光伏组件自动除尘装置设计与研究

巫江，龚恒翔，朱新才，李江华

(重庆理工大学，重庆 400054)

光伏组件自动除尘装置设计与研究

巫江，龚恒翔，朱新才，李江华

(重庆理工大学，重庆 400054)

光伏组件灰尘效应严重影响电能输出效率，为了实现灰尘的自动清除，借助CATIA软件，设计了一种光伏组件自动除尘装置。该装置可通过铲、刷、抹3种动作完成光伏组件表面的清理。装置具有低耗、无水、无清洁剂和无二次污染等特点。样机测试结果表明:该装置设计合理，动作准确，技术上可行、可靠，具有应用推广价值。

光伏组件;表面除尘;CATIA建模;二次污染

太阳能(solar energy)是一种绿色能源。目前太阳能利用有光热、光电、光化学、光生物4种方式。光伏组件是光电法利用太阳能的核心部件，它通过半导体材料的光生伏打效应把入射的光能转化为电能。已经商用化的硅基太阳能电池光电转化效率接近20%。生产实践表明:露天放置的光伏组件在使用一段时间后，源自空气携载的微米级灰尘颗粒物会吸附在光伏组件通光玻璃表面形成阻光灰尘覆盖层。定量的分析测试表明: 4 g/m2的灰尘堆积使得光伏组件电能输出效率锐降60%。更有甚者，鸟类粪便、树叶、动物攀爬遗迹等大块不透光的污染物覆盖会产生热斑效应，导致光伏组件局域高温直至烧毁报废。因此，光伏组件表面灰尘覆盖层的及时清理对于光伏组件正常功能的保持是必要和必须的［1，2，7，13］。

灰尘效应机制复杂，灰尘的数量、几何特征、物理化学性质、气象因素等都会对灰尘效应的强弱有直接影响。虽然公开报道的文献资料表明灰尘效应引起了国内外研究者的广泛注意，但距离问题的有效解决还有很长的路要走。有研究者考虑采用超硬、高度光洁和双性的组件通光覆盖层来解决这个问题，或者通过覆盖玻璃表面涂覆薄膜层的方式，或者使用TiO2自清洁涂层技术［3］。研究取得了一些进展，但大部分仍处于实验室研究阶段，要么以损失通光量为代价，要么化学稳定性不够，环境耐受性差，无法在露天环境下长久保持优良性质。也有研究者和企业在光伏组件上外置机械结构来“清扫”灰尘［4，14］。机械类清洁装置主要存在的问题是:①清洁过程需要水;②智能化程度不高;③综合功耗较大。这3个缺陷限制了外置机械类清洁装置的进一步推广应用。

针对上述分析，本文设计了一种具有较好尺寸兼容性的外置机械式光伏组件自动除尘装置，以期实现智能高效自动除尘，彻底解决光伏组件灰尘效应问题。

1 光伏组件自动除尘应有特征

由于近地面附近太阳光辐射功率密度较低(≤1.1 kW/m2)，硅基太阳能电池片光电转化效率低(＜20%)，光伏组件的每单位发电量占地面积较大，因此土地使用成本较高，特别在人员稠密的城市区域。从安全和经济等综合因素考虑，目前太阳能电站一般选择在荒漠化地带或者偏僻地点建设。太阳能的优势和潜力使其成为目前和今后主要开发利用绿色能源之一，光伏电站的建设数量和规模必将越来越大。已有技术和工程经验表明:光伏电站的性能受多种外在因素的影响，地理与气象因素的影响尤为显著［5］。源自空气携载的灰尘覆盖光伏组件通光面导致的可接收光辐射量急剧降低是仅次于昼夜交替的影响发电量的因素。这一点在有污染和沙尘的地方尤为明显。目前应对灰尘积累的方式是人工清理，采用人工方式用水或者清洗剂定期冲洗或擦拭组件表面。人工方式的不足十分明显，高成本、安全风险和二次污染的可能性均存在。如果不对其进行维护和清理，光伏组件光电转换效率将大幅度降低，在一两年后基本失去功能［6］。

外置机械式除尘装置中，汽车挡风玻璃的雨刷是最容易联想到的实例。光伏组件除尘具有特殊性，此类装置应有如下技术特征:

1)能自动感知灰尘积累程度，判断是否需要进行除尘作业;

2)无水或无清洗剂，储存作业过程不需要水样液体，避免部件锈蚀、密封层破损、二次污染和电气安全事故［8］;

3)待机功耗低，除尘作业功耗低;

4)使用寿命长，累计使用不低于10万次或20年;

5)维护频次低，年检修维护次数不超过2次［9，16］。

2 整体方案设计

方案设计是标定项目设计的大方向，使大型、繁琐、复杂的工作可以有条理、有顺序、有效率地实施。机械方案设计对产品的最终结构、成本、性能和使用维护具有重大的影响，是决定机械产品质量和经济效益的关键环节。

根据光伏组件除尘作业要求，本文装置分为3大部分:传动机构，清扫机构和凸轮机构。清扫机构通过凸轮机构固定于传动机构上［9］。整体结构图如图1所示。

图1 整体结构图

传统的除尘装置轨迹为直上直下型，即清扫机构一直与被除尘表面接触。清扫机构在被除尘表面上来回扫动，容易导致清扫机构很快磨损，同时一些大颗粒的灰尘夹杂在清扫机构与被除尘表面之间来回带动，以致灰尘难以清理干净并在摩擦时损坏装置表面［10］。

为克服传统除尘装置的缺陷，本设计特别添加了一个凸轮机构，以保证该装置长期有效。固定在光伏支架上的传动机构提供驱动力使清扫机构沿着光伏组件表面来回进行除尘作业。当清扫机构从光伏组件顶端向下移动时，清扫动作开始，到达底端时动作停止。同时，触发凸轮机构使清扫机构向上垂直抬升并脱离光伏组件表面，稳定后迅速返回光伏组件顶端并再次触发凸轮机构，从而使清扫机构与光伏组件表面再接触，开始清扫动作，进行下一次除尘作业。整体装置运动步骤为①→②→③→④，依次循环。清扫机构运动轨迹如图2所示。

图2 清扫机构运动轨迹

3 除尘机械结构设计

CATIA是一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。CATIA系列产品已经在7大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案:汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造［11，15］。本研究借助CATIA三维软件实现包括传动机构、清扫机构和凸轮结构3大部分的设计、模拟和定型。

3.1 传动机构机械结构设计

根据除尘作业的要求［12］，传动机构为清扫机构提供动力使其做往复运动。传动机构的机械结构如图3所示。

图3 传动机构机械结构

3.2 清扫机构分析及设计

根据光伏组件特殊除尘要求，除尘工作通过一铲、二刷、三抹3个过程完成。

1)铲。清扫机构运行时首先对附着在光伏组件表面的大尺寸及附着强度较高的固体垃圾进行初步清理，完成粗略除尘。

2)刷。滚刷对光伏组件表面进一步动作，除去第一次铲动作后的残余物和更为细小的灰尘，对光伏组件进行细致除尘。滚刷内层筒壁为尼龙，在尼龙筒壁上穿制尼龙丝，尼龙丝对称滚筒中心人字形缠绕，即左旋和右旋对称制作。旋转时，灰尘顺着螺旋流向两侧滑动，减少了灰尘对光伏组件表面的摩擦。同时，螺旋线形毛刷可以刷洗到边角区域，较一般的缠绕方法更能彻底清洁光伏组件表面。

3)抹。使用抹条对光伏组件表面进行一定力度的擦拭，将前两次除尘动作后依然附着于光伏组件表面的尘埃除去，实现精细除尘。

图4所示为清扫机构的机械结构。步进电机提供恒扭矩驱动，通过联轴器使固定在带座轴承上的滚刷做旋转运动，滚刷毛与光伏组件表面保持恰当距离，使得滚刷毛呈现合适的弯曲变形。从相互作用的情况看，只有当旋转运动的滚刷毛与光伏组件表面接触所产生的摩擦力大于灰尘吸附于光伏组件表面的吸附力时，才可将灰尘除去。受力分析如图5所示。实际测试发现:滚刷毛变形量的大小与除尘效果及系统能耗有依赖关系，小的形变量能耗低，但除尘效果差;形变量过大，除尘效果反而降低，同时扭矩增大会导致系统能耗成倍提高。此外，灰尘的地域特点也决定了最小除尘耗能的差异。因此，本设计中加入了距离微调机构，以适应不同的情况，达到最佳除尘能效比。

图4 清扫机构的机械结构

图5 滚刷运动过程中的受力分析

滚刷旋转过程中，滚毛变形量为

滚刷受到的光伏组件表面的摩擦力(大小等于滚刷对光伏组件表面的清扫摩擦力)为

式(1)、(2)中:R为滚刷半径;h为滚刷中心与光伏组件表面的垂直距离，距离可调;N为光伏组件对滚刷毛的支撑力，主要取决于滚毛的变形情况，可以认为在作业过程中为定值。

除尘铲与机壳前端固定，高度可调，与光伏组件表面保持一定的高度以避免移动时刮伤表面。在机壳的末端安装一块可调抹条与光伏组件表面接触，并与表面保持一定的压力。可调抹条具有一定的吸水性和合适的硬度［13］。

3.3 凸轮机构设计

凸轮机构的作用是使清洁机构在除尘过程中从光伏组件顶端到达底端后能垂直抬升，脱离光伏组件表面，然后返回顶端重新与光伏组件表面接触。这样可以避免清扫机构在当前除尘动作完成返回过程中将已经扫至光伏组件一端的灰尘垃圾再次拖带回去，从而提高除尘效率。此外，提升脱离接触后减少了清扫机构对光伏组件表面的摩擦，避免了机械磨损。利用弧形通孔和螺栓的配合使得滚珠丝杆电机的动力能够迫使清扫机构进行升降，无需额外的动力，简化了机构，提高了可靠性。图6为凸轮机构的机械结构，图中所示为凸轮机构动作中的状态。

图6 凸轮机构机械结构

3.3.1 凸轮机构工作原理

凸轮的工作原理可以简化为一个物体与一个一定角度的斜面之间的相对运动。对斜面进行固定，然后对物体施加一个足以使物体沿着斜面向上的驱动力，这样物体就可沿斜面向上运动［14］。反之，使物体在X轴方向固定，对斜面施加一个驱动力，斜面沿着X轴方向运动，物体沿着Y轴运动。如图7所示，对运动进行分解。

图7 运动分解图

3.3.2 凸轮板分析

光伏组件的放置平面与地平面的夹角为x°，即凸轮板最左边的圆弧形卡槽的斜边与水平面的夹角必须大于x°，否则清扫机构在上升的过程中会因自重原因向下滑动再次与光伏组件表面接触。长凹槽的倾斜角与螺钉的接触角度也应大于其相对自锁的角度，否则将发生自锁现象，出现动作失误。凹槽的受力分析如图8所示。

图8 凹槽受力分析

根据机械原理自锁条件，螺栓在凹槽中匀速向上滑动时，实际驱动力为

理想驱动力为

静摩擦因子为

根据自锁条件确定，只有满足α＜β时，驱动力F才可使螺栓向上滑动，否则发生自锁。其中: G为除尘机构重力;F为驱动力;α为摩擦角;γ为凹槽与凸轮板之间的夹角;β为驱动角，β=90°－α;f为螺栓与凸轮板之间的摩擦力;p为全反力。

4 样机的调试

完成设计和软件模拟动作检测后，分析认为系统设计结构合理，动作可靠性有足够的保证，除尘作业达到预定要求，系统能耗在可接受范围内。随后加工装配除尘系统原理性样机进行试验。图9为样机实物。

联动试运行过程中，凸轮机构之间的零部件摩擦力较大，相对支架配合有一定的误差，传动机构变形量大导致振动加剧。经过对凸轮机构零部件之间进行打磨和适当增加润滑，传动机构加固后，整套装置的机械结构部分运转相对平稳且无噪音，达到了设计要求。

再次试运行，以一块户外放置了1年的200 Wp单晶光伏组件为测试样本进行效果检测。电输出性能检测表明系统除尘效果良好，样本组件基本电性能(开路电压、闭路电流、工作电压、工作电流)恢复率超过95%。连续50次运行未出现驱动失效、动作失误、部件过热、意外停机等故障，试验系统的可用性、可靠性得到初步验证和肯定。

图9 样机实物

5 结束语

灰尘效应是影响光伏组件发电量的重要环境因素。基于光伏组件安置环境和除尘特殊要求的综合考虑，本文研制了一种在除尘过程中无水、无清洁剂的光伏组件除尘装置，利用CATIA三维软件进行建模和分析。本文设计的装置质量轻、零部件少、结构钢度强、可转动部件少、能耗低且智能化程度较高。详细介绍了整套装置的结构组成、工作流程和工作特点。原理性样机试验结果表明:样本光伏组件除尘后性能恢复率高于95%，实现了连续50次无故障运行。测试结果表明:该装置的功能达到了设计预期，可用性、稳定性和可靠性有足够的保证。为了实现批量化商业应用，需要进一步优化、完善其自动控制部分，在保证功能和可靠性的前提下减轻整套装置质量，减少可动部件数量，实现更高的性价比。

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(责任编辑 杨黎丽)

Design and Research of Photovoltaic Module
Automatic Dust Removal Device

WU Jiang，GONG Heng－xiang，ZHU Xin－cai，LI Jiang－hua
(Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Because of dust effect，the power output efficiency of photovoltaic(PV)module decreases sharply.A set of auto－clean device has been designed with CATIA software in order to clean the dust layer deposited on PV glass surface.The surface of photovoltaic modules can be effectively cleaned by shovel，brush and wipe.The device has the advantage of low consumption，waterlessness，no detergent，and no secondary pollution.Prototype debugging shows the viable of basic function with promotional value.

PV modules;dust－removing;CATIA modeling;secondary pollution

TH122

A

1674－8425(2014)03－0092－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.017

2013－11－15

重庆理工大学研究生创新基金资助项目(YCX2012306);重庆市科委应用开发项目(cstc2012gg－yyjs0740、cstc2013yykfA0223);重庆市巴南区科技局科研专项(2012Q125)

巫江(1988—)，男，重庆人，硕士，主要从事机械设计研究。

巫江，龚恒翔，朱新才，等.光伏组件自动除尘装置设计与研究［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014 (3):92－97.

format:WU Jiang，GONG Heng－xiang，ZHU Xin－cai，et al.Design and Research of Photovoltaic Module Automatic Dust Removal Device［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):92－97.