新型太阳能自动清洁装置设计

左先旺 荣先钊

摘   要：近年来，我国大力发展清洁能源，太阳能光伏发电发展得尤为迅速，但太阳能光伏发电板随着使用时间的增长，表面附着的灰尘会大大地降低光伏板的透光率，降低发电效率。因此，需要对光伏板进行定期清洁。文章设计了一种新型太阳能自动清洁装置，将原有的矩形光伏发电板改造为扇形光伏板，使得清洁装置更加便捷;在光伏板表面镀上PDMS膜，PDMS膜具有很好的透光度，能够在光伏板表面形成一层疏水层，使得灰尘不易附着，并且便于清洁。清洁机械臂则采用了汽车挡风玻璃清洁装置的设计原理，利用单个步进电机以及滑动导轨组合而成，既可以降低成本，又能够达到较好的清洁效果。并且在光伏板四周设计了清洁废液回收槽，可以将使用过后的清洁液回收，避免了其对环境的污染。

关键词：聚二甲基硅氧烷膜;清洁机械臂;废液回收

1    背景及意义

为降低化石能源对环境的影响，清洁能源的发展已经成为大趋势，全球能源的使用逐渐从石油等不可再生资源向太阳能光伏发电等绿色清洁能源转变。目前，太阳能已经在全球发电市场上占据了较大的份额，2017年我国新增光伏并网容量达到53.06 GW，同比增长53.6%;截至2017年，累计光伏装机并网量达到130.25 GW，同比增长68%，分布式光伏累计装机容量29.66 GW。到2030年，我国计划新增900 GW太阳能用以发电[1]。

太阳能光伏板长期暴露在户外，极易吸附灰尘，灰尘会导致照射到太阳能光伏板上的光照强度减弱，从而引起热斑效应，并且降低太阳能发电效率。关于热斑效应，当太阳能光伏组件中的一个电池或一组电池被遮挡光线或者损坏，工作电流低于该电池或电池组的短路电流，在组件中会发生热斑加热效应，此时该被遮光或损坏的电池或电池组将被置于反向偏置状态，吸收功率，从而引起光伏板发热。

以20 MW太阳能光伏发电站为例，据统计，太阳能光伏板在清洁状态时发电效率可达到23%～25%，如果太阳能电池组件受到灰尘等的污染，其发电效率则会降到17%～18%左右。可算出发电效率损失可达到5%～8%左右，会对光伏发电效率造成极大的影响，若定期对光伏发电组件进行清洁，则可以避免灰尘对发电效率的影响，提高发电效率[2]。基于此，本文参考车载雨刮器原理，提出一种新型的光伏清洁装置设计。能较好地对光伏板进行清洁，并且成本较低，能够极大地提高光伏板的发电效率。

2    关键技术

目前，我国太阳能光伏板清洁方式主要有3种：光伏板表面镀膜、人工清洁、机械自动清洁。光伏板镀膜成本高且效果不佳，在镀膜的基础上仍需要清洁。人工清洁成本相对高昂，且不便捷。分布式太阳能发电设备多位于居民区屋顶、楼层外沿等悬空位置，人工清洁危险系数高。故根据结构设计简单、性价比高、运行维护成本低、自动化清洁的设计要求，本文设计了一种新型太阳能自动清洁装置。

该装置通过对太阳能光伏板进行改造，将光伏板由传统的矩形改造为扇形，并且在其透光面镀上疏水性膜，借鉴汽车雨刮器原理，设计改装太阳能光伏板清洁机械手柄，将清洁剂通过机械手柄喷淋到光伏面板上，利用机械手柄上的毛刷和清洁剂喷淋以及膜的疏水性，可达到较好的清洁效果。

2.1  PDMS薄膜

首先，疏水性膜是运用荷叶的原理在太阳能光伏发电板透光面镀上一层疏水膜。由倒模法制备而成的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜不仅具有良好的自清洁性能，并且还具有很好的透光性，因此，在太阳能光伏板的防尘上具有良好的应用价值[3]。

具体方法为：用光刻法制作倒模、并浇筑PDMS预聚体、固化、剥离，从而得到柔性疏水透光清洁薄膜。该薄膜表面微结构为直径、高度及间距均匀5 μm的圆柱型阵列。水滴在该薄膜上的接触角为151.3°，其滚动角小于18°，透光率为95%，表现出优良的疏水性和自清洁能力。

2.2  清潔装置结构设计

该新型太阳能自动清洁装置，由新型太阳能光伏板、机械清洁手臂、清洁液回收装置组合而成。

所述的新型太阳能光伏板，其特征在于将传统的矩形光伏板改造为扇形，相邻的光伏板交替颠倒排列。并在其表面镀上一层PDMS膜，在光伏板与灰尘之间形成一道疏水层，使得灰尘能够更好地溶于清洁剂而不附着于光伏板表面。

所述的机械清洁手臂，一端位于扇形光伏板的圆心处，安装有垂直于光伏板面的转动轴承，可将机械手臂在光伏版面上转动。另一端位于光伏板面上，位于光伏板上的机械手臂带有转动毛刷，并且带有多个自动喷头，可将清洁液通过喷淋的方式喷射到光伏板表面上进行除尘[4]。

所述的清洁液回收装置，由光伏板边缘宽3 cm的清洁液回收槽以及位于回收槽底部的清洁液回收管组成。在对光伏板进行清洁时，喷淋到光伏板表面上的清洁液顺着光伏板流下，流入光伏板边缘的清洁液回收槽中，再通过回收槽中的导管进行回收利用，防止清洁液随处滴落，污染环境。太阳能清洁装置如图1所示。

3    具体实现

该太阳能清洁装置的机构组成包括：步进电机、导轨、支撑座、螺母块、滑块、毛刷。步进电机安装在每块扇形太阳能光伏板的圆心位置，垂直于光伏板平面放置，当步进电机在一端旋转时，另一端通过滑块在弧形导轨上滑动。通过调整滑轮与嵌入式圆棒的相互贴合程度，可实现滑块在导轨上往复滑动。机械臂上排列多排毛刷，毛刷可拆卸更换，机械臂上排列有清洁液喷淋口，通过喷淋清洁液配合毛刷的往复滑动达到清洁的目的。在扇形光伏板四周设置平行的宽为3 cm的废液回收槽。通过设置步进电机的转矩和转速，可以实现毛刷在光伏板平面上的往复运动，配合喷淋头中喷洒的清洁液，可以实现对光伏板的高效清洁[5]。

4    结语

本文設计了一种新型太阳能自动清洁装置，将原有的矩形光伏发电板改造为扇形的光伏板，使得清洁装置更加便捷。在光伏板表面镀上PDMS膜，PDMS膜具有很好的透光度，能够在光伏板表面形成一道疏水层，使得灰尘不易附着，并且便于清洁。清洁机械臂则采用了汽车挡风玻璃清洁装置的设计原理，由单个步进电机以及滑动导轨组合而成，既可以降低成本，又能够达到较好的清洁效果。并且在光伏板四周设计了清洁废液回收槽，可以将使用过后的清洁废液回收，避免了其对环境的污染。

[参考文献]

[1]邢玉东.光伏清洁机器人的设计与实现[D].天津：天津理工大学，2019.

[2]王维鹏，魏圆慧，杨志磊，等.基于单体光伏板清洁装置的设计[J].科技创新导报，2018（35）：90-91.

[3]张万军，王刚，陈慧媛，等.太阳能清洁装置的设计[J].价值工程，2018（29）：122-126.

[4]曲宏伟，王靖雯.积灰对光伏板输出特性影响理论和试验研究[J].太阳能学报，2018（8）：2335-2340.

[5]闫九祥，王亚丽，魏盼盼，等.一种新型太阳能光伏板清洁机器人控制系统的设计[J].山东科学，2017（4）：112-117.

Abstract：In recent years， China has made great efforts to develop clean energy， and the development of solar photovoltaic power generation is particularly rapid. However， with the growth of the use time of solar photovoltaic power generation panels， dust attached to the surface will greatly reduce the transmittance of photovoltaic panels and reduce the efficiency of power generation. Therefore， the photovoltaic panels need to be cleaned regularly. In this paper， a new type of solar automatic cleaning device is designed， which transforms the original rectangular photovoltaic panel into a fan-shaped photovoltaic panel， making the cleaning device more convenient. The PDMS film is plated on the surface of the photovoltaic panel. The PDMS film has a good light transmittance and can form a hydrophobic layer on the surface of the photovoltaic panel， making the dust not easy to adhere and easy to clean. The cleaning arm adopts the design principle of car windscreen cleaning device， which is composed of a single stepper motor and sliding guide rail， which can not only reduce the cost， but also achieve better cleaning effect. Moreover， a clean waste liquid recycling tank is designed around the photovoltaic panel， which can recycle the used clean waste liquid and avoid its pollution to the environment.

Key words：polydimethylsiloxane membrane; cleaning arm; waste recycling