高曉飛?周傳德?孟明輝?唐正林

摘 要 太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用前景廣闊，然而積灰問(wèn)題導(dǎo)致發(fā)電效率降低，太陽(yáng)能清潔問(wèn)題迫在眉睫。電簾除塵技術(shù)利用行波電場(chǎng)中的作用力驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)中微塵做定向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除塵目的。文章將行波電簾技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板除塵，并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在380V/50Hz的三相交流電源激勵(lì)下自除塵效率高達(dá)96%，驗(yàn)證了行波電簾技術(shù)在太陽(yáng)能電池板除塵中的可行性。

關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能電池板;行波電簾;除塵

引言

太陽(yáng)能電池板的大部分應(yīng)用環(huán)境中均存在著大量灰塵，積灰問(wèn)題將導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電效率降低，造成資源浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)有太陽(yáng)能電池板除塵方法主要有人工清潔法、機(jī)器人清潔法、機(jī)械除塵法、自清潔薄膜法、自然除塵法等[6]。這些除塵方法或需耗費(fèi)大量水及人力資源，或成本較高。因此，自NASA提出電簾除塵技術(shù)以來(lái)，其作為一種相對(duì)簡(jiǎn)單高效的新型除塵技術(shù)一直備受關(guān)注[4]。電簾除塵技術(shù)利用交變電源與電極結(jié)合形成行波電場(chǎng)，電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)帶電或不帶電的微塵在電場(chǎng)中做定向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到除塵目的。其相較其他除塵方式來(lái)講不存在除塵死角，且不需人力及水資源。利用行波電簾技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)能電池板除塵，既可避免影響太陽(yáng)能電池板的光照環(huán)境，又能實(shí)現(xiàn)在工頻、低壓環(huán)境下自動(dòng)除塵，應(yīng)用方便、成本低，對(duì)各個(gè)領(lǐng)域及惡劣環(huán)境下的光伏發(fā)電系統(tǒng)均具有可觀應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

1976年，NASA[4]首次提出電簾技術(shù)并通過(guò)大量研究逐漸形成了電簾技術(shù)基本理論--將一組相互平行的透明導(dǎo)體電極刻蝕在基底上，接通激勵(lì)源后，相鄰電極之間將產(chǎn)生電場(chǎng)，從而使其中的微塵顆粒在力的作用下開始移動(dòng)。之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果。七十年代日本學(xué)者M(jìn)asuda等人[6]改進(jìn)了電簾技術(shù)并將其分為平面型、籠型及環(huán)形三類。后又建立了其中顆粒物運(yùn)動(dòng)微分方程，并根據(jù)向量求和法估算其所受驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而得出其受力及運(yùn)動(dòng)軌跡，證明了行波電簾可有效驅(qū)動(dòng)顆粒物使其進(jìn)行定向運(yùn)輸，適用于除塵領(lǐng)域。F.W.Schmidlin等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物在電場(chǎng)中存在三種運(yùn)動(dòng)模式--沖浪模式、彈跳模式及簾狀模式，并建立了對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)微分方程。H.Kawamoto等人[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入頻率不同時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)方向分為前向運(yùn)動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)和相對(duì)靜止三種，由此可見，激勵(lì)電源參數(shù)的變化會(huì)對(duì)除塵效率造成一定影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者柳冠青[9]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)微塵顆粒在行波電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一定周期性，但在變形的簾狀模式中周期重復(fù)性較差，軌跡更加貼近電簾附近[8]。

1系統(tǒng)方案

太陽(yáng)能電池板主要分三層，由鋼化玻璃、電池片及背板組成。鋼化玻璃主要作用是保護(hù)電池片，因此必須選用透光性好的材料，不能影響電池板的光照環(huán)境。將平行電極刻蝕在表面的鋼化玻璃上，可保證在不影響電池板光照環(huán)境的前提下進(jìn)行除塵。

如圖，將一組寬度與間距均為0.2mm的平行電簾刻蝕在太陽(yáng)能電池板表面鋼化玻璃上，接通激勵(lì)源后，相鄰電極之間將產(chǎn)生行波電場(chǎng)。此時(shí)，帶電微塵在行波電場(chǎng)作用下受電場(chǎng)力，不帶電微塵在電場(chǎng)作用下電離或極化后受介電泳力。之后，受電場(chǎng)力、介電泳力、重力及阻力的微塵在行波電場(chǎng)的作用下將沿特定軌跡進(jìn)行移動(dòng)，最終遠(yuǎn)離電場(chǎng)并自然著陸[4]。

由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境原因，搭建與實(shí)際除塵效果相同的環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并選擇與沙漠地區(qū)沙塵相同的微塵顆粒（粒徑范圍為0-110μm）作為實(shí)驗(yàn)樣本，系統(tǒng)連接圖如圖。將電簾除塵技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板自清潔系統(tǒng)，行波電簾刻蝕在行波電簾板基底上，行波電簾板的三相電極通過(guò)控制開關(guān)與380V/50Hz三相交變激勵(lì)源的U、V、W三相電極相連接。電簾板上的平行電極接通交變電壓后產(chǎn)生行波電場(chǎng)。電場(chǎng)中的微塵顆粒不論帶電與否，都會(huì)在相應(yīng)作用力的作用下受迫進(jìn)行特定運(yùn)動(dòng)并遠(yuǎn)離電場(chǎng)，進(jìn)入自然著陸階段，最終實(shí)現(xiàn)自主除塵[4]。

2行波電簾除塵實(shí)驗(yàn)

選用相同規(guī)格多組電簾板撒落不同質(zhì)量微塵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)利用振動(dòng)篩篩分出粒徑在0-110μm范圍內(nèi)的微塵顆粒作為實(shí)驗(yàn)樣本，將其均勻?yàn)⒙湓陔姾煱灞砻?，測(cè)試寬度與間距均為0.2mm的電簾板在工頻380V/50Hz下的除塵效率[5]。

準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需儀器及符合要求的微塵。測(cè)得電簾板質(zhì)量M1及布沉后質(zhì)量M2并得到布?jí)m質(zhì)量M3。打開電源，均勻?yàn)⑾挛m。關(guān)閉電源，用毛刷輕輕刷下周圍微塵。測(cè)得此時(shí)電簾板質(zhì)量M4并得到剩余微塵質(zhì)量M5，最后計(jì)算除塵效率。測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

從上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于粒徑分布在0-110μm范圍內(nèi)的微塵顆粒，選用多組寬度與間距均為0.2mm的電簾板分別布下不同質(zhì)量微塵，使用380V/50Hz三相交流電源時(shí)，除塵效率平均可達(dá)96%，單組實(shí)驗(yàn)最低除塵效率可達(dá)95%且系統(tǒng)穩(wěn)定安全，說(shuō)明此種尺寸規(guī)格的電簾板對(duì)三相交流電網(wǎng)具有良好適用性，電簾除塵效率十分可觀[6]。

3總結(jié)與展望

沙漠地區(qū)缺乏人力及資源，采用人工清洗等方法進(jìn)行太陽(yáng)能電池板除塵顯然難以滿足使用要求，因此通過(guò)行波電簾技術(shù)進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)除塵十分必要。

文章介紹了電簾除塵技術(shù)理論，并搭建基于行波電簾的太陽(yáng)能電池板自除塵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)自除塵效率可達(dá)96%，能有效解決太陽(yáng)能清潔耗費(fèi)資源等問(wèn)題，具有可觀應(yīng)用價(jià)值，本文為進(jìn)一步探索行波電簾除塵研究提供了一定參考價(jià)值，基于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)一步研究不同激勵(lì)信號(hào)下的除塵效果。除塵效率是電簾除塵技術(shù)首要解決的問(wèn)題，目前除塵效率最低可達(dá)95%，但仍有少量細(xì)小微塵顆粒難以清除。因此，后續(xù)研究工作可從本方面著手，加入超聲波振動(dòng)法，緩解黏附在基底上的微塵顆粒，實(shí)現(xiàn)更高效除塵[7]。

參考文獻(xiàn)

[1] 邢羽.太陽(yáng)能靜電除塵電機(jī)的性能研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2018.

[2] 孟明輝，周傳德，張杰，等.三相行波電簾除塵的抗風(fēng)干擾實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)電工程，2016，33（4）：453-457.

[3] 張華，季旭，楊劍.太陽(yáng)能靜電除塵性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，36（2）：11-16.

[4] 周傳德，何高法，張杰，等.基于行波電簾的太陽(yáng)能電池板微塵自清潔研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（2）：97-101.

[5] 高凌云.太陽(yáng)能電池板除塵新技術(shù)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2010，22（5）：52.

[6] 張杰.基于行波電場(chǎng)理論的微塵顆粒輸運(yùn)機(jī)理與電簾除塵研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2018.

[7] J.Zhang，C.Zhou，F(xiàn).Zheng，et al.Numerical and experimental modeling of particle levitation and movement behavior on traveling-wave electric curtain for particle removal[J].articulate science and technology，2018，（15）：1-9.

[8] J.Zhang，C.Zhou，Y.Tang，et al.Criteria for particles to be levitated and to move continuously on traveling-wave electric curtain for dust mitigation on solar panels[J]. Renewable energy，2018，（119）：410–420.

[9] 劉關(guān)卿，李水清，柳冠青，等.模擬火星灰在行波電簾中的運(yùn)動(dòng)特性[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32（12）：2073-2075.

[10] 馬海敏.光學(xué)器件表面防污除塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介

高曉飛（1996-），女，內(nèi)蒙古赤峰市人;學(xué)歷：碩士研究生，現(xiàn)就職單位：重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，研究方向：機(jī)器人與機(jī)器人視覺(jué)。