京津冀环境下太阳电池板清洁方法研究

康洪波，范 虹，赵 蕾,2，龚 旭,2，李晓琪,2

(1.河北建筑工程学院，河北张家口075000；2.张家口浩源电子科技有限公司，河北张家口075000)

京津冀环境下太阳电池板清洁方法研究

康洪波1，范 虹1，赵 蕾1,2，龚 旭1,2，李晓琪1,2

(1.河北建筑工程学院，河北张家口075000；2.张家口浩源电子科技有限公司，河北张家口075000)

严重的环境问题使得绿色能源的应用得到广泛关注，而太阳能发电又成为其中研究和应用的重点。在京津冀地区，雾霾、灰尘严重影响着光伏电站的发电效率。在研究京津冀地区灰尘成分、形状粒径的基础上，形成了针对该地区的灰尘清洁方法与发电效率之间的处理方案，并在该方案的基础上，利用单片机及相应的机械设备提出了一种自适应性太阳电池板清洁装置。

京津冀;太阳电池板;灰尘清洁

在近几年环保部发布的全国城市空气质量状况报告中，京津冀已经成为污染治理的重点地区。改善环境的措施之一就是利用清洁能源来代替化石能源，因此，各种光伏电站应运而生。

随着光伏电站规模的不断扩大，光伏电站的后期维护成为电站高效运行的重中之重。这其中，太阳电池板表面灰尘对发电效率的影响成为提高运行效率的关键因素。而在京津冀地区，一方面，太阳能发电装置要经受雾霾的考验；而另一方面，在空气质量好的张承地区，虽然没有雾霾，但是风沙大、扬尘多，也给电池板的发电带来不利的影响。因此，研究针对京津冀地区的太阳电池板清洁技术，具有重要的意义。

据调查，积尘对太阳能阵列的发电效率有着比较严重的影响。严重时，会使发电效率降低20%以上。同时，厚厚的积尘还会在太阳能阵列的表面产生化学腐蚀，缩短电池板的使用寿命，引起电池板故障。因此，采取有效的手段对电池板进行除尘是保证光伏发电效率的重要措施。

概括起来，目前的电池板除尘方法主要有两种：自然除尘和机械除尘[1]。自然除尘是指利用自然界的力量，例如自然的风、雨等因素使灰尘自然脱落。这种方法的效率较低，尤其是在雾霾严重或空气湿度较大的地区，会使灰尘颗粒粘黏在太阳电池板表面，仅靠自然的力量很难去除；另一种方法是机械除尘，主要利用机械设备，采用某种媒介来去除电池板的灰尘。媒介主要有两种，一种是振动或超声波，另一种是水。对于振动或超声波而言，难点在于如何在保证光伏发电设备可靠工作的前提下，产生阵列的振动，而且振幅的大小还必须能产生有效的除尘效果。而对于水媒介而言，一方面水资源浪费严重，另一方面，在寒冷的冬季，除尘的水滴会在电池板表面形成冰膜，严重时会冻裂太阳电池板。

除自然除尘和机械除尘外，除尘方法还有纳米自清洁薄膜除尘、静电除尘和行波电帘除尘等方法。这些方法成本高，一时还难以应用到生产实践当中。因此针对这些情况，以京津冀地区气候为背景，分析该地区灰尘的粘附特性和移除方法，并以此为指导，研究出一种更适合于该地区的电池板除尘方案，具有十分重要的意义。

1 京津冀地区灰尘特性对光伏发电的影响

如图1所示，京津冀地区地处太行山脉，是我国太阳能资源丰富和次丰富区，而这两个区域也针对了两种气候条件，所形成的灰尘条件也不相同。在该地区的北部，主要包括了张承地区，太阳能资源丰富，雾霾少，风力较大，降雨量小，所以灰尘的主要成分是扬尘或扬沙，灰尘的颗粒大，粘黏性小，所以这一地区自然除尘是有一定的作用的，但是灰尘量大，只用自然除尘方法远远不够，还需要一定的其他方法。

在该地区的南部，地处太行山脉的南面，风力小，雾霾严重，空气湿度也相应较大，所以灰尘颗粒小，粘黏性大，所以单利用自然除尘是起不到除尘的作用的，还需要增加相应的措施。

图1 我国太阳能资源分布图

2 机械除尘原理和装置

在自然除尘的基础上，采用机械除尘的方法是有效的途径。

太阳电池板上的灰尘主要受到四种力的影响：净重力、范德华力、静电力和粘附力。在张承地区，气候干燥，经测试，在太阳电池板表面上的灰尘含水量较少，一般都不大于0.3%，因此，灰尘颗粒的毛细作用力小，粘附力小；同时灰尘颗粒较大，相对比于范德化力而言，净重力对太阳电池板上的落尘影响更大，因此，机械方法宜采用先清扫，再用一定量的水进行冲洗的方法。而对于南部地区，电池板上的灰尘受粘附力的影响，需要进一步提高除尘的力度，所以用水冲洗的过程中需要加入一些清洗剂，以加强除尘的效果。电池板上的灰尘主要受力分析图如图2所示[1]。

图2 灰尘颗粒受力图

如图2中所示，G为灰尘颗粒所受净重力，Gx和Gy为净重力在X与Y方向上的分量，这两个分量一个形成了灰尘的下滑力，另一个形成轴向压力，是粘附力的一个重要形成原因；T是灰尘颗粒与电池板的摩擦力、灰尘颗粒之间的作用力的合作力，Tx形成与Gx方向相反的抗滑力，起平衡下滑力的作用，Ty形成轴向压力，作用与Gy相同；而FE和Fvdw为总静电力和范德华力，形成的作用同轴向压力。

从以上受力的分析情况来看，除尘要破坏的力有两个，一个是轴向压力，另一个是剩余抗滑力，大小为向上的抗滑力减去向下的下滑力。机械除尘可以先用除尘掸破坏轴向压力，再利用水冲的方向来破坏剩余抗滑力。经测试，设计除尘装置如图3所示。

图3 机械去尘装置图

如图3所示，整个除尘装置由三部分组成，第一部分是掸(刷)式除尘装置，除尘掸(刷)采用两种形式组合完成，一种是条形掸(刷)，另一种是圆盘掸(刷)，操作方式是前面由圆盘掸(刷)将电池板上的灰尘沿圆心方向旋转擦除，以减小灰尘的附着力，后面由条形掸(刷)沿横向清扫灰尘。这一部分完成了电池板的初级清尘。

当电池板的初级清尘完成后，再利用高压水枪对电池板进行冲刷，以完成电池板的深度清洗。因此，整个装置的第二部分就是水洗装置，水洗装置由水箱、水泵、膨胀罐、电磁阀、高压水枪等五部分组成。

整个装置的最后一个部分，也是最核心的部分是系统控制装置。系统控制装置由控制器、数据采集装置、无线通信装置来组成。控制器可以采用单片机，单片机的功能强弱由系统控制的精度来决定，当控制精度不高时，可以采用8位的单片机就可，而对于控制精确要求高的场合，要采用16位，甚至32位的ARM芯片，这样可以将清洁度控制算法植入于芯片内，以达到利用算法来提高控制精度的目的。数据的采集装置是一个利用各种传感器来构建的灰尘厚度采集器，目前常用的传感器是微波传感器、超声波传感器、激光传感器等。本装置中，控制器与掸(刷)式除尘装置、水洗装置的数据通信采用无线通信方式，这样可以解决布线繁乱和改线困难的问题。无线通信方式可以采用例如红外线、ZigBee等短距离通信方式，从而可以达到通信高效的目的。

3 机械除尘方法效果的分析

机械除尘的洁净度来自于两个方面，一个是灰尘掸的动作压力和次数，另一个是水清洗的水量和时间。目前常用的清洁方式都是固定方式，也就是说，这两方面的因素都是在多次实验的基础上设定的硬件动作，并将这种动作固定好来实施。这种方式具有硬件设施实现简单的优点，但是却不太适应气候的变化较大的情况，例如在张承地区，春冬秋季节风沙大，夏季风沙小，而且在同一个时间段，气候的变化也是多端的，因此，为了提高机械除尘的精度，本设计利用ANFIS方法来加强除尘装置的适应性。

ANFIS方法的全称是自适应神经模糊推理系统，主要用来处理具有高度复杂性、多变性和非线性的问题[2]。而针对京津冀地区的气候问题，利用ANFIS方法来提高预测的精确度，正是ANFIS所善长的领域。

一般情况下，ANFIS采用四个步骤来完成预测模型的建立，分别为：(1)利用系统内已采集数据构造原始数据集，对利用一些简单的统计算法对原始数据集进行处理，为保证预测模型的准确性，本实例采用上一年的每隔5天的气候值(温度、湿度、日照强度、风力等)进行构建数据库，并将该地区前5年的极端气候值统计出来，添加入该数据库中；

(2)确定气候问题的隶属度函数。气候参数的复杂多变使得函数本身也要适应问题本身的复杂性，在本例当中选用钟形函数来完成，具体公式如下所示：

式中：oij是隶属函数的中心；dij是隶属函数的宽度，当季节不同时，oij和dij取值也不同，而oij、dij的不同直接对应隶属函数形状的改变。

(3)构建模糊推理系统的模糊规则。在本例中，利用MATLAB的genfis1生成模糊规则，从而完成从数据中生成FIS结构的任务。

(4)以数据库的数据作为训练样本值，构建神经网络自学习的输入值，利用BP多层前馈网络误差反向传播学习算法来形成神经网络输入层的输出值，为了提高输出层的准确性，反向传播函数采用最小二乘法来完成。

(5)根据以上模型及相应的函数，使用ANFIS进行数据预测训练，训练次数取300次，取数据库中一个周期(三年)的1 000组数据，生成后一个周期(后一年)的预测数据，并与实际数据进行对比，进行持续性的ANFIS模型修改，直到数据基本符合为止。

4 总结

本文针对京津冀环境复杂的特点，设计了太阳能除尘系统。整个系统采用机械除尘方法，利用水和灰尘掸作为除尘媒介，并在单片机中嵌入ANFIS，来改善机械除尘的效果，从而实现太阳电池板的有效清洁。

[1]曲君乐，吕斌，吴承璇.太阳电池板自动清扫装置的研制[J].山东科学,2013(8)：52-53.

[2]刘怀国，孙建华，张冰.ANFIS及其在控制系统中的应用[J].华东船舶工业学院学报，2001(10):34-36.

Cleaning method of solar panel in Beijing-Tianjin-Hebei region

KANG Hong-bo1,FAN Hong1,ZHAO Lei1,2,GONG Xu1,2,LI Xiao-qi1,2
(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou Hebei 075000,China;2.Zhangjiakou Haoyuan Electronic Technology Co.,LTD,Zhangjiakou Hebei 075000,China)

The green energy has been widely used due to the serious environmental problems,and solar power has become one of the research and application focus.In the Beijing-Tianjin-Hebei region,haze and dust,have seriously affected the power generation efficiency of photovoltaic power plants.Based on the research of the dust composition and shape particle size in Beijing-Tianjin-Hebei area,the treatment scheme between the dust cleaning method and power generation efficiency was formed.On the basis of the scheme,an adaptive solar panel cleaning device was proposed by using single chip microcomputer and corresponding mechanical equipment.

Beijing-Tianjin-Hebei;solar panels;dust clean

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1045-03

2016-12-21

河北建筑工程学院科研基金(2016XJJZD04)

康洪波(1972—)，女，河北省人，硕士，副教授，主要研究方向为电气工程。