CN102441541B - 一种太阳能电池板阵列表面除尘系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池板阵列表面除尘系统及方法，属于太阳能光伏发电技术领域。该系统包括高压水发生装置、传输管道、调节机构、至少一个喷射装置和运动小车，利用高压水发生装置产生的高压水经喷射装置形成高压水射流扫射平面，对太阳能电池板阵列表面覆盖的尘垢产生冲击和剪切两种综合作用，从而实现太阳能电池板阵列表面除尘功能。该方法主要步骤包括：确定除尘基本参数，选定喷射装置参数，结合太阳能电池板阵列尺寸，确定喷射装置布局，规划清洁作业路径。本发明所述除尘系统及方法实现简单，可适应大多数太阳能电池板阵列的安装，节水且不损坏太阳能电池板表面，不污染环境，既可实现大范围高效除尘，又具有辅助夏季降温和冬季除雪功能。

Description

一种太阳能电池板阵列表面除尘系统及方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池板阵列表面尘垢和积雪的除尘系统及方法，属于太阳能光伏发电技术领域。 

背景技术

光伏发电由于其环保及可再生优势，近年来得到广泛应用并迅猛发展。太阳能电池板是光伏发电系统的核心组件之一，一般采用串联和并联方式将其组成太阳能电池板阵列，被安装在户外接收太阳光并产生电能，其受光效率很大程度上决定着光伏发电系统的发电效率。 

大型太阳能光伏电站往往分布在空旷的荒漠和戈壁等人烟稀少地带，太阳能电池板放置于裸露环境中，经受风沙、冰霜雨雪等严苛考验，导致表面积累大量尘垢，甚至积雪，严重影响着其透光性，降低光电转换效率。此外，太阳能电池板光电转换过程中热量一时难以散失而致使其表面温度急剧升高，亦降低其光电转换效率。以往人工除尘和自动器械除尘系统仍存在以下问题： 

1)人工除尘费时费力，间隔时间长；且随着人力成本提升，大量采用人工除尘会导致发电成本增加； 

2)现有除尘系统主要针对单块太阳能电池板，且需安装在太阳能电池板阵列周围或者其支架上，对太阳能电池板阵列设计和安装有一定限制，不利于后期维护； 

3)采用摩擦式除尘，易产生静电，划伤太阳能电池板表面，且作业效率低，不适用于大面积的太阳能电池板阵列； 

4)采用高压水枪清洗，水量消耗大，不适用于荒漠或戈壁等处的光伏发电站，且不利于环境保护。 

鉴于上述原因，研制一种对太阳能电池板阵列表面除尘并具有辅助降温除雪功能的系统及方法对提高太阳能电池板阵列除尘作业效率，不损伤太阳能电池板表面，减小耗水量，降低综合成本，便于后期维护等具有重要的现实意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种除尘系统及方法，可对大面积的太阳能电池板阵列表面除尘，相比已有的除尘系统更节水，且不影响现有太阳能电池板阵列的设计及安装，从而提高太阳能电池板光电转换效率，降低发电成本。 

本发明的技术方案如下： 

一种太阳能电池板阵列表面除尘的系统，其特征在于：该系统包括高压水发生装置、传输管道和至少一个由喷头和喷嘴组成的喷射装置；所述的高压水发生装置含有高压水泵、动力设备、储水箱、压力表、安全阀、调压阀和控制阀，所述的储水箱、压力表和安全阀分别与所述的高压水泵相连；所述的调压阀的入口端与高压水泵的排水口相连，调压阀的出口端 控制阀的入口端相连，控制阀的出口端与所述的传输管道相连，其特征在于：该系统还包与 括调节机构和运动小车；所述调节机构由底座、L形连杆、弹簧、调节机构第一连杆、调节机构第二连杆和空心管组成；底座与运动小车固定，L形连杆的一端固定在底座上，L形连杆另一端与调节机构第一连杆的一端通过转轴相连，弹簧的两端分别连接L形连杆和调节机构第一连杆，调节机构第一连杆的另一端与调节机构第二连杆的一端通过球铰相连，调节机构第二连杆的另一端与空心管固定连接；空心管两端封闭，沿轴线方向在空心管壁上设有一个进口和至少一个出口，所述的进口与传输管道相连，所述出口与喷射装置相连；所述高压水发生装置和调节机构被整体固定在可移动的运动小车上。 

本发明所述的动力设备采用电机、柴油机或汽油机；所述运动小车的车体宽度小于两排太阳能电池板阵列之间的垂直距离h。 

本发明所述喷头为固定式单孔喷头，所述喷嘴为扇形喷嘴，喷头和喷嘴同轴安装。

本发明还提供了一种太阳能电池板阵列表面除尘的方法，其特征在于该方法包括如下步骤： 

1)利用高压水经喷嘴形成高压水射流扫射平面，所述喷嘴采用扇形喷嘴，且距同向安装，各喷嘴形成高压水射流扫射平面之间有重叠；喷嘴出口处水流压力为2MPa～4MPa； 

2)经扇形喷嘴形成的高压水射流扫射平面与太阳能电池板阵列表面的交线，即水流作用线，水流作用线处于有重叠区扫射平面内，该水流作用线与太阳能电池板上下边之间的夹角，即偏角α，该偏角α为45°；所述形成的高压水射流扫射平面与太阳能电池板平面之间的夹角，即冲击角θ，该冲击角θ为35°～45°； 

3)所述扇形喷嘴直径d_n为1mm～3mm，扇形扩散角β为65°～85°，扇形喷嘴与太阳能电池板阵列表面距离D和扇形喷嘴数量n分别由式(1)和式(2)确定： 

D＝k·d_n    (1) 

$n=\frac{W_{\mathrm{jet}}}{2D\·\tan \frac{1}{2}\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

其中，D为扇形喷嘴与太阳能电池板阵列表面的距离，单位为m； 

k为系数，取值范围为150～300，无量纲； 

d_n为扇形喷嘴的直径，单位为mm； 

W_jet为高压水射流扫射平面的宽度，单位为m； 

n为扇形喷嘴的数量，单位为个； 

β为扇形喷嘴的扇形扩散角，单位为°； 

4)结合太阳能电池板阵列高度尺寸，规划清扫作业路径；所述清扫作业路径遵循自上而下、往复运动的方式；以太阳能电池板阵列宽度尺寸为运动一次的距离，完成太阳能电池板阵列清扫运动次数N不超过3次，具体运动次数，计算如下： 

$N=\frac{H_{\mathrm{film}}}{W_{\mathrm{jet}}\·\sin \mathrm{\α}}+1---\left(3\right)$

其中，N为清扫运动的次数，单位为次； 

H_film为太阳能电池板阵列的高度，单位为m； 

α为水流作用线与太阳能电池板上下边之间的夹角，即偏角，单位为°； 

W_jet为高压水射流扫射平面的宽度，单位为m。 

本发明的特征还在于：所述的高压水中添加有不影响太阳能电池板性能的清洁剂。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明可实现移动式除尘，结构简单，不污染环境，既可实现大范围高效除尘，又具有辅助夏季降温和冬季除雪功能。②本发明所述除尘系统可通过调节机构来调整喷射装置到太阳能电池板阵列表面的距离，以及喷射时的偏角和冲击角，可主动适应太阳能电池板阵列的不同安装方式及尺寸，灵活性高，通过改变高压水泵输出压力以及更换喷嘴型号可提高除尘效能；③本发明所述系统不对现有太阳能电池板阵列的设计及安装产生影响，尤其适用位于荒漠或戈壁上的大范围太阳能电池板阵列，利于环境保护。④本发明提供的除尘方法结合太阳能电池板阵列尺寸，选定喷射装置参数，确定除尘基本参数和喷射装置布局，规划清洁作业路径，因而可有效减小耗水量，实现大范围高效除尘，降低综合成本，同时便于安装和日后维护。 

附图说明

图1为本发明所述的太阳能电池板阵列表面除尘系统总体组成框图。 

图2为本发明中所述调节机构的结构原理图。 

图3为本发明所述除尘系统进行除尘时，高压水发生装置、调节机构、运动小车与太阳能电池板阵列的相对关系示意图。 

图4为本发明所述的太阳能电池板阵列表面除尘方法的流程图。 

图5为本发明提供的除尘系统在大范围的太阳能电池板阵列中进行移动除尘时的示意图。 

图6为高压水经扇形喷嘴形成高压水射流扫射平面示意图。 

图7为高压水射流扫射平面与太阳能电池板阵列表面的角度关系示意图。 

图8为多个喷嘴形成的高压水射流扫射平面的示意图。 

图9为采用的自上而下、往复运动的清扫作业路径示意图。 

1-高压水泵；2-动力设备；3-储水箱；4-压力表；5-安全阀；6-调压阀；7-控制阀；8-传输管道；9-喷射装置；10-调节机构；11-运动小车；12-太阳能电池板阵列；13-底座；14-L形连杆；15-转轴；16-弹簧；17-调节机构第一连杆；18-球铰；19-调节机构第二连杆；20-空心管；21-喷头；22-喷嘴；23-高压水射流扫射平面；24-水流作用线；25-高压水射流平面重叠区域；26-太阳能电池板阵列起点；27-太阳能电池板阵列终点。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

图1为本发明提供的一种太阳能电池板阵列表面除尘的系统总体组成框图，该除尘系统包括高压水发生装置、传输管道8、调节机构10、至少一个喷射装置9以及运动小车11，喷射装置9固定安装在调节机构11上；所述的高压水发生装置含有高压水泵1、动力设备2、储水箱3、压力表4、安全阀5、调压阀6和控制阀7，所述的储水箱、压力表、安全阀分别与所述的高压水泵相连；所述的调压阀的入口端与高压水泵的排水口相连，调压阀的出口端与控制阀7的入口端相连，控制阀的出口端与所述的传输管道相连，所述控制阀用于开启/关闭高压水流，所述的动力设备可为电机、汽油机或柴油机，用于驱动高压水泵工作。所述高压水发生装置和调节机构被整体固定在可移动的运动小车11上。 

图2为本发明中所述调节机构的结构原理图，调节机构用于调整喷射装置到太阳能电池板阵列表面的距离与喷射角度，调节机构由底座13、L形连杆14、弹簧16、调节机构第一连杆17、调节机构第二连杆19和空心管20组成；底座与运动小车固定，L形连杆的一端固定在底座上，L形连杆另一端与调节机构第一连杆17的一端通过转轴15相连，弹簧16的两端分别连接L形连杆和调节机构第一连杆，通过伸缩可调节L形连杆与调节机构第一连杆之间的夹角β，调节机构第一连杆的另一端与调节机构第二连杆的一端通过球铰18相连，可将调节机构第二连杆绕球铰调整到某一方位后，通过螺钉锁定球铰，调节机构第二连杆的另一端与空心管固定连接；空心管20两端封闭，沿轴线方向在空心管壁上设有一个进口和至少一个出口，所述的进口与传输管道相连，所述出口与喷射装置9相连。 

图3为本发明所述系统进行移动除尘时，高压水发生装置、调节机构10、运动小车11与太阳能电池板阵列12的相对关系示意图。其中高压水发生装置、调节机构被固定在运动小车上，可整体移动。太阳能电池板阵列12被倾斜固定安装；喷射装置9被固定安装在调节机构10上，在经过调节机构调节后，使喷嘴朝向太阳能电池板阵列上表面一侧。 

图4为本发明所述的太阳能电池板阵列表面除尘方法的流程图，利用高压水泵产生高压水，通过传输管道将高压水输送至每个喷射装置；高压水通过喷射装置形成高压水射流扫射平面，利用高压水流对太阳能电池板阵列表面覆盖的尘垢产生冲击和剪切综合作用，并利用脱离太阳能电池板阵列表面的润湿尘垢自身重力的下滑作用，从而实现太阳能电池板阵列表面除尘功能。该方法的主要步骤包括：确定除尘基本参数(冲击角、偏角)；选定扇形喷嘴的直径、扇形扩散角、与电池板表面距离及喷嘴数量系列参数；结合太阳能电池板阵列尺寸，确定扇形喷嘴布局，形成高压水射流扫射平面，进而采用自上而下，往复运动方式规划其清洁作业路径。 

图5为本发明提供的除尘系统在大范围的太阳能电池板阵列中进行移动除尘时的示意图。太阳能电池板阵列往往拼接为一排，大型太阳能光伏电站由若干排太阳能电池板阵列组成，每排太阳能电池板阵列之间留有一定距离，便于接收太阳光。将本发明所述系统置于两排太阳能电池板阵列之间，运动小车11沿着太阳能电池板阵列排列方向移动，其车体宽度需小于两排太阳能电池板阵列之间的垂直距离h，将安装在调节机构上的喷射装置朝向太阳能 电池板上表面，根据太阳能电池板阵列安装角度选取合适的角度，并固定调节机构，实现移动除尘。 

图6为高压水经扇形喷嘴形成高压水射流扫射平面示意图。其中，22为扇形喷嘴，12为太能电池板阵列，23为高压水经扇形喷嘴喷射出的高压水射流扫射平面。喷嘴出口处水流压力为2MPa～4MPa，喷嘴的直径d_n为1mm～3mm，扇形扩散角β为65°～85°，喷嘴与太阳能电池板阵列表面的距离D可由下式计算： 

D＝k·d_n    (1) 

其中，D为喷嘴与太阳能电池板阵列表面的距离，单位为m；k为系数，取值范围为150～300，无量纲；d_n为扇形喷嘴的直径，单位为mm。 

图7为高压水射流扫射平面与太阳能电池板阵列12表面的角度关系示意图。其中，太阳能电池板阵列的表面与地面夹角为安装角γ，安装角γ与图2中夹角β成互补关系，可通过调节图2中所示弹簧16实现；24为水流作用线，即高压水射流扫射平面23与太阳能电池板阵列12表面的交线；水流作用线与太阳能电池板阵列上下边之间的夹角，即偏角α为45°；高压水射流扫射平面与太阳能电池板阵列表面之间夹角，即冲击角θ为35°～45°。通过调节球铰18可分别调节偏角α与冲击角θ。 

图8为多个喷嘴形成的高压水射流扫射平面23的示意图。每个喷射装置9由一个喷头21与喷嘴22组成，喷嘴是进行清洗除尘的执行元件，其工作原理是通过喷嘴内孔横截面的收缩，将高压水以高速水射流的形式向外喷出。本发明中喷头为固定式单孔喷头，喷嘴为单孔扇形喷嘴，采用扇形喷嘴可在保证一定清洗效果前提下，增加清洗范围，喷头与喷嘴二者通过螺纹旋转同轴密封安装，便于在喷嘴失效时单独更换。每个喷头均与空心管20上的出水口固定安装，多个喷头则等距同向安装，空心管中中空部分的高压水通过喷头和喷嘴，形成高压水射流扫射平面，各喷嘴形成高压水射流扫射平面之间有重叠，重叠区域为25，水流作用线24处于有重叠区扫射平面内，保证太阳能电池板阵列表面的完全清扫，避免中间尘垢遗漏。具体喷嘴个数由高压水射流扫射平面宽度决定，如下式： 

$n=\frac{W_{\mathrm{jet}}}{2D\·\tan \frac{1}{2}\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

其中，W_jet为高压水射流扫射平面的宽度，单位为m；n为扇形喷嘴的数量，单位为个；β为扇形喷嘴的扇形扩散角，单位为°； 

图9为采用的自上而下、往复运动的清扫作业路径示意图。其中，26为太阳能电池板阵列的起点，27为太阳能电池板阵列的终点。以太阳能电池板阵列宽度尺寸为运动一次的距离，原则上完成太阳能电池板阵列清扫运动次数N不超过3次；当N＝1时，由太阳能电池板阵列起点26运动到太阳能电池板阵列终点27，完成太阳能电池板阵列除尘工作；N＝2时，由太阳能电池板阵列起点26运动到太阳能电池板阵列终点27，将高压水射流扫射平面下移，再由 终点返回到起点，完成太阳能电池板阵列除尘工作；N＝3时，由起点运动到终点，将高压水射流扫射平面下移，再由终点返回到起点，再将高压水射流扫射平面下移，再由起点运动到终点，完成太阳能电池板阵列除尘工作。具体运动次数，计算如下： 

$N=\frac{H_{\mathrm{film}}}{W_{\mathrm{jet}}\·\sin \mathrm{\α}}+1---\left(3\right)$

其中，N为清扫运动的次数，单位为次；H_film为太阳能电池板阵列的高度，单位为m；α为水流作用线与太阳能电池板上下边之间的夹角，即偏角，单位为°。 

本发明所采用的高压水射流属非淹没性连续水射流，除尘过程中基本保持对太阳能电池板表面稳定的冲击，持续工作一段时间，对尘垢产生冲击和剪切作用，从而达到太阳能电池板阵列表面清洁效果。因此，清扫过程需要调整运动小车进给速度，其速度大小需结合工程实际确定。所述高压水射流的介质为水，不含另外添加的成分，通常情况下即可去除尘垢；但由于覆盖在太阳能电池板表面的油脂类尘垢经过较长一段时间后会在太阳能电池板表面形成油膜，表面的粘附力很大，可在水中添加不影响太阳能电池板性能的清洁剂来溶解油膜，从而达到除尘效果。 

Claims (5)

1.一种太阳能电池板阵列表面除尘的方法，其特征在于，该方法采用的系统包括高压水发生装置、传输管道和至少一个由喷头和喷嘴组成的喷射装置；所述的高压水发生装置含有高压水泵（1）、动力设备（2）、储水箱（3）、压力表（4）、安全阀（5）、调压阀（6）和控制阀（7）、调节机构（10）和运动小车（11）；所述的储水箱、压力表和安全阀分别与所述的高压水泵相连；所述的调压阀的入口端与高压水泵的排水口相连，调压阀的出口端与控制阀的入口端相连，控制阀的出口端与所述的传输管道相连；所述调节机构由底座（13）、L形连杆（14）、弹簧（16）、调节机构第一连杆（17）、调节机构第二连杆（19）和空心管（20）组成；底座与运动小车固定，L形连杆的一端固定在底座上，L形连杆另一端与调节机构第一连杆的一端通过转轴（15）相连，弹簧的两端分别连接L形连杆和调节机构第一连杆，调节机构第一连杆的另一端与调节机构第二连杆的一端通过球铰（18）相连，调节机构第二连杆的另一端与空心管固定连接；空心管两端封闭，沿轴线方向在空心管壁上设有一个进口和至少一个出口，所述的进口与传输管道相连，所述出口与喷射装置（9）相连；所述高压水发生装置和调节机构被整体固定在可移动的运动小车上；

所述方法包括如下步骤：

1）利用高压水经喷嘴形成高压水射流扫射平面，所述喷嘴采用扇形喷嘴，且等距同向安装，各喷嘴形成高压水射流扫射平面之间有重叠；喷嘴出口处水流压力为2MPa～4MPa；

2）经扇形喷嘴形成的高压水射流扫射平面与太阳能电池板阵列表面的交线，即水流作用线，水流作用线处于有重叠区扫射平面内，该水流作用线与太阳能电池板上下边之间的夹角，即偏角α，该偏角α为45°；所述形成的高压水射流扫射平面与太阳能电池板平面之间的夹角，即冲击角θ，该冲击角θ为35°～45°；

3）所述扇形喷嘴直径d_n为1mm～3mm，扇形扩散角β为65°～85°，扇形喷嘴与太阳能电池板阵列表面距离D和扇形喷嘴数量n分别由式(1)和式(2)确定：

D=k·d_n        (1)

$n=\frac{W_{\mathrm{jet}}}{2D\·\tan \frac{1}{2}\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

其中，D为扇形喷嘴与太阳能电池板阵列表面的距离,单位为m；

k为系数，取值范围为150～300，无量纲；

d_n为扇形喷嘴的直径，单位为mm；

W_jet为高压水射流扫射平面的宽度，单位为m；

n为扇形喷嘴的数量，单位为个；

β为扇形喷嘴的扇形扩散角，单位为°；

4）结合太阳能电池板阵列高度尺寸，规划清扫作业路径；所述清扫作业路径遵循自上而下、往复运动的方式；以太阳能电池板阵列宽度尺寸为运动一次的距离，完成太阳能电池板阵列清扫运动次数N不超过3次，具体运动次数，计算如下：

$N=\frac{H_{\mathrm{film}}}{W_{\mathrm{jet}}\·\sin \mathrm{\α}}+1---\left(3\right)$

其中，N为清扫运动的次数，单位为次；

H_film为太阳能电池板阵列的高度，单位为m；

α为水流作用线与太阳能电池板上下边之间的夹角，即偏角，单位为°；

W_jet为高压水射流扫射平面的宽度，单位为m。

2.按照权利要求1所述的一种太阳能电池板阵列表面除尘的方法，其特征在于：所述的高压水中添加有不影响太阳能电池板性能的清洁剂。

3.按照权利要求1所述的一种太阳能电池板阵列表面除尘的方法，其特征在于：所述的动力设备采用电机、柴油机或汽油机。

4.按照权利要求1所述的一种太阳能电池板阵列表面除尘的方法，其特征在于：所述运动小车的车体宽度小于两排太阳能电池板阵列之间的垂直距离h。

5.按照权利要求1所述的一种太阳能电池板阵列表面除尘的方法，其特征在于：所述喷头为固定式单孔喷头，所述喷嘴为扇形喷嘴，喷头和喷嘴同轴安装。

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