1、 分 类 号： 密 级： 论文编 号： 学 号： 50110802208 重 庆 理 工 大学 硕 士 学 位论 文 光 伏 组件自 动 除尘装 置 设计 研 究 生: 巫江 指 导 教 师： 朱新才教授 学 科 专 业： 机械电子工程 研 究 方 向： 机电一体化 培 养 单 位： 机械工程学院 论文完成时间： 2014 年 3 月 论文答辩日期： 2014 年 5 月 Category Number: Level of Secrecy: Serial Number: Student Number: 50110802208 Masters Dissertation of Chongqing
2、University of Technology The Design of Automatic Dust Removal Device for Photovoltaic Module Postgraduate: Wu Jiang Supervisor ： Zhu Xin Cai Specialty: Mechatronic Engineering Research Direction: Electromechanical Integration Training Unit: Mechanical Engineering College Thesis Deadline: March, 2014
3、 Oral Defense Date: May, 2014 重 庆 理工 大 学 学 位 论文 原 创性 声 明 本人郑重声明： 所呈交 的学位论文是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取 得的成果。 除文中特别 加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果、 作品。 对本文的研究做出重要贡献的集体和个人， 均已在 文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律后果。 作者签名： 巫江 日期：2014 年 5 月 20 日 学 位 论文 使 用授 权 声明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用 学位论文的规定， 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复
4、印件和电子版， 允许论文被查 阅和借阅。 本 人 授 权 重 庆 理 工 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“” ） ： 1.保密，在 年解密后适用本授权书。 2.不保密。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘要 I 摘 要 光伏组件是把 太阳能转换为电能的装置 ，预期寿命 20-25 年 。光电转化效率是 其关键技术指标， 多种因素导致电池片的转化效率随时间延续而降低，其中 环境因 素导致
5、的效率下降要显著和严重多， 尤其 是灰尘效应。严重的灰尘覆盖除了降低效 率外， 还可能导致光伏组件烧毁而失去光电转化的功能。避免、减少或清除光伏组 件表面的灰尘覆盖是非常必要和重要的工作。 本文在分析了光伏组件的结构、灰尘覆盖的规律和灰尘颗粒本身物理化学性质 的基础上 ，设计、 制造和验证了一种外置机械式 光伏组件自动除尘装置 。该装置除 尘无 需水或清洁剂 辅助，且具有智能、低耗 、自清洁和无二次污染等 优点。测试表 明： 该装置技术可行 、设计合理、动作准确 可靠，具有应用推广价值。 首先，对光伏组件的结构、灰尘效应的一般规律，以及理想的除尘装置应该具 有的基本技术特征 进行了分析。根据光
6、伏组件自动除尘装置的 目标 要求，确定了总 体方案和工艺路线 ， 为该装置的结构设计提供 了依据。 结合大量文献调研 ， 借助 Catia 三维软件 ，自主设计了 一套无液体辅助滚刷旋转式智能除尘装置 。该装置包括动力 源，传动机构 、执行机构 和控制部分。 借助 Adams 仿真 软件对 凸 轮机 构和 传 动机 构的 运 动特 性和 运 动规 律 进行了分 析， 对运动机构的运动性能 的进行验证和为后续的自动化控制提供 优化依据。为提 高关键零部件 刚度 、强度、稳定性、使用寿命和轻量化要求，以及补偿零件加工过 程的缺陷 ，使用 HyperWorks 有限元分析软件对装置的关键性零部件进行
7、有限元分 析以及优化改进。 根据机械装置动作和自动除尘系统 控制 要求，利用单片机对整个系统进行 总系 统设计 和控制流程设计。 包括动作控制部分，自动检测部分，远程接收指令部分和 总系统框架 ，保证光伏组件自动除尘装置的 运行稳定、可靠。 最后，对样机进行运行分析和除尘效果的测试对比 分析，结果表明该样机运行 平稳，除尘效果显著，具有 积极的工程实践意义。 关 键词： 光伏组件 ；灰 尘效应；除尘装置 ；运动仿真；有限元分析 ；控制系统；测 试分析 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 II Abstract Photovoltaic (PV) module, a device that co
8、nverts solar energy to electrical energy, usually has the lifetime of 20-25 years. One of the basic technical parameters is photoelectric conversion efficiency, which decline gradually over time because a lot of factors. However, the environmental factors are more important, especially the dust effe
9、ct. The dust layer deposited on the PV glass surface not only reduce the efficiency, but also cause hot-pot effect which can make temperature rise and eventually ruin PV modules. So, it is important and necessary that search for a way to keep modules out of the dust effect. In our present work, an e
10、xternal mechanical dust removal device(EMDRD) for PV modules was successfully designed, trial-manufactured, tested and verified based on analysis of the PV modules structure, the dust effect mechanism and the physicochemical property of dust grains. Our EMDRD can work well without any auxiliary mate
11、rials, such as liquid-like agent or water. Other features of this device include intelligence, low power, self-cleaning and no secondary pollution. The result of test demonstrates that the device is feasible in technology, reasonable in design, reliable in operation and valuable in application. Firs
12、t of all, analysis the structure of the photovoltaic module and the regular of the dust cover, as well as the ideal dust removal device should have the basic technical characteristics. Determining the overall program and the process route according to the objectives of automatic dust removal device,
13、 provided the basis for structural design of the device. Self-designed a roller brush rotating smart dust removal device without liquid-assisted. The device includes power source, transmission mechanism, actuators and control part. With the help of Adams simulation software to analyze the movement c
14、haracteristic and regular of the cam mechanism, and the transmission mechanism. It has verified the correctness of the three dimensional model, and provided optimization basis for subsequent automatic control. Using HyperWorks finite element analysis software to analysis the critical components of t
15、he device and improve it. To improve design reliability, useful life and lightweight requirements, as well as compensation the defects Abstract III during the Parts processing process. MCU was used to design the total system and the control flow, according to motion of mechanical device and the cont
16、rol requirements of the automatic dust removal system. Include motion control components, automatic detection components, remote receive instruction components and the total system framework. Guarantee the automatic dust removal device of PV module stable operation and reliable. At last. Prototype w
17、as analyzed when it was operated, and the comparison test of the dust removal effect. Results show that the prototype operates smoothly, dust removal effect is remarkable, has the positive significance of engineering practice. Keywords: PV module; dust affection; dust removal device; motion simulati
18、on; finite element analysis; control system; test analysis 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 IV 目 录 摘 要 .I Abstract II 1 绪论 . 1 1.1 引言 1 1.2 研究 背景及 意义 4 1.2.1 光伏 组件 概述 5 1.2.2 影响 光伏 组件 电能 输出的 因素 5 1.2.3 课题 研究 意义 . 7 1.3 光伏 组件除 尘的 概况 及趋 势 8 1.3.1 国外 光伏 组件 除尘 的研究 概况 8 1.3.2 国内 光伏 组件 除尘 的研究 概况 9 1.3.3 光伏 组件 自动 除尘 装置特
19、点 . 11 1.4 本文 主要研 究内 容 . 11 2 除尘装置机械系统设计 . 13 2.1 表面 吸附粒 子原 因及 方式 . 13 2.2 粉尘 表面吸 附力 . 14 2.3 粉尘 清除方 式 . 15 2.4 设计步 骤 . 16 2.5 方案设 计 . 16 2.6 执行机 构设 计 . 17 2.6.1 执行 机构 主体 设计 . 17 2.6.2 电机 的选 择 . 19 2.6.3 配件 选型 及滚 刷轴 设计 20 2.7 传动机 构设 计 . 21 2.8 凸轮机 构设 计 . 22 2.9 装配设 计 . 24 2.10 样机 的装 配调试 . 24 2.11 本
20、章小结 26 3 基于Catia 和Adams 运动学和动力学仿真 . 27 3.1 Adams 软件 简介 . 27 目录 V 3.2 传动 机构 及凸轮机 构运 动学仿 真 27 3.2.1 模型 的假 设与 简化 27 3.2.2 执行 机构 动作 规划 28 3.2.3 运动 副及 约束 的施 加 30 3.2.4 仿真 类型 选择 31 3.2.5 运动 学仿 真分 析结 果 33 3.3 传动 机构 及凸轮机 构动 力学仿 真 35 3.3.1 接触 力的 测量 36 3.4 本章 小结 . 37 4 有限元分析及优化 39 4.1 HyperWorks 简介. 39 4.2 凸轮
21、 板静力 学分 析 . 39 4.2.1 凸轮 板网 格创 建 . 39 4.2.2 凸轮 板静 应力 分析 . 42 4.2.3 工况 一下 的应 力应 变云图 . 43 4.2.4 工况 二下 的应 力应 变云图 . 44 4.2.5 工况 三下 的应 力应 变云图 . 45 4.3 传动 板静力 学分 析 . 46 4.3.1 传动 板网 格模 型创 建 47 4.3.2 传动 板静 应力 分析 48 4.3.3 工况 下的 应力 应变 云图 . 49 4.4 装置 固定架 静力 学分 析、 模态分 析和 拓扑优 化 . 50 4.4.1 装置 固定 架静 应力 分析 50 4.4.2
22、应力 应变 云图 . 51 4.4.3 模态 分析 . 52 4.4.4 拓扑 优化 . 54 4.5 执行 机构固 定座 静力 分析 以及拓 扑优 化 . 55 4.5.1 静力 分析 . 55 4.5.2 应力 应变 云图 . 56 4.5.3 拓扑 优化 . 58 4.6 本章 小结 . 59 5 自动控制系统设计 . 61 5.1 除尘 动作控 制 . 61 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 VI 5.2 检测 及自动 控制 . 63 5.3 自动 控制总 系统 . 67 5.4 本章 小结 . 68 6 数据测定 . 69 6.1 测试 条件 . 69 6.2 测试 内容及 方式
23、. 70 6.3 测试 数据 . 71 6.3.1 开路 电压 、闭 路电 流测试 数据 . 71 6.3.2 装置 电流 及电 压数 据 . 75 6.4 结论 . 78 6.5 本章 小结 . 78 7 总结 79 7.1 结论 . 79 7.2 工作 展望 . 80 致谢 81 参考文 献 . 83 个人简 历、在学期间发表 的学术论文及取得 的研究成果 87 1. 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 广义的太阳能是指太阳辐射到宇宙空间的能量，狭义的太阳能是指辐射到地表 的能量。人类利用太阳能的方式包括光热、光电、光化学和光生物四大类1 。自地 球上有生命以来 ， 所有生物就以太阳能直接或
24、间接 提供能量的维持 生存，人类文明 程度的提高导致对能源的需求快速增加， 进入了工业时代，对石油、天然气、煤炭 等不可再生能源的需求剧增，能源危机与环境危机凸显，国际政治经济行为以能源 为依据的特征明显2 。相关调查研究表明 ，如果人类继续对这些资源需求量以当下 的速度平稳进行增长 ，那么全世界的已探明储量 石油只能够我们使用 大约40 年3 。 图 1.1 全 球发 电量 不可再生能源的有限性以及使用过程中导致的环境污染使得调整能源结构成为 不得不面对的重要问题。储量近乎无限的太阳辐射能量成为最佳选择，半导体材料 理论的成熟和加工工艺的发展使得直接把光转化为电的电池片的效率不断提高、成 本
25、不断降低。通过这种方式利用太阳能对环境的影响很小，是当前可行的能源转换 技术中最好的。近三四十年里，光伏发电技术发展快速，商用化的速度惊人，在总 体能源结构中光伏发电的比例也在稳步提升 45 。 辐 照 到 地 表 附 近 太 阳 辐 射 能 量 密 度 是 1.2kw/m ， 由 于 地 理 与 气 象 因 素 ， 地 球 上 不 同 地 点 的 年 辐 照 总 量 存 在 差 异 ， 表 现 出 分 布 的 不 均 匀 性 。 我 国 幅 员 辽 阔 ， 有 着 十 分 丰 富 的 太 阳 能 资 源 ， 据 估 算 ， 全国有 2/3 地区 可 以 良 好 的 利 用 太 阳 能 ， 建
26、 筑 与 太 阳 能 利 用 发 电 一 体 化 和 建 立 分 布 式 发 电 站 已经成为人们日常 生 活中对太阳 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 2 能 可 再 生 能 源 利 用 的 一 种 趋势。 在 2007 年 一 年 全 球 太 阳 能 总 装 机 量 达 到 了 2826 MWp ， 德国居首约占 有 47， 其次为西班牙、 美国和日本， 分别约占有 23% 、 8% 、 8% ，2009 年，我国 生产的太阳能电池产量就已经达 到了 4011MW ，其占有了全世界 40% 份额 6 。并且截至 2009 年，全国累计光伏安装量 达到了 300MW 47 。据 2012
27、年 IMSResearch 研究报告，中国本土市场今年初起步缓慢，上半年光伏新增安装量仅 为720MW。 下半年太阳 能光伏新增量逾 4GW ，2012 年全年装机量已超过 5GW。 相关 专 家预测，预计今年新增太阳能装机容量为 44.5 千兆瓦（GW） ，同比 增长 20.9%，相 当于新建10 个核电站。2013 年新增太阳能装机容量增长了 20.3% ，而2012 年同比 增长率仅为4.4%3712 。 图 1.2 2006-2012 年 全球 新 增光伏 装机 量 近年来，全球 光伏产业正在高速发展 。2002 到 2007 这五年中， 全 球光 伏产业 每年以 49.5% 的增长率
28、 持续发展， 就 2008 年来 看， 比 2007 年增加了近 60 个百分点。 仅 2008 年一年， 全球 所产的光伏组件数量突破了 6 GWP 。 特别是 2007 年中， 我国 光伏产业 跳跃式的增长 ， 成为全球光伏组件产量最多的国家11 。 截止目前我国已经 建设了 111 个光电建筑 示范项目， 全部的装机容量 为 91MW 左右，在 30 个省、 市、 自治区 都分布有示范工程 ，对太阳能的应用示范有着良好的促进作用 。 1. 绪论 3 图 1.3 2005-2012 年 全球 太 阳能 电池片 产量 （MW ） 2013 年 7 月 18 日，我国为大力推进新能源的使用和分
29、布式发电的发展。进一 步的保护和改善环境，从而控制环境的污染。国家发改委颁发了关于 分布式发电 管理暂行办法 的通知。通知中提到，国家鼓励个人或者企业以及相关能源公司建 设并管理分布式发电项目，并提供其发电许可。分布式发电所发的电，一部分可以 自己使用，另一部分可以并入电网，国家为其所并入电网的电量进行有针对性的补 偿 359 。 利用太阳能发电可以通过光-热-电、 光-电两种方式， 目前技术上成熟度高和应 用广泛的是基于半导体光生伏打效应的光-电方式， 也就是利用太阳能电池片的方式。 光伏组 件是光伏发电的中的关键结构单元。它由太阳能电池片、密封材料（通常是 乙烯基乙酸乙酯和乙烯-醋酸乙烯共
30、聚物） 、背板、高透率通光玻璃板、铜锡合金互 联 条 、 铝 合金 边 框 和接线 盒 等 组 成 5 。 光 伏组件 目 前 已 经现 成 标 准化生 产 ， 单 板 功 率从25W 到300W 都有， 电池片也有单晶硅、 多晶硅和非晶硅等几种。 光伏组件依据 设计要求串并联组成光伏阵列 8 。 光伏发电系统根据与公用电网的关系， 可以分 为离网 （off-grid） 和 并网(grid connected) 两大类。离网系统 与电网没有电气连接，是独立于公用电网工作的，而 并网系统与公用电网电气连接在一起，作为电网系统 的一个源存在。离网光伏电站 与并网光伏电站结构的不同是很多因素决定的，
31、不能单纯说哪种好或者不好。商用 光伏电站中这两种类型的都有，以适应不同的应用场合。物联网技术、计算机网络 技术、智能微电网技术、分布式发电技术和电力电子技术、大数据与云技术等相关 技术的产生、 发展与成熟为光伏发电技术提供了强力的支持， 光伏电站智能、 程控、 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 4 高效的特点越来越突出。未来的光伏发电必然是一种高度智能化和网络化的绿色能 源技术。 图 1.4 光 伏组 件 图 1.5 光伏 组件 结构 示意 图 1.2 研究背 景及意 义 本论文课题来源于重庆市科技攻关计划项目 中心功率新能源分布式电能供应 1. 绪论 5 系 统 开 发 ， 项 目 编 号
32、 ：cstc2013yykfA90002 ； 基 于 森 林 安 防 的 绿 色 智 能 分 布 式 新 能 源 电 能 供 应 系 统 开 发 ， 项 目 编号 ：cstc2013yykfB90001 ； 光 伏 组 件 表 面 除 尘 技 术开发 ，项目编号：cstc2014yykfB0037 。 1.2.1 光伏组件概述 光伏组件是同时具备外部 封装及和内部连接的 ，并且能够独立 提供直流电输出 的整个单元 的太阳 能电池所组合而成的装置 。主要是由高透过率 钢化低铁玻璃（可 见光平均透过率92%）、 EV A 、 封装硅胶 、 统一规格半导体 电池 片 、背板、内 部 接线盒 、铝合金
33、边框等所组成， （光伏组件封装工艺流程图如图 1.3 所示） 925 。 图 1.6 光伏 组件 封装 工艺 流程图 光伏组件工作的基本原理是 P-N 结的光生伏打效应， 简称光伏效应 10 。 光伏发 电是太阳光照射于光伏组件内部的半导体表面，通过光生伏特效应将半导体所接收 的太阳能直接转换为电能输出。 其中的关键元件 是由 P 型半导体和 N 型半导体所组 合的 太阳能电池片 。 在 N 型半导体中拥有 许多的带负电的电子， P 型半导体中拥有 许多 带正电的空穴 ， 所以当 P 型半导体和 N 型半导体相互结合时在 会形成电势，产 生电能。 当芯片通过光的照射， 半导体内部的 电子会往
34、P 型区方向 移动， 同时半导 体内部 空穴会往 N 型区方向移动， 添加上线和 工作负载后， 最终形成 一定量的电流。 1.2.2 影响光伏组件电 能输出的因素 经济效应的角度看，随着近几年技术的进步，太阳能发电单位能量的成本已经 显著下降到可以和常规的水电火电相比拟的水平。因此太阳能利用的经济价值在于 规模化并入公用大电网，并网技术与相关政策是一个热点。考虑到运行成本和投资 回收等问题，太阳能电站运行中的稳定、高效是一个重要的技术和管理问题。 但是目前太阳能转换效率和使用寿命却始终影响着其进一步的发展，据业内专 家介绍，制约着其转换效率低下的原因，除了单晶硅、多晶硅原材料本身转换效率 不高
35、外，还有一个重要的 因素就是空气中的尘埃，很大限度的限制了光伏组件的转 换效率，而且其逐渐 的下降。铅酸蓄电池首次充电保持 5-7 天，降为 2-3 天，最后 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 6 严重到导致铅酸蓄电池无法充电。而且电能也会由原来的 100W ,下降到 80W 或者 更低。 同时由于树叶，鸟粪等固定 覆盖物 对光伏组件的遮挡，产生热斑效应，会直 接导致其局部的烧毁。 电池板表面异物附着最知名的例子莫过于 2004 年 2 月美国宇航局发 射的火星探 测 器 “ 机 遇 ”号 太 阳 能板 被 火 星 灰 尘覆 盖 而 无法 输 出 足 够 电能 的 事 故。 其 长 度 1.
36、3 米设计输出功率 900w 的电池板由于灰尘覆盖， 实际发电功率 500w 都不到。 地面建 设的相关设施中灰尘导致组件不工作甚至烧毁的事情不胜枚举。 近年来国内各地区 兴建了大量的太阳能或者风光互补路灯系统，高速公路两侧兴建的更多。这其中很 多都被灰尘覆盖，沦为一种摆设，造成的经济损失无法估算。 图 1.7 重庆 理工 大学 光伏 示范基 地 以某 20 WM 光伏电站为例， 在其可行性研究报告中 某年全年的理论发电量为 2 000 万 kwh 。设定为半个月对全场的光伏板进行一次的清理，同时 结合自然的降雨 效果， 基本可以满足光伏组件表面清洁的目的 。但是一般的清洗工作并不能完全的 清
37、除点光伏组件表面的 污浊，假 设清洗后 表面灰尘可降低 50% ， 则全年全场光伏组 件多发电量为 ： 2500 万 kWh (1-0098) 2=25 万 kWh ； 电价计费 为 2 元kWh ， 即 每年总电费为 ：25 万 kWh 2 元kWh=50 万元，项目所在处为山区， 结合当地的 人工成本。2009 当地的 农村人均收入 6500 元，其中年工作日为 250d，所以折算成 每天费用为：6500 元250 d-25.68 元d 30 元d7 10 。 由综合数据得出光伏 组件光电转换平均效率 为 14.1 ( 多晶硅组件) ， 估算 20 MW 光伏组件的总面积 约为 14190
38、0 m 2 ，以 10 s m 2 进行计算，即 每 次清洗大约需 要 141900 m 2 (6 m 2 min 60 min 8 h) 49 工日/ 人，大约 49 人工日，即每一次 对光伏组件的 全场清洗需要支出费用为 30 元49=1470 元。 假如全年 平均每半个月 1. 绪论 7 对全部光伏组件 清洗一次， 则全年需要费用为 147024=35280 元 3 6 万元 7 8 10 。 相对于全场光伏组件所发的电量价值，清洁费用 是一笔不小的数目。其中没有计算 设备 的台班费，设备的搬运费和折旧费等等。如果电站建立在荒漠地带，那人工费 和设备的运输搬运费，是非常高额的一笔 费用。
39、如果不使用光伏表面的除尘， 基本 2-4 年，光伏组件基本失能。 图 1.8 重庆 理工 大学 校内 示范基 地 光 伏组 件 图 1.9 人 工清 除作 业场景 1.2.3 课题研究意义 光伏组件表面灰尘覆盖对其转换效率影响十分巨大，不仅增加产品本身的成本 而且降低了蓄电池的使用寿命。 每个地区 气候的不同和每个月的尘埃的覆盖量的随 机性，所以 自动智能 的对光伏组件表面进行清理是非常有必要的。 人工清理，利用水冲洗或者拖布之类工具清扫。这种方法对于少量的、方便攀 爬的区域的光伏组件而言不失为一种合理的选择。 但如果组件数量多， 比如上万块， 安装位置特殊，除去巨大的人工费用不说，意外的坠落
40、或者 触电导致的人员伤害， 或者踩踏导致光伏组件损坏的可能性极大。 工伤事故是任何一个运营商都不期望发 生的事情 。 一般设备清洁，采用一定的设备来对光伏组件表面进行清洁处理。长远看，这 是一种较好的解决方法，但就目前的实际应用情况来看，没有什么成功的技术可供 选择 ，公开文献和资料报到极少 。美国科学家正在研制的电除尘覆盖薄膜（美国化 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 8 学协会第240 届全国会议， 科技日报,2010 年8 月24 日） ， 国内也有报到有类似 装置发明 （ 专利号为：200710051235.3） ， 但该发明在工作过程中需要使用水， 而且 寿命的时间比较的短暂。 自
41、动化程度相对较低，无法实现自动除尘的目的。 光伏组件自动除尘装置的设计的 意义 在于，实现产品的自动化，从真正的意义 上解决自动除尘的目的，即在一个最佳的时机，最佳的状态对光伏组件进行除尘 ， 并且 在除尘的过程中无需人工的干预 。实现在除尘过程中无需要任何的水或者有机 溶剂 ，解决在荒漠地带的光伏组件的清洁。 实现该装置的长寿命 ，以半个月清扫一 次，每清扫一次装置运动三个来回，以 20 年 寿命为限， 累计使用次数不低于 1460 次。 实现低耗，利用光伏组件自己提供的电能为其供电，不需额外的电能。 1.3 光伏组 件除尘 的概况及 趋势 1.3.1 国外光伏组件除尘 的研究概况 光伏组件
42、的除尘技术主要分为三大类，第一类为人工利用工具对光伏组件的表 面进行定期的清洗， 现在大部分地区的光伏电站都采用此方法，但是在执行此方法 的同时带来了很大的一笔人工费用 ，例如 清海格尔木地区的光伏电站，一块光伏板 一次除尘的人工费用是 0.25 元左右。 第二类为将光伏组件 的表面的钢化玻璃用自清洁玻璃代替， 对于自清洁玻璃的 研究 大部分都局限于 试验阶段， 最早发现 Ti02 这种化合物具有光催化性能的 国家是 日本， 并且日本对于这种化学剂的相关产品的研究都是名列世界前茅 13 。与日本相 比，对自清洁玻璃研究较为成功的是 英国 的皮尔金顿(Pilkington) 公司。在要求自 清洁
43、层是永久性的基础上，还 要求自清洁层能够有效的清洁有机和无机灰尘， 保证 和普通的钢化玻璃有着同样的使用年限 。 但是他们的产品由于性价比低，并 没有赢 取市场的认可 14 。 进入 2l 世纪， 国内外对于自清洁的玻璃的研究也是基于 玻璃表面 涂Ti02 或掺杂Ti02 膜， 其研究后最大的问题就是光的透过率和光的折射率， 将对光 电转换效率直接影响 151617 。 2008 年3 月，OCS 公司提出一种Solar Wash 是智能光伏面板清洁系统,该系统 主要为解决土壤和灰尘覆盖的问题，对光伏组件的表面现象进行远程实时的监控， 并且提供一套系统为光伏组件表面进行有效的清理，同 时，在清
44、理过程中水源的收 集和过滤再次使用的问题也有针对性的处理，目前还没有真正的得到实施 18 。 第三类为机械装置， 美国波士顿大学与东北大学的机械与工业工程系联合研制 出了一种光伏阵列的 清扫机器人， 该机器人有移动小车， 两个滚刷组成的执行机构， 和可以依附于光伏组件的移动机构，和 喷 水系统。通过对比的实验可以看出，前后 1. 绪论 9 清洗的效果是比较的明显的。有一定的应用价值，但是在此机器人运动的过程中， 需要依附于 移动小车， 体型较为庞大， 需要大量的水， 而且需要人工进行现场操作。 制约了其进一步的发展 19 。 1.3.2 国内光伏组件除 尘 的研究概况 虽然我国是光伏组件的产能
45、和产量世界第一，但光伏行业“两头在外”的特点 没有得到根本的扭转，相关自主知识产权技术少， 国内对于光伏组件除尘的研究 同 样也较少， 但是对于自 清洁玻璃的关注还是比较早的国 家， 在1995 年， 就报道过 余 家国、赵修建、俞新刚、王承遇等 1516 。 他们对于自清洁玻璃的研究作出了贡献， 也获得了一系列的效果。 在我国一些知名的建筑物也采用的自清洁玻璃， 比如位于 广东 省中山市的财政局大楼 和北京市国家大剧院 里面的玻璃设施 等就是采用的自清 洁玻璃。北京的水立方也是采用的自清洁表层，均是以牺牲光的透光率为代价 15 。 2009 年， 广东金刚玻璃科技股份有限公司申请了太阳能自行
46、式光伏组件清洗装 置的发明专利 ，该装置包括支架，使清洗机构移动的运行机构。支架上包含了光伏 组件，蓄电池和控制系统，光伏组件为蓄电池充电，蓄电池为整个装置提供电源使 其进行清洗动作，在毛刷移动的同时，使 用水喷头对其进行冲洗 20 。 2010 年， 沙晓林申请了太阳能光伏组件表面清理装置的发明专利 ， 此装置主要 是用于太阳能表面的除尘和除积雪。 整个装置由清理单元和固定单元所组成。 清理 单元主要包括覆布， 固定单元将覆布相互进行 固定连接， 固定于太阳能光伏组件上， 覆布的 上下运动对光伏组件表面的灰尘或者积雪进行情理 21 。 图 1.10 太 阳能 光伏 组件 表 面清理 装置 2
47、010 年内蒙古神舟光伏电力有限公司 申请了一种光伏组件清洗车， 其中包括车 身，水箱，而且在水箱的一侧设置有上下两只粗的喷水管，同时在水箱的中部与粗 喷水管 同侧设有一个长形的滚刷，其利用可以伸缩的钢管与水箱进行连接。 主要是 重庆理 工大 学硕 士学 位论 文 10 清洗车的移动，利用粗喷水管和长形的滚刷对光伏组件的表面进行除尘和清理 22 。 图 1.11 光 伏组 件清 洗车 2011 年， 沃罗缇有限公司 ， 乔治麦卡瑞思 申请了一种智能自清洁式太阳能面板 发明专利，该专利是一种使灰尘、沙土或者融化的积雪等远离太阳能面板、镜子、 玻璃物体等表面的方法设设备。 此发明专利主要是用于改进
48、一种新的太阳能面板， 面板的表面由三层构成，从上而下分别是透明的暴晒涂层，具有不同几何形状的传 导涂层，和太阳能面板。 主要原理即通过 电源提供电能，使其涂层的表面形成一种 电场，通过这么一个电场来进行对太阳能板表面进行除尘，无需要其余的设施对其 表面进行除尘 23 。 2011 年大连中隆新能源科技有限公司申请了一种 对光伏组件表面进行喷液的， 并且可以 自动清洗 的装置的实用新型专利 ，主要的工作原理为：支撑架上下的两端 固定有可以横向移动的滑动导轨，在横向导轨上滑动有横向滑动块，横向滑动块上 固定着可以纵向移动的纵向滑动块，在其 上安装固定清洗刷 24 。 图 1.12 光 伏组 件清 洗车 以上专利涉及的除尘装置原理上可行， 但实用性不足， 几乎不具备推广的价值。 1. 绪论 11 其一是智能化程度低，无法自动感知环境和光伏组件灰尘覆盖程度；其二是都需要 水或者液态清洗剂辅助作业。我们初步市场调研表明国内没有实用化的光伏组件除 尘装置在实际使用中。 1.3.3 光伏组件自动除 尘装置特点 通过对光伏玻璃表面灰尘覆盖的机制及灰尘颗粒物理化学性状的分析以及灰尘 覆盖程度随着时间积累规律的研究，我们在模块化设计思想的指导以及先进的设计 分析软件的辅助下，设计了一种 光伏组件除尘装置 。本文设计的光伏组件自动除尘 装置应具有如下特点： （1）自动化，在
