CN113541595A - 结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置及方法，包括地热加热组件、超声振动组件和重力传感器；地热加热组件包括膨胀水箱、循环水泵和循环水管；循环水管包括加热进水管、光伏板加热管和回水管；光伏板加热管均匀布设在光伏板的背板上；加热进水管的中部埋设在土壤中；超声振动组件包括蓄电池和若干个均与蓄电池连接的压电陶瓷片；若干个压电陶瓷片均布在光伏板的背板上；重力传感器用于监测光伏板上覆盖冰雪的重量。本发明有效利用地热融化光伏板上的积雪，同时，结合蓄电池将超声波的电振荡信号传递到压电陶瓷片上，压电陶瓷片通过逆压电效应产生高频振动，进而辅助光伏板上的积雪滑落，大大提高除雪效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能除雪技术领域，特别是一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置及方法。
背景技术
光伏技术是符合时代要求的先进技术。但是，由于我国地理天气原因，冰雪的覆盖对于光伏系统的发电量、安全性等多方面都有着不可忽视的危害，新型有效的光伏除雪装置值得研究。
地下土壤的热能是取之不尽用之不竭的，地下浅层土壤比较稳定，地下土壤温度长期恒定在20℃左右，供热稳定，成本低。因此，将地下土壤的热能，用来加热水进而融化光伏板面上的积雪符合环保的要求。
利用压电效应，当给压电陶瓷施加高频电信号时，会产生超声波信号，积雪与光伏板的接触界面通过超声波的振动作用，有助于积雪的振落，超声波技术是一项新兴的技术，它在各个领域都有很好的应用。由于超声的物理作用，液体中的某一区域会形成局部的暂时负压区，那么就会在液体中产生空穴或气泡，这些充有然气或空气的气泡平步处于非稳定状态，当它们突然团合时，介产生激波，因而在局部微小区域有很大的压强，这就是超声波的空化效应。超声空化产生的气泡的非线性振动和它们破灭时产生的巨大压力，会对冰雪造成定破坏，从而可以起到除冰/雪的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置及方法，该结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置及方法有效利用地热融化光伏板上的积雪，同时，结合蓄电池将电信号传递到黏贴在光伏板背面的压电陶瓷片上，压电陶瓷片通过逆压电效应产生高频振动，进而辅助光伏板上的积雪滑落，大大提高除雪效率。本发明专利结合了重力传感器，通过光伏板的重量变化来控制循环水泵及蓄电池的开闭。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，包括地热加热组件、超声振动组件和重力传感器。
地热加热组件包括膨胀水箱、循环水泵和循环水管。
膨胀水箱和循环水泵设置在光伏板一侧的地面上。
循环水管包括加热进水管、光伏板加热管和回水管；光伏板加热管均匀布设在光伏板的背板上；加热进水管的进水口依次与循环水泵和膨胀水箱相连接，加热进水管的出水口连接光伏板加热管的入水口，加热进水管的中部埋设在土壤中；回水管的一端连接光伏板加热管的出水口，另一端连接膨胀水箱。
超声振动组件包括蓄电池和若干个压电陶瓷片；若干个压电陶瓷片均布在光伏板的背板上且与光伏板加热管交错布设；每个压电陶瓷片均与蓄电池电连接。
重力传感器用于监测光伏板上覆盖冰雪的重量，重力传感器分别与循环水泵和蓄电池相连接。
加热进水管根据实际情况埋设于地下-2.5m至-20m处。
光伏板加热管在光伏板背板上呈网格式布设，压电陶瓷片和重力传感器均布设在光伏板加热管形成的网格中。
位于土壤和光伏板之间的加热进水管外周包覆有保温层。
还包括环境温度传感器，环境温度传感器用于检测光伏板所在区域的环境温度。
光伏板加热管的进水口设置有进水温度传感器，光伏板加热管的出水口设置有出水温度传感器。
循环水管中设置有流量计。
环境温度传感器、进水温度传感器、出水温度传感器和流量计均与重量传感器相连接。
一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，包括如下步骤。
步骤1、设置光伏板上覆盖冰雪的重量阈值：设置重量阈值一和重量阈值二，且重量阈值一小于重量阈值二。
步骤2、循环水泵启动：当环境温度低于设定温度或重量传感器检测的重量超过重量阈值一时，循环水泵启动，膨胀水箱中的水体依次经过循环水泵和预埋在土壤中的加热进水管后，被地热加热。
步骤3、加热除冰雪：加热后的水体通过光伏板加热管对光伏板进行加热，进而对位于光伏板上的冰雪进行清除，并防止结冰。
步骤4、加热和振荡双重除冰雪：当重量传感器检测的重量超过重量阈值二时，在循环水泵保持启动的同时，启动蓄电池，蓄电池将电信号传递到布设在光伏板背面的压电陶瓷片上，压电陶瓷片通过逆压电效应产生高频振动，进而辅助光伏板上的积雪或冰块滑落，提高除冰雪效率。
步骤3中，光伏板加热管中加热水体的传热量Q的计算公式为：
Q＝cm(tin-tout)
其中，c为加热水体的比热；m为加热水体的质量流量；tin为光伏板加热管的入口水流温度；tout为光伏板加热管的出口水流温度；d为光伏板加热管的直径；ρ为水体密度；υ为水体流速。
通过对加热进水管管径、加热进水管在土壤中埋深、埋设长度以及水体流速υ的控制，使得tout保持在15℃～20℃。
根据光伏板上积雪量和所处环境温度，调整水体流速υ，使得tout保持在5℃～10℃。
步骤4中，当重量传感器检测的重量超过重量阈值二，且冰雪传感器检测到环境降雪量超过预设值时，通过增大光伏板倾角的方式，一方面减缓新降冰雪在光伏板上的沉积，另一方面，使得已经堆积在光伏板上的冰雪在压电陶瓷片的振动下，快速下落。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明专利结合重力传感器，通过光伏板上积雪的重量变化来控制循环水泵及蓄电池的开闭。
2、当环境温度过低或光伏板上积雪量少时，仅使用地热对光伏板进行加热，具体为：由膨胀水箱中出来的水在经过埋深在底下的加热水管时，与地下的土壤进行换热，流经至光伏板背面的光伏板加热管，从而起到融化光伏中板面积雪的作用。
3、光伏板上积雪量大时，在利用地热的同时，结合蓄电池将电信号传递到黏贴在光伏板背面的压电陶瓷片上，压电陶瓷片通过逆压电效应产生高频振动，进而辅助光伏板上的积雪滑落，大大提高除雪效率。
4、当光伏板上积雪量大，且有持续降雪时，能够通过增大光伏板倾角的方式，一方面减缓新降冰雪在光伏板上的沉积，另一方面，使得已经堆积在光伏板上的冰雪在压电陶瓷片的振动下，快速下落。
附图说明
图1显示了本发明一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置的结构示意图。
图2显示了重力传感器、压电陶瓷片和光伏板加热管在光伏板背面的平面布设图。
图3显示了重力传感器、压电陶瓷片和光伏板加热管在光伏板背面的立面布设图。
图4显示了本发明中控制方法的原理图。
图5显示了本发明中控制方法的流程图。
其中有：1-循环水泵，2-循环水管，3-光伏板，4-导线一，5-支撑架，6-蓄电池，7-土壤，8-压电陶瓷片，9-电线节点，10-光伏板加热管，11-入水口，12-导线二，13-出水口，14-膨胀水箱，15-重力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1至图3所示，一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，包括地热加热组件、超声振动组件、重力传感器15、环境温度传感器和雨雪传感器。
环境温度传感器用于检测光伏板所在区域的环境温度，雨雪传感器用于检测光伏板所在区域的降雨量或降雪量等。
地热加热组件包括膨胀水箱14、循环水泵1和循环水管2。
膨胀水箱和循环水泵设置在光伏板3一侧的地面上。
循环水管包括加热进水管、光伏板加热管10和回水管。
光伏板加热管均匀布设在光伏板的背板上。在本实施例中，光伏板加热管在光伏板背板上呈网格式布设，网格数量优选为9个，分别为1个中心网格、4个边角网格和4个过渡网格。
进一步，光伏板加热管的进水口优选设置有进水温度传感器，光伏板加热管的出水口优选设置有出水温度传感器。
加热进水管的进水口依次与循环水泵和膨胀水箱相连接，加热进水管的出水口连接光伏板加热管的入水口11，加热进水管的中部埋设在土壤中。加热进水管根据实际情况埋设于地下-2.5m至-20m处。
进一步，位于土壤和光伏板之间的加热进水管外周优选包覆有保温层，防止热量流失。
回水管的一端连接光伏板加热管的出水口13，另一端连接膨胀水箱。
进一步，循环水管中优选设置有流量计，用于检测水体流速。
超声振动组件(也称超声装置)包括蓄电池6和若干个压电陶瓷片8，若干个压电陶瓷片均布在光伏板的背板上且与光伏板加热管交错布设。蓄电池能存储光伏板的电能。
在本实施例中，压电陶瓷片的数量优选为4个，对称布设在四个边角网格中。位于同一长侧边的两个压电陶瓷片导线二12相连接两根导线二之间形成电线节点9，电线节点9通过导线一4与蓄电池电连接。
重力传感器用于监测光伏板上覆盖冰雪的重量，重力传感器分别与循环水泵和蓄电池相连接。在本实施例中，重力传感器优选布设在中心网格内。
上述环境温度传感器、进水温度传感器、出水温度传感器、雨雪传感器和流量计均与重量传感器相连接。
一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，包括如下步骤。
步骤1、设置光伏板上覆盖冰雪的重量阈值：设置重量阈值SV1和重量阈值SV2，且重量阈值SV1小于重量阈值SV2。
步骤2、循环水泵启动，本实施例中，优选具有如下两种启动时机。
启动时机一：当重量传感器检测的重量不超过重量阈值一，但环境温度低于设定温度，设定温度优选为0°。此时，启动循环水泵，能防止雨水或露水等凝结在光伏板表面，也即起到提前预防的作用。
启动时机二：当重量传感器检测的重量超过重量阈值SV1时，基于PID算法控制循环水泵启动。
循环水泵启动后，膨胀水箱中的水体依次经过循环水泵和预埋在土壤中的加热进水管后，被地热加热。
步骤3、加热除冰雪：加热后的水体通过光伏板加热管对光伏板进行加热，进而对位于光伏板上的冰雪进行清除，并防止结冰。
上述光伏板加热管中加热水体的传热量Q的计算公式为：
Q＝cm(tin-tout)
其中，c为加热水体的比热；m为加热水体的质量流量，本实施例中约为0.32kg/s；tin为光伏板加热管的入口水流温度；tout为光伏板加热管的出口水流温度；d为光伏板加热管的直径，优选为20mm；ρ为水体密度；υ为水体流速，优选为1m/s。
通过对加热进水管管径、加热进水管在土壤中埋深、埋设长度以及水体流速υ的控制，使得tout保持在15℃～20℃，进一步优选为18℃。tout温度的设置，在使得冰雪融化的同时，保证光伏板部件的安全，不会损坏光伏板。
根据光伏板上积雪量和所处环境温度，调整水体流速υ，使得tout保持在5℃～10℃，进一步优选为8℃。
另外，根据单位面积光伏板上的热量平衡公式，可以看出，能使得不超过重量阈值一的雨雪充分得到融化。
步骤4、加热和振荡双重除冰雪。
当重量传感器检测的重量超过重量阈值SV2时，基于PID算法，在循环水泵保持启动的同时，启动蓄电池，蓄电池将电信号传递到布设在光伏板背面的压电陶瓷片上，压电陶瓷片通过逆压电效应产生高频振动，进而辅助光伏板上的积雪或冰块滑落，提高除冰雪效率。
进一步，当重量传感器检测的重量超过重量阈值二，且冰雪传感器检测到环境降雪量超过预设值时(预设值优选中级降雪，即下雪时水平能见距离为500-100m之间，地面积雪深度等于或大于5cm，即仍然在大密度降雪)，此时，通过增大光伏板倾角的方式，一方面减缓新降冰雪在光伏板上的沉积，另一方面，使得已经堆积在光伏板上的冰雪在压电陶瓷片的振动下，快速下落。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，其特征在于：包括地热加热组件、超声振动组件和重力传感器；
地热加热组件包括膨胀水箱、循环水泵和循环水管；
膨胀水箱和循环水泵设置在光伏板一侧的地面上；
循环水管包括加热进水管、光伏板加热管和回水管；光伏板加热管均匀布设在光伏板的背板上；加热进水管的进水口依次与循环水泵和膨胀水箱相连接，加热进水管的出水口连接光伏板加热管的入水口，加热进水管的中部埋设在土壤中；回水管的一端连接光伏板加热管的出水口，另一端连接膨胀水箱；
超声振动组件包括蓄电池和若干个压电陶瓷片；若干个压电陶瓷片均布在光伏板的背板上且与光伏板加热管交错布设；每个压电陶瓷片均与蓄电池电连接；
重力传感器用于监测光伏板上覆盖冰雪的重量，重力传感器分别与循环水泵和蓄电池相连接。
2.根据权利要求1所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，其特征在于：加热进水管根据实际情况埋设于地下-2.5m至-20m处。
3.根据权利要求1所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，其特征在于：光伏板加热管在光伏板背板上呈网格式布设，压电陶瓷片和重力传感器均布设在光伏板加热管形成的网格中。
4.根据权利要求1所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，其特征在于：位于土壤和光伏板之间的加热进水管外周包覆有保温层。
5.根据权利要求1所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰装置，其特征在于：还包括环境温度传感器，环境温度传感器用于检测光伏板所在区域的环境温度；
光伏板加热管的进水口设置有进水温度传感器，光伏板加热管的出水口设置有出水温度传感器；
循环水管中设置有流量计；
环境温度传感器、进水温度传感器、出水温度传感器和流量计均与重量传感器相连接。
6.一种结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、设置光伏板上覆盖冰雪的重量阈值：设置重量阈值一和重量阈值二，且重量阈值一小于重量阈值二；
步骤2、循环水泵启动：当环境温度低于设定温度或重量传感器检测的重量超过重量阈值一时，循环水泵启动，膨胀水箱中的水体依次经过循环水泵和预埋在土壤中的加热进水管后，被地热加热；
步骤3、加热除冰雪：加热后的水体通过光伏板加热管对光伏板进行加热，进而对位于光伏板上的冰雪进行清除，并防止结冰；
步骤4、加热和振荡双重除冰雪：当重量传感器检测的重量超过重量阈值二时，在循环水泵保持启动的同时，启动蓄电池，蓄电池将电信号传递到布设在光伏板背面的压电陶瓷片上，压电陶瓷片通过逆压电效应产生高频振动，进而辅助光伏板上的积雪或冰块滑落，提高除冰雪效率。
7.根据权利要求6所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，其特征在于：步骤3中，光伏板加热管中加热水体的传热量Q的计算公式为：
Q＝cm(tin-tout)
其中，c为加热水体的比热；m为加热水体的质量流量；tin为光伏板加热管的入口水流温度；tout为光伏板加热管的出口水流温度；d为光伏板加热管的直径；ρ为水体密度；υ为水体流速。
8.根据权利要求7所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，其特征在于：通过对加热进水管管径、加热进水管在土壤中埋深、埋设长度以及水体流速υ的控制，使得tout保持在15℃～20℃。
9.根据权利要求7所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，其特征在于：根据光伏板上积雪量和所处环境温度，调整水体流速υ，使得tout保持在5℃～10℃。
10.根据权利要求9所述的结合地热及超声波的光伏板除雪/冰方法，其特征在于：步骤4中，当重量传感器检测的重量超过重量阈值二，且冰雪传感器检测到环境降雪量超过预设值时，通过增大光伏板倾角的方式，一方面减缓新降冰雪在光伏板上的沉积，另一方面，使得已经堆积在光伏板上的冰雪在压电陶瓷片的振动下，快速下落。
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