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智能型光伏组件除尘装置设计与控制研究
2018-05-22 10:18:02   来源:《太阳能》杂志社   作者:于红波采编  点击:

  在分析灰尘吸附特性的基础上,设计了一种依附在组件表面自动行走的智能型除尘装置,装置的运行状态由可编程控制器控制,行走过程中采用干擦和喷淋相结合的方式执行除尘任务。调试证明,装置可有效清除组件表面的沉积物,发电量可提升4%。该智能型除尘装置不受组件安装位置及安装方式的制约,自动化程度高。


  灰尘吸附特性分析


  在空气流动作用下,空气中存在大量的尘埃颗粒物不断迁徙和扩散,一段时间后吸附在光伏组件表面,这是灰尘沉积的主要原因。


  固体表面吸附有物理吸附和化学吸附两种机制。物理吸附称为无选择性吸附,是指大气中悬浮的粒子靠近物体表面时被物体表面本身所产生的不平衡分子所吸引。化学吸附称为有选择性吸附,是指物体表面吸附具有特定化学性质的粒子的现象。


  物体与灰尘颗粒间的吸附力主要表现为范华(Valderwaals)、静电力、化学键力及毛细作用力等。灰尘颗粒吸附在组件表面时可能受其中的一个力或几个力相互作用,力的大小取决于粒子与物体表面所接触面积的大小。


  除了灰尘颗粒与组件表面的吸附力作用外,还需考虑颗粒的重力及颗粒之间存在的相互作用力。现假设灰尘颗粒为均匀分布的球形灰尘粒子,分析其在倾斜角度θ 放置的光伏组件表面的受力模型。此球形颗粒受范德华力Fvd、支持力Fz 和重力G 的作用,达到平衡状态,如图1 所示。

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  式中,R 为灰尘颗粒半径;hϖ 为Lifshitz常数;z0为颗粒与光伏组件表面平均间距。根据式(2) 即可求得外加作用力,以去除沉积在组件表面的灰尘。


  清洁装置硬件设计


  2.1系统总体方案


  除尘装置硬件结构由驱动部分、控制部分及清洁部分组成,组成框图如图2 所示。其中,驱动部分需要设计除尘装置的行走机构,使其能依附在组件表面,并选择合适的电动执行元件,来驱动装置本体在组件表面运动;电动执行元件的启/ 停控制、正反向运行及停止位置等运行状态由控制部分完成,利用PLC 实现对执行元件的自动控制;除尘方式的选择采用干擦和喷淋相结合,以有效清除光伏组件表面的灰尘与固体沉积物。

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  2.2 除尘方式选择


  由于光伏组件表面既有浮灰,也会有鸟粪等固体沉积物,通过常规的毛刷擦拭仅可去除组件表面的浮灰,减少灰尘的遮挡,但是毛刷擦拭难以清除固体沉积物,仍不能解决热斑效应的影响。因此,需采用喷淋系统向组件表面喷水,再配合毛刷擦拭,才可去除固体沉积物。


  2.3 硬件结构设计


  根据设计方案,装置能依附在组件表面自动行走,行走过程中在擦除组件表面灰尘的同时进行喷水,以达到清洁光伏组件表面的目的。硬件结构示意图如图3 所示。除尘装置主体结构采用轻质铝合金支架,可降低自身重量,减小对光伏组件的压力。装置上下顶端安装固定轴承以固定除尘装置,除尘装置的硬件结构设计包括行走机构设计、传动机构设计、清洁系统设计、边界检测系统设计等。

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  2.3.1 行走机构设计


  根据光伏组件自身的结构和安装的特殊性,设计除尘装置的宽度与光伏阵列的宽度相等,通过采用上下双排滚轮,将除尘装置卡在光伏组件上,实现在不改变组件的结构及安装方式的前提下,装置能依附在组件表面。在电动执行元件的驱动下,推动除尘装置在光伏组件边沿的滚动,实现除尘装置在组件表面的行走。


  2.3.2 传动机构设计


  光伏组件自动除尘装置的传动机构由同步轮、轴承轮、轴及电机4 个部分组装而成。选用外径大小相同的同步轮和轴承轮,电机的转动通过1:2 的同步轮以带传动的方式使除尘装置在光伏组件表面行走。


  2.3.3 清洁系统设计


  由于除尘方式采用干擦与喷淋相结合,在除尘装置运动方向的两侧分别安装除尘毛刷,用于擦拭组件表面的灰尘;装置上方的横杆起固定支撑作用,横杆上是直流水泵,水泵抽水通过喷头喷洒到光伏组件表面。


  2.3.4 边界检测系统设计


  除尘装置执行完除尘任务后需离开光伏组件表面,不能对组件造成遮挡或阴影。因此在实际安装时,每排光伏阵列的一侧都安装了支架,用于除尘装置未执行任务时的停放。要实现除尘装置准确、平稳的停到支架区域内,不超越运行极限位,需在支架上安装行程开关。执行除尘任务时,除尘装置需在光伏组件上往复运行,为防治装置跌落,采用对射型光电开关实现边界检测。发射器和接收器相对安装在除尘装置的边界处,除尘装置运行到边界处时,遮挡住发射器和接收器间的光线传播,光电开关输出信号反向,将信息传输给控制器,控制装置反向运行,实现对光伏组件的边界检测。


  PLC 控制系统设计


  除尘装置的启/ 停控制、往复运动的状态控制均由PLC 完成,结合按钮、继电器等低压元器件构成除尘装置的PLC 控制系统。


  3.1 I/O 地址分配


  为了确保光伏组件自动除尘装置的准确安运行,光伏组件自动除尘装置两端有2 个限位开关和 1 个对射式光电开关。除此之外,还要有启动按钮、停止按钮、手动/ 自动转换开关和指示灯等。控制系统I/O 分配如表1 所示。

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  除尘装置清洁试验


  为验证该装置对光伏组件发电量的影响,采集1 kWp 光伏阵列除尘前/ 后的输出电流,得到该光伏阵列的清洁效果对比曲线,如图5 所示。由图5 可知,光伏组件表面灰尘及鸟粪等固体沉积物的存在,降低了组件发电量。采用除尘装置对组件表面进行清洁后,组件发电量迅速恢复到理想状态;以累计5 天未清洁的情况计算,清洁后,发电量平均提升约4%。灰尘沉积导致发电效率的降低,会对大中型光伏电站造成损失,因此,需加强对光伏组件的定期维护与清洗。


  总结


  通过对光伏组件清洗前后的发电量对比后发现,该智能型除尘装置对累积5 天未清洁的光伏组件表面进行清洁后,发电量提高4% 以上有效提高发电收益;除尘装置本体无须借助附加装置,可依附在组件的竖直方向的上下边沿,通过执行电机驱动,在组件表面沿水平方向往复运行;除尘装置的运动过程由PLC控制,可自动识别边界,智能切换运行方向和除尘方式,自动化程度高;装置采用的喷淋系统耗水量小。
 

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