基于自动清洗的太阳电池板发电系统的设计

田海川，郭 建，牛建会，冯英伟

(河北建筑工程学院，河北张家口075000)

基于自动清洗的太阳电池板发电系统的设计

田海川，郭 建，牛建会，冯英伟

(河北建筑工程学院，河北张家口075000)

灰尘对太阳电池板的发电效率有极大的影响。采用一定的技术手段对电池板进行自动清洗，可以有效地提高其发电效率。设计了带有自动清洗功能的太阳能发电系统，其中自动清洗系统由水箱、水泵、分布式喷淋装置和嵌入式控制器组成，可以在不同的情况下完成电池板灰尘检测和清洗等功能。

太阳能发电系统；电池板；自动清洗；嵌入式

光伏发电的能源来自于取之不尽、用之不竭的太阳能，是资源最丰富的可再生能源。太阳能发电是新能源的代表技术，具有绿色、环保、清洁安全的特点。随着科技水平的发展，太阳能发电技术日益成熟，其发电成本也出现大幅下降，成为最有前景的新型发电方式。

光伏发电是一种依靠太阳光进行发电的能源形式，其最主要的发电部件是太阳电池板，所以太阳电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳电池板的理论发电效率为25%，实际为23%；而受污染后发电效率降为17%～18%。因此电池板的清洁程度对发电效率和效益影响非常之大，解决清洗问题势在必行。

太阳电池板容易损坏主要是因为电池板安装在户外，环境复杂，充满了风沙和浮灰，而且现在环境污染严重，有非常多的杂质严重阻挡了太阳电池板吸收阳光，降低电池板工作效率。如果不及时清洗，太阳电池板不仅对太阳能的吸收减弱，还容易产生局部烧坏，从而影响发电系统的正常工作[1]。目前大多数太阳能光伏系统都不包括相应的清洗装置。即使增加了清洗的环节也是定时进行清洗，无法完成根据天气的基本情况，动态地调整清洗模式和次数等功能。而天气是多变的，因此，根据天气的具体情况来有效地调整清洗模式是本研究的重点。

1 系统工作基本原理

根据太阳能阵列所处环境的基本情况，本文设计了两种不同的自动清洗设备。第一种清洗设备的清洗媒介是水，主要适用于灰尘度不高、天气状况较好的南方地区。第二种清洗的媒介是水、灰尘掸和清洗剂，主要适用于灰尘度高、需要用高压水反复冲洗的环境。用高压水反复的冲洗容易造成太阳阵列大面积短路，从而引起发电效率降低；同时，如果太阳能发电厂位于北方，高压水在冬季所产生的冰层会使太阳阵列冻裂，从而破坏太阳能发电系统。因此清洁的过程先用灰尘掸扫除灰尘，再利用混合了特殊清洁剂的水进行冲洗，完成清洁的过程。

图1 基于水清洁的自动清洁系统工作原理

基于水清洁的自动清洁系统的工作原理如图1所示。基于水清洁的自动清洁系统由水箱、直流水泵、管路、电磁阀、膨胀罐、灰尘层积量检测装置、喷淋装置和控制器组成。基本工作原理为：首先，控制器接收来自于灰尘层积量检测装置的信息，当集灰量达到一定程度时，控制器关闭电磁阀并启动水泵，水泵从水箱抽取自来水或者软化水，经泵增压通过管路送到膨胀罐，膨胀罐内随着水量的增加压力逐渐上升，当膨胀罐内压力不再明显上升时，突然打开电磁阀，使得膨胀罐内大量出水快速喷向电池板，以水脉冲形式高效清洗电池板，当膨胀罐内水压明显降低时，系统关闭电磁阀，对膨胀罐再次进行蓄水并再次进行喷射，直到电池板清洗干净，如此反复。此间水泵一直处于工作状态，不断向膨胀罐补充水。

基于水、灰尘掸和清洗剂的自动清洁系统的工作原理如图2所示。该自动清洁系统由灰尘层积量检测装置、毛掸、同步电机、水箱、直流水泵、管路、电磁阀、喷淋装置和控制器组成。基本工作原理为：首先，控制器接收来自于灰尘层积量检测装置的信息，当集灰量达到一定程度时，控制器控制同步电机，带动毛掸进行反复扫刷，毛掸采用特殊材质，以免对太阳电池板造成划伤。当灰尘检测装置的数据显示灰尘度已降至合理的范围内时，控制器启动水泵，水泵从水箱抽取带有太阳电池板特制清洁剂的清洁水，经泵增压通过管路送到喷淋头，同时控制器打开电磁阀，由喷淋装置对电池板进行冲洗。在水压不足的地方，也可以增加膨胀罐来提高水压。

图2 基于水、灰尘掸和清洗剂的自动清洁系统的工作原理

2 系统设计

2.1 系统控制器的设计

整个系统的核心是控制器。对于家用或小型的光伏发电系统，控制要求不太高时，控制器选用51单片机就可，单片机利用I/O口接收来自于灰尘层积量检测装置的信息，并利用其他I/O口向水泵、电磁阀、步进电机等执行机构发出控制命令，并带动毛掸或喷淋进行清洁。对于大型的光伏发电系统，在每个太阳电池板上布置短距离无线通信控制节点，采用相应的技术(例如ZigBee技术)构成具有一定网络拓扑结构的无线传感网。整个传感网的核心采用嵌入式ARM芯片构成，完成与上层控制系统的网络协议的转换，充当网关的角色。这样就可以形成以无线传感网为底层数据采集与控制机构、ARM芯片为网关、上层服务器为数据处理中心，客户端或手机为控制和显示设备的一体化控制系统。

2.2 灰尘层积量检测装置的设计

系统数据采集主要来自于灰尘层积量检测装置。该装置没有特定的传感器，在本设计中，可以利用超声波传感器或光照强度传感器置于一透明盒内，当灰尘累积量超过一定设定厚度时，传感器将信息传回单片机，利用中断机制触发I/O口控制执行机构。以使用光照强度传感器为例，单片机内驱动程序如下所示(本设计所选用的光照强度传感器为BH1750)。

2.3 执行机构的控制设计

系统中的执行机构有水泵、步进电机、电磁阀等设备，这些设备都是接受来自于单片机I/O口的控制信息，以中断的形式完成控制功能。在以上设备中，以步进电机的控制较为复杂，其驱动程序设计如下：

以上是控制系统步进电机的设计，由于篇幅关系，其他执行机构不再赘述。

3 结论

本文以单片机为核心，设计了两种不同环境下的太阳能阵列清洗方式。一种方式是以水洗为主，另一种方式是灰尘掸加水洗的方式，并为它们设计了相应的驱动程序。经实验证明，这两种方式的清洁效果理想，成本也较为合理，为进一步推广太阳能发电系统打下了良好的基础。

[1]林少伯.含光伏电源的微电网储能控制技术研究[D]．保定：华北电力大学，2013：17-19.

Design of solar panels power generation system based on automatic cleaning

The dust has great influence on the efficiency of the solar panels.It can effectively improve the efficiency of the solar panels by automatic cleaning with certain technical means.The solar power system with automatic cleaning function was designed.Automatic cleaning system includes water tank,water pump,distributed spray device and embedded controller.It can finish some functions such as dust testing and cleaning in different circumstances.

solar power system;panels;automatic cleaning;embedded type

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1255-02

2016-04-10

田海川(1976—)，男，河北省人，讲师，主要研究方向为热能工程和自动化控制。