(huì)吸引帶有異性電荷或中性電荷的微塵。那些被吸附到表面的微塵，最終也會(huì)帶上與太陽(yáng)能電池板同符號(hào)的電荷，在電場(chǎng)力的排斥作用下離開(kāi)太陽(yáng)能電池的表面。

目前，美國(guó)、日本和歐洲的一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展模擬火星、月球等電簾除塵仿真、實(shí)驗(yàn)及相關(guān)研究，特別是美國(guó)近年來(lái)重返月球計(jì)劃，使得電簾除塵及其在月球和火星探測(cè)器除塵中的應(yīng)用等技術(shù)得到較多研究，NASA等實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了相關(guān)研究和試驗(yàn)［9-17］。在中國(guó)，目前在這方面的研究剛起步，北京東方計(jì)量測(cè)試研究所對(duì)該技術(shù)在月球和火星探測(cè)器上的應(yīng)用做了前期調(diào)研工作，重慶科技學(xué)院對(duì)電簾除塵進(jìn)行了相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)。

CALLE等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析的方法研究了行波電簾中在靜電力和介電泳力作用下的除塵效果，分別使用不透明和透明材料做電簾基體作為實(shí)驗(yàn)原型，并在高真空的環(huán)境進(jìn)行了除塵實(shí)驗(yàn)，證明其除塵效果良好［4，15-16］。ATTEN等研究了駐波電簾技術(shù)及其在火星探測(cè)器太陽(yáng)能電池單元上的應(yīng)用，在大氣環(huán)境下以及用低壓腔模擬的火星氣壓環(huán)境下實(shí)驗(yàn)了駐波電簾的除塵效果，結(jié)果表明駐波電簾可以去除大部分帶電微塵［15］。MARSHALL等分析了微塵在駐波電簾和行波電簾作用下的運(yùn)動(dòng)情況，為電簾除塵技術(shù)的應(yīng)用提供了較為系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)［12-13］。CALLE等基于行波電簾技術(shù)提出柔性electrodynamic screen（EDS）的概念，設(shè)計(jì)了該裝置，采用實(shí)驗(yàn)方法研究了其在模擬火星環(huán)境下的除塵效率等相關(guān)內(nèi)容，并首次提出了將EDS應(yīng)用于地球光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能板除塵，并研究了該系統(tǒng)在太陽(yáng)能板中應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題，證實(shí)將電簾除塵理論應(yīng)用于地球太陽(yáng)能電池板除塵是切實(shí)可行的［18］。

針對(duì)作為行波電簾除塵中較為復(fù)雜的作用力之一的電泳力，除了上述機(jī)構(gòu)在研究電簾除塵時(shí)，對(duì)電簾作用力進(jìn)行一些分析外，目前世界上從事介電泳力作用研究的院校和科研機(jī)構(gòu)有塞維利亞大學(xué)、南安普敦大學(xué)、田納西大學(xué)、圣巴巴拉大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)等，在中國(guó)，中國(guó)科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在從事該項(xiàng)技術(shù)的理論研究和具體實(shí)驗(yàn)研究，他們主要針對(duì)生物領(lǐng)域，利用MEMS技術(shù)對(duì)微納膠體顆粒的粒子進(jìn)行操縱。MEMS技術(shù)使用的電壓一般較低，常用來(lái)操作微小粒子或細(xì)胞，與行波電簾相差較大，行波電簾體積較大，操作顆粒較大，電壓達(dá)到千伏級(jí)或更高，電極形狀和距離也較大。

上述對(duì)電簾除塵技術(shù)的研究主要集中在火星和月球探測(cè)器的太陽(yáng)能電池板除塵和防護(hù)方面，主要通過(guò)電磁學(xué)研究靜電力、介電泳力的計(jì)算模型，從理論上證明電簾除塵的可行性；研究各種電極及高壓信號(hào)源，模擬各種真空環(huán)境，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)除塵效果及電簾電極參數(shù)與除塵效果的基本規(guī)律。研究結(jié)果表明，基于行波電簾的除塵方法在理論上是可行的，但沒(méi)有考慮大氣環(huán)境灰塵的重力、附著力以及風(fēng)力、灰塵自身電場(chǎng)對(duì)電簾電場(chǎng)的反作用影響等，沒(méi)有從力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)上，分析粒子受力及空間運(yùn)動(dòng)軌跡。

1 行波電簾

電簾由許多平行電極組成，在平行板電極上施加單相或多相電壓信號(hào)產(chǎn)生駐（或行）波電簾。帶電微塵在行波電場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)特定軌跡的定向移動(dòng)，達(dá)到微塵被移除電池板邊界的效果。該類方法應(yīng)用的環(huán)境適應(yīng)面廣，也可推廣至其他光學(xué)器件和科學(xué)儀器等相關(guān)領(lǐng)域。

行波電簾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括高壓激勵(lì)信號(hào)和電簾，電簾如圖1所示，其主要參數(shù)為電極寬度、電極間距和絕緣層厚度。高壓激勵(lì)信號(hào)主要參數(shù)包括信號(hào)波形、信號(hào)電壓、信號(hào)頻率等參數(shù)，為了方便實(shí)驗(yàn)參數(shù)的可調(diào)，采用模塊思路，信號(hào)的加載方式采用圖2中所示3相或4相2種方案。

圖1 電簾結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of electric curtain

圖2 行波電簾加載模式Fig.2 Driver for electric curtain

根據(jù)電磁學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)微塵顆粒定向運(yùn)動(dòng)的控制理論，求解理想電場(chǎng)強(qiáng)度（E）時(shí)間-空間分布模型，建立電場(chǎng)強(qiáng)度（E）時(shí)間-空間分布與電極間距（d）、信號(hào)波形（s）、信號(hào)幅值（u）、信號(hào)頻率（fr）、絕緣層介電常數(shù)（ξ1）和厚度（h）的數(shù)學(xué)模型，模擬仿真在不同參數(shù)的電場(chǎng)分布，并帶入微塵顆粒力學(xué)和運(yùn)動(dòng)模型，求解較優(yōu)化的電極參數(shù)。并利用主要影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，局部?jī)?yōu)化和全局優(yōu)化電極參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式（1）：

2 介電泳力

對(duì)于重力、阻力、電荷力，在微塵特性參數(shù)已知的條件下，已有成熟的公式和模型。對(duì)于電場(chǎng)力，區(qū)分帶電微塵顆粒和不帶電微塵顆粒進(jìn)行不同處理。

帶電微塵顆粒所受的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為式（2）：

式中：m為微塵的質(zhì)量；r為微塵的位移；q為微塵的帶電量；E為電簾的電場(chǎng)強(qiáng)度；η為黏性系數(shù)；g為重力加速度。

運(yùn)動(dòng)軌跡r與電場(chǎng)強(qiáng)度E之間具有耦合效應(yīng)，且是非線性的。研究解耦方法獲得其精確解析解；同時(shí)利用數(shù)值分析方法，模擬仿真微塵的運(yùn)動(dòng)軌跡。

不帶電微塵顆粒受到的平均介電泳力在時(shí)間和空間上都與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，參考相關(guān)研究，可以簡(jiǎn)化為式（3）：

其中：E＊為電場(chǎng)強(qiáng)度的復(fù)共軛；p為感應(yīng)電偶極矩；εm為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)；fCM為Clausius-Mossotti（克勞修斯-莫索蒂）因子。

利用解析法可以計(jì)算顆粒所受介電泳力及其運(yùn)動(dòng)速度，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元仿真方法計(jì)算電場(chǎng)內(nèi)介電泳力分布情況，進(jìn)而分析各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3 微塵空間運(yùn)動(dòng)

帶電微塵在行波電簾作用下受電場(chǎng)作用力，不帶電微塵在行波電簾作用下電離或極化后受介電泳力。靜電力和誘導(dǎo)偶極矩大小是微塵受力分析的基礎(chǔ)。微塵顆粒大小是基本物理參數(shù)，是行波電簾電極設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)、間距、激勵(lì)參數(shù)）的初始條件，也是離散元分析時(shí)帶電粒子簡(jiǎn)化模型、重力計(jì)算的依據(jù)。

微塵顆?？煞譃樽匀粠щ娏Ｗ雍筒粠щ娏Ｗ?，帶電粒子又分為正電粒子和負(fù)電粒子。不帶電粒子在高壓電場(chǎng)作用下極化，粒子邊界分別具有等量的正負(fù)電荷，在不均勻電場(chǎng)空間里受力并不相等，產(chǎn)生等效合力和力矩，即介電泳力，圖3所示不同粒子的電場(chǎng)力受力情況。

微塵受力與電場(chǎng)空間位置相關(guān)，微塵粒子的運(yùn)動(dòng)中可分為極化及初始運(yùn)動(dòng)階段，在電場(chǎng)力、介電泳力、重力和阻力作用下的受迫運(yùn)動(dòng)階段，遠(yuǎn)離電場(chǎng)的自然運(yùn)動(dòng)及著陸階段，3個(gè)階段的受力種類和大小如圖4所示。在受迫運(yùn)動(dòng)階段可能存在沿程滑動(dòng)、沿程滾動(dòng)和空間漂移3種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。利用邊界元和離散元算法，由初始位置計(jì)算受力（F）、加速度（a）、速度（v）和位移（s），根據(jù)新位置建立新的作用力，進(jìn)而迭代計(jì)算獲得微塵被去除全過(guò)程的階段運(yùn)動(dòng)分析，包括力及加速度曲線、速度曲線和位移曲線，位移曲線是除塵效率優(yōu)化和節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)。

圖3 微塵粒子分類及電場(chǎng)力描述Fig.3 Dust particle and its electric force

圖4 微塵粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程階段及基本受力描述Fig.4 Motion stage of dust particle and its forces

4 結(jié) 語(yǔ)

1）開(kāi)展了機(jī)械式清潔車和電簾除塵的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比，機(jī)械式清潔車重點(diǎn)研究機(jī)械手運(yùn)動(dòng)（人工驅(qū)動(dòng)車輛定期清掃，效率高但實(shí)施困難）；電簾除塵微電子自動(dòng)控制，具有使微塵明顯搬移的效果，可實(shí)施和可控性強(qiáng)。

2）通過(guò)文獻(xiàn)資料和電極安全理論，掌握了電極尺寸、激勵(lì)電壓等與除塵效果的定性關(guān)系，計(jì)算和設(shè)計(jì)了行波電簾的電極和高壓激勵(lì)源基本參數(shù)。

3）將微塵運(yùn)動(dòng)劃分為初始運(yùn)動(dòng)、受迫運(yùn)動(dòng)和著陸運(yùn)動(dòng)3個(gè)階段，受迫運(yùn)動(dòng)階段存在沿程滑動(dòng)、沿程滾動(dòng)和空間漂移3種運(yùn)動(dòng)形態(tài)的假設(shè)。

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