光伏组件干式除尘刷工作参数优化

王小康 ，龚 俊 ，2

（1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050）

1 引言

光伏发电所在的地区多是风沙大、水资源匮乏的环境，造成光伏组件表面形成积尘，从而影响光伏发电的效率，严重时还会造成“热岛效应”损坏光伏板，缩短其使用寿命[1-3]。为此，国内外很多学者对光伏板干式除尘技术做了大量的研究，但是大多数都没有得到广泛的应用。如利用机器人除尘、电帘除尘、自清洁玻璃等方式。日本最早发现Ti02这种化合物具有光催化性能，利用这种化合物制备出来的自清洁玻璃可以实现光伏板面的自清洁，但是目前的相关研究仍处于理论阶段，未实现广泛应用。2000年，日本Soda公司与日本东京大学先进科学技术中心Toshiya Watanbe等合作制备了Ti02薄膜，文献[4-5]采用化学气相沉积法生产了自清洁玻璃产品并投入市场，但是由于成本较高，市场反应一般，板上机器人的除尘去垢效果较差，而且对于以固定式倾角运行的光伏电站，板上机器人则无法从一块太阳能板上自动转移到另一块太阳能板上，清洁起来较复杂，难以广泛应用于实际生产中[5-11]。而且由于前期投入费用很高，后期的维修工作量大、代价高，对于大规模的光伏场地并不适用。

因此，在课题组研发的干式除尘刷模型基础上，通过实验确定刷体最为关键的两个工作参数的范围，建立真实的非线性规划问题数学模型，利用matlab优化工具箱计算获得最优的工作参数值。使得该新型的光伏组件干式除尘刷，通过移动载体的牵引，可以在无水、无清洁剂的条件下，高效完成光伏组件表面的清洁工作。

2 光伏组件干式除尘刷工作原理

双辊刷组件由一对毛刷辊组成，其刷体平面截图，如图1所示。工作时转向相反，空气会随着旋转的刷辊而旋转，这时流动的空气会使灰尘脱离光伏板面呈悬浮状态。浮尘在离心力的作用下向刷辊的顶端移动，刷体旋转到上方时其刷毛部分碰到了掸土杆，浮尘会沿着刷毛旋转的切线方向飞入环形窄缝中。这样可以对刷毛进行实时掸土清理，保证了刷毛的洁净程度，且掸掉的灰尘在槽面的引导下进入倒U型的腔体内。同时引风机实时吸尘，使吸尘圆管内形成负压，灰尘更容易通过长条孔进入输尘圆管，然后被彻底吸入除尘袋，保证除尘效果。输尘圆管是由一个内径稍小的半圆形圆管和一个内径稍大的圆管反向衔接而成，它的两侧形成了一个渐扩形流道，起到增压的作用，使引尘效果更好。

由上述工作过程中可知，首先灰尘在被滚刷扫起的过程中，刷体旋转速度的快慢决定了尘粒能否被全部扬起，从而顺利地被送入到U型腔口。当刷体单位时间内所移动的光伏板面距离一定时，单位时间内转速越快，所形成的空气流场越强，刷毛上粘复的尘粒获得的线速度就越大，能量更强，被送入到U型管内的效果就越好，进一步保证了后续吸尘过程的效果。但是刷体速度如果过快，刷毛受到离心力作用过大，刷毛与地面接触时的压力减小，从而会影响到起尘的效果。所以，刷体的转速直接决定了起尘的效果；同时，这一过程中刷体的移动速度对起尘的效果影响重大。如果单位时间内刷体的移动速度过快，会造成光伏板面和刷体接触时间过短，起尘效果不理想，吸尘过程便会受到影响，最终直接影响整个光伏板面的清洁效果。若单位时间内移动速度过慢，由于该清洁过程是无水清洁，所以一旦刷体单位时间内和光伏板面接触时间过长，刷毛上的尘粒无法全部被掸土杆清洁掉，会导致“二次污染”。

3 除尘刷关键工作参数对起尘效率的影响研究

根据工作原理过程可知，干式除尘刷的旋转速度、牵引速度是两个最为关键的工作参数。查阅相关资料，我们只能获得一个经验值，为了测试该光伏组件干式除尘刷的实际工作参数，利用课题组装配的实验样机以及光伏组件实验平台，如图2所示。采用控制变量法，对以上两个重要的工作参数进行实验，将得到的实验数据进行分析比较，从而得出一个最优工作参数的范围数值，为得到最优工作参数值确定参考目标。

实验指标：在本实验中影响清洁效率最重要的就是扬尘过程和除尘过程，所以定义起尘率作为该除尘刷性能检验指标。以K1表示起尘率，则有以下公式：

式中：W—每一份样品总量；

Q—清扫之后玻璃板面上余留的灰尘量。

图2 光伏组件干式除尘刷试验机Fig.2 The Testing Machine of Dry Dusting Brush for PV Modules

4 除尘刷工作参数优化研究

4.1 实验过程及分析

为了研究刷体移动速度和转速对刷体起尘率的影响，本实验中设定辊刷转速为 300r/min，在 0.2m/s、0.35m/s、0.5 m/s、0.65 m/s、0.8 m/s、0.95m/s、1.1m/s六种刷体移动速度下分别实验 14 次。然后对转速以100为步长递增，仍然以上述的六种移动速度进行多组实验。试验中，每次在光伏板面上均匀布置灰尘总量W=20g，实验样机清扫以后，对得到Q值进行多次测量取平均值，通过式（1）对起尘率进行计算，得到起尘率的实验数据，如表1所示。

4.2 数学模型的建立

在表1的实验数据中，刷体移动速度和刷辊速度为自变量，起尘率为因变量，故可采用线性回归（Linear Regression）的方式对2个自变量和因变量之间的关系进行建模，然后根据设定的模型应用最小二乘法对模型参数进行估计，最后利用F检验和t检验对所建立模型的可行性进行分析，具体如下：

（1）模型设定：Y=β0+β1x1+β2x2+ε

式中：Y—起尘率；

x1—刷体移动速度（m/s）；

x2—刷辊速度（r/min）；

β0、β2、β2—模型参数；

ε—误差项。

（2）回归参数估计

用Eviews软件对表1中的数据进行OLS回归，其拟合关系如下：

表1 不同刷体牵引速度和转速下的起尘率Tab.1 The Dusting Rate under Different Moving Speed ofBrush Body and Rotating Speed of Brush Roll

采用Eviews软件对表1中的数据进行OLS回归时的拟合结果，如图3所示。

图3 OLS回归拟合结果Fig.3 The Fitting Results of OLS Regression

分析实验结果，刷辊转速、移动速度与起尘率的关系曲线图，如图4所示。

图4 不同刷体牵引速度和转速下的起尘率Fig.4 The Dusting rate under Different Moving Speed of Brush Body and Rotating Speed of Brush Roll

（3）检验分析

用估计结果说明，其他变量不变的情况下，刷体移动速度每增加一个单位，起尘率平均下降30.28个单位；在其他变量不变的情况下，刷辊速度每增加一个单位，起尘率平均上升0.08个单位，这与理论分析和经验判断相一致，通过检验。

统计检验的目的是为了检验估计值的统计可靠性和准确性，为此，进行如下检验：

①拟合优度：指回归直线对观测值的拟合程度，R的值越接近于1，说明回归直线对观测值的拟合程度越好。而在本实验中，由Eviews输出拟合结果可知R2=0.925564，接近于1，说明模型对样本拟合的较好。

②F检验：检测模型总体是否显著

针对H0：β1=β2=0给定显著性水平α＝0.01，在F分布表中查自由度为k-1＝1和n-k=41的临界值为7.08，由回归参数估计得F=242.47远大于临界值7.08，因此拒绝原假设，说明回归方程显著，即刷体移动速度和刷辊速度联合对起尘率的影响作用比较显著。

③t检验：分别检验各个变量的显著性

分别针对β1和β2，给定显著性水平α＝0.01，查得自由度为n-k=41的t值的临界值的绝对值为2.42，由本实验的回归输出结果得β1和β2的t值分别为-12.21、18.32，其绝对值均大于2.42，因此拒绝原假设。也就是说，在其他变量不变的情况下，解释变量“刷体移动速度”和“刷辊速度”分别对“起尘率”有显著影响。

4.3 变量关系的确定

利用Matlab的优化工具箱，可以求解非线性规划问题。清洁效率问题是通过对起尘率指标进行定量描述。为了得到理想清洁效果，即通过对两个关键工作参数的控制获得最优的起尘率。利用matlab工具箱来实现对工作参数的优化设计，属于带约束的非线性规划问题。起尘率作为优化设计的目标函数，刷体的旋转速度、光伏板面牵引速度作为函数变量。因为这两个工作参数之间存在着复杂的耦合关系，所以利用上述分析中得到的数学模型，设定约束条件，基于matlab工具箱进行非线性规划问题的最优求解。

过程如下：

由式（4）可计算太阳能光伏板与地面的倾角为：

约束条件的建立：

（1）起尘率必须大于95%：

（2）由于干式除尘刷的滚刷的转速边界条件为（300～900）r/min，牵引速度边界条件为（0.2～1.1）m/s。光伏板的倾角一般为（30～45）°。得到如下约束条件：

（3）边界条件分别为：

4.4 参数优化及其Matlab实现

光伏组件干式除尘刷工作参数的优化设计问题为典型的约束非线性最优化问题。序列二次规划法（SQP）被认为是目前最先进的非线性规划计算方法，采用Matlab优化工具箱中的fmincon函数进行求解。

其程序设计如下：

（1）目标函数

（3）在主程序中调用fmincon函数结果如下：

［X，FVAL，EXITFLAG，OUTPUT］=fmincon（@objfun，x0，［］，

［］，［］，［］，lb，ub，@confun）

通过对工作参数的优化可知：在干式除尘刷转速750r/min，牵引速度0.24m/s时起尘效率最高。在该组工作参数下，干式除尘刷以较高的清洁效率实现了从起尘到最后的吸尘整个工作过程，达到较理想的清洁效果。

5 结论

（1）针对本课题组目前提出的这种集起尘、掸尘、输尘于一体的光伏组件干式双滚刷，通过实验证明可以实现在无水、无清洁剂的条件下实现光伏组件高效清理。

（2）通过搭建的实验平台，反复大量的改变工作参数得到大量实验数据。然后利用数学统计学软件EVIEW对实验数据进行科学有效的分析，得到起尘率和干式除尘刷工作参数之间的数学关系，建立真实的数学模型。基于Matlab的工具箱对非线性规划问题进行有效的求解，确定了实验样机的最优工作参数，为样机的进一步结构参数以及工作参数的优化打下良好的基础。