一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置
1.本技术涉及光伏板除尘技术领域，尤其是涉及一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置。
背景技术：
2.目前，我国光伏产业的发展十分迅速，2022年3月，国家能源公布数据显示，2021年我国光伏发电新增并网容量5488万千瓦。随着国家政策的大力推动，双碳目标下的清洁能源发展迎来重大历史机遇，未来光伏产业装机量与发电量增长仍将提速。值得注意的是，目前已开展建设的大型光伏基地项目多选址于沙漠、戈壁、荒漠地区，这是由于沙漠、戈壁、荒漠地区具有光照强、风力大、降水少、蒸发量大、无人区面积广阔等特点，是太阳能资源富集地区，是开发基地化、规模化的大型光伏基地的首选。但与丰富光照资源等优势相对的是沙漠地区大量的风沙与可能出现的沙尘暴，光伏板上极易积聚灰尘、沙粒遮挡阳光，大大降低发电效率，并影响光伏组件的工作寿命。经研究发现，光伏板输出功率随沙尘覆盖率增加表现为指数衰减趋势，给光伏板生产效率带来巨大损失。因此，如何定期、高效地做好光伏板清洁成为一项重要的挑战。
3.传统的光伏发电站主要采用定期人工用水除尘的方式对光伏板进行表面清理，这种除尘方式依赖人工用水清洗，成本高、耗水量大、效率低下，因此亟需一种高效的去除光伏板沙尘的技术。
技术实现要素：
4.本技术的目的是提供一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，以解决传统除尘方式依赖人工用水清洗，导致成本高、耗水量大、效率低下的技术问题。
5.本技术的目的，可以通过如下技术方案实现：
6.一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，包括：
7.高压电源、上极板、下极板、连接支架和可控导轨；所述高压电源的正极连接所述下极板，所述高压电源的负极连接所述上极板；所述下极板铺设在光伏板的上表面；所述可控导轨设置在所述光伏板上表面的一侧；所述上极板通过所述连接支架与所述可控导轨连接；
8.其中，所述高压电源给所述上极板、所述下极板通电以实现静电除尘；
9.所述可控导轨控制所述上极板的移动；
10.通电后，所述上极板与所述下极板进行无接触的相对移动来清扫所述光伏板上表面的沙尘。
11.可选地，所述可控导轨包括：
12.直线导轨、滑块和步进电机；
13.其中，所述滑块设置在所述直线导轨上，所述步进电机设置在所述直线导轨的一端；所述步进电机控制所述滑块在所述直线导轨上移动。
14.可选地，所述上极板通过所述连接支架与所述可控导轨连接包括：
15.所述上极板通过所述连接支架固定设置在所述滑块上。
16.可选地，所述上极板为凹槽型导电结构。
17.可选地，所述上极板为倾斜板，所述上极板与所述下极板之间形成一个夹角。
18.可选地，所述上极板为平行板，所述上极板与所述下极板平行。
19.可选地，所述下极板为使用高透率导电玻璃制成的下极板。
20.可选地，所述连接支架为绝缘材质的开合页型轴承铰链结构。
21.可选地，还包括：
22.所述光伏板相对于地面成预设角度。
23.可选地，所述高压电源包括：
24.可控dc电源和千伏级别dc-dc高压模块；所述千伏级别dc-dc高压模块将所述可控dc电源升压。
25.有鉴于此，本技术带来的有益效果为：
26.(1)全程无需用水，生态节能兼得；
27.传统人工除尘需要消耗水资源，对沙漠中稀缺的水资源造成不必要的消耗。而利用静电排斥效应工作的静电除尘装置，可在不消耗水资源的情况下完成除尘工作，不需要对荒漠中稀缺水资源的进行运输与使用，清扫一平方米面积的太阳能板为约0.008元，经济成本节省97.7％-98.2％，兼顾了提高光伏板发电效率和保护沙漠水资源的要求。
28.(2)除尘自动启停，解放人力资源；
29.导轨与光强感应器具有可编程的特点。基于plc编程的控制模块，该系统可满足在光伏板发电功率降低到一定程度时启动，在除尘达到一定效果时停止的除尘自动化要求。提高了光伏发电场自动化水平，减少了人工成本。
30.(3)非接触式除尘，保护光伏面板；
31.通过利用静电原理，该系统在除尘时没有与光伏板表面发生机械摩擦，避免了对太阳能板上的涂层可能造成的机械损伤，尽可能延长光伏板工作寿命。
32.(4)创新极板形状，应用场景广泛；
33.设计了倾斜上极板的电极构造，这种构造相对平行极板更具优势。此外，在遇到粘滞性更强的沙尘颗粒时，倾斜上极板电极构造表现出更高效的清扫优势。
附图说明
34.图1为本技术除尘装置的结构示意图；
35.图2为本技术除尘装置的结构侧视图；
36.图3为沙尘粒子感应带电示意图；
37.图4为本技术简化板间粒子运动模型示意图；
38.图5为本技术倾斜板电极电场分布；
39.图6为本技术倾斜板的反弹效应示意图。
具体实施方式
40.本技术实施例提供了一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，以解决传统除尘
方式依赖人工用水清洗，导致成本高、耗水量大、效率低下的技术问题。
41.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的首选实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术的公开内容更加透彻全面。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.nasa(美国国家宇航局)的月球除尘计划以及mit最新的研究显示，在较高的电压下，可以实现沙尘颗粒的极化进而利用静电作用将沙尘除去。本技术受到这种原理的启发，提出了一种新型无水化自动除沙尘装置，有效地弥补了光伏发电站目前除尘方法的缺陷。如果进行大规模推广和部署，将会节约大量水资源和人力成本。
44.请参阅图1，本技术一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置的实施例，包括：
45.高压电源、上极板、下极板、连接支架和可控导轨；所述高压电源的正极连接所述下极板，所述高压电源的负极连接所述上极板；所述下极板铺设在光伏板的上表面；所述可控导轨设置在所述光伏板上表面的一侧；所述上极板通过所述连接支架与所述可控导轨连接；
46.其中，所述高压电源给所述上极板、所述下极板通电以实现静电除尘；
47.所述可控导轨控制所述上极板的移动；
48.通电后，所述上极板与所述下极板进行无接触的相对移动来清扫所述光伏板上表面的沙尘。
49.本技术提供的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，主要结构包括：高压电源、上极板、下极板、连接支架和可控导轨。其中，可控导轨由直线导轨、导轨滑块及步进电机构成。可控导轨固定布置在光伏板同平面(上表面)的一侧，通过步进电机的驱动，导轨滑块在导轨上沿光伏板边线移动。上极板为槽型导电片，长度与光伏板相当。上极板通过连接支架固定在导轨滑块上，通过导轨滑块带动位移实现对光伏板表面的平扫。连接支架为绝缘材质的开合页型轴承铰链结构，两页通过螺钉分别连接运动滑块与上极板，并允许两者间的相对转动。开合页间角度可调，通过人为的调整可实现调整上极板与下极板所成的夹角。同时轴承内置有卡扣，可以保证在运动过程中连接角度固定不变。下极板选用薄片透明导电玻璃，铺展在光伏板上。
50.本技术实施例提供的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，是一个基于静电除尘原理的无水自动除尘装置。在光伏板上铺设高透光率的导电玻璃作为下极板，下极板无损光伏板的太阳能吸收，通过一个可控导轨来带动导电上极板(如图2所示)，通过plc编程控制的步进电机实现自动化控制上极板的移动，利用电源给上极板、下极板通电来实现静电除尘。具体原理为：沙尘粒子在强电场下极化，造成粒子上表面和下表面带相反极性的电荷。下极板将粒子产生的一种极性的电荷导入大地，使粒子整体只带另一种极性的电荷，粒子的电性与下极板产生静电排斥，起到除尘的作用。
51.具体地，可控导轨包括：直线导轨、滑块和步进电机；其中，滑块设置在直线导轨上，步进电机设置在直线导轨的一端；步进电机控制滑块在直线导轨上移动。
52.上极板可以为倾斜板或平行板，可以理解的是，上极板为倾斜板时，上极板与下极板(光伏板)之间形成一个夹角；上极板为平行板时，上极板与下极板平行。
53.本实施例中，上极板与下极板之间成一个倾角的设计出于以下两种考虑：一方面增强对黏附度大的沙尘区域的清除效果，一方面可充分利用反弹效应来促进除尘(见图6)。在装置的力学结构上，本实施例为减小因重力作用造成的极板下垂现象，将上极板打造成凹槽型(见图1)，以增强其机械抗性。
54.制作本实施例提供的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置时，需使用到的材料包括：可控dc电源、千伏级别dc-dc高压模块(例如10kv的dc-dc高压模块)、导电玻璃、导电极板、太阳能板支架即光伏板支架、太阳能板即光伏板、可控导轨步进电机套件。
55.本实施例提供的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其工作原理及过程为：
56.利用静电除尘的原理，本实施例的上极板采用稳定性好的导电片作为材料，可以减少使用长极板时因重力作用出现下垂现象；下极板则使用高透率的导电玻璃对光伏板进行覆盖，确保光伏板的太阳能吸收性能不受损；通过架设一个由plc编程步进电机控制的可控导轨，来实现上极板无接触的相对移动，从而清除光伏板的沙尘。
57.工作时，将高压电源的正极接在下极板上，高压电源的负极接在上极板上，打开电源开关并用步进电机的控制模块操控可控导轨移动上极板从上至下对光伏板表面的沙尘实施清扫。光伏板上表面的沙尘粒子会在强电场下极化，造成粒子上表面带正电，下表面带负电。下极板能够瞬间将沙尘粒子产生的多余负电荷导入大地，使沙尘粒子整体电性为正(如图3所示)，与下极板产生静电排斥，起到除尘的作用。
58.本实施例使用千伏级别的电压作为工作电压，在清扫时可以明显观测到一条位于倾斜板棱线下方的清除线，位于该线后方的沙尘基本可以实现清除，因此使用中应注意控制上极板带动清除线前进的速率，以达到更好的清除效果。
59.本技术提供的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，是一种新型除尘系统，基于电场原理，通过可控导轨、导电玻璃、导电极板的集成，实现高效、无水、非接触自动除尘，解决传统方法造成的光伏板刮损及高耗水弊端，有效降低成本与对环境的影响。本技术的除尘装置为解决当前光伏板除尘难题提供了新思路，促进太阳能高效利用，从而加速能源转型和双碳目标的实现。理论分析与试验研究表明：该除尘装置相比于传统人工除尘方式，除尘效率最高可达99％，而成本降幅可达98.2％，为解决光伏板静电除尘技术应用提供了新的路径，具有良好的应用前景和推广价值。
60.本实施例的性能分析过程如下：
61.(1)粒子轨迹分析
62.实际粒子轨迹受到的影响因素复杂，本实施例仅对简化后的模型进行分析，并且应用该模型对粒子流的整体运动趋势做出合理估计。
63.本实施例在如下记号约定和简化假设下对弹起的粒子轨迹进行分析(见图4，图4中同时画出了极坐标系和直角坐标系)：
64.沙子带电量为q；沙子的初速度为方向垂直光伏板；光伏板相对地面的倾角为θ0；上极板相对于光伏板的倾角为ψ0；极板间的电势差为粒子受到的力为重力和电场力，忽略粒子间相互作用和空气拖曳力。
65.通过仿真效果图(如图5)可以看出，倾斜型上极板贴近太阳能板一端边缘效应很强，该局部强电场有利于除去黏附性强的沙尘粒子。
66.为简化记号，以下讨论中，矢量均用其直角分量表示。把极坐标系下的电场强度转换回直角分量表示：
[0067][0068]
重力加速度为：
[0069][0070]
根据牛顿第二定律：
[0071][0072]
即
[0073][0074]
分别得到两个微分方程：
[0075][0076][0077]
令a＝gsinθ0,b＝gcosθ0，得到以下耦合的二阶常微分方程组：
[0078][0079]
采用数值解绘出粒子轨迹，得出结论是粒子的横向位移相对纵向位移可以忽略。因此，沙尘粒子将会垂直于光伏板向上打到上极板形成反弹(见图6)。本实施例采取的倾斜电极结构相对于平行电极板，可以更好地利用此反弹效应来增大除尘效率。倾斜上极板靠近下极板的一端相比平行极板具有更大的电场强度(见图5)，在除尘过程中可以形成一条清晰的清除线，该线随着上极板的移动而移动，在面对黏附性较大的沙尘时也能起到很好的除尘效果。
[0080]
(2)工作模式优化
[0081]
本实施例中，首先在光伏板置于水平面和小角度倾斜的情况下进行预实验(选取的板间距为2.7cm，大于电容器击穿距离)并定义扫除效率＝1-(清扫后质量/清扫前质量)，得到如下所示的两表(表2和表3)，表2为光伏板相对地面倾斜0
°
情况下两类上极板版型的效率对比，表3为光伏板倾斜相对地面倾斜11
°
情况下两类上极板版型的效率对比。
[0082]
表2
[0083][0084]
表3
[0085][0086]
由上述表格实验结果可以看出，太阳能板(光伏板)相对于地面的角度变化，上极板相对于太阳能板的角度变化等都对清扫效率有所影响。
[0087]
需要说明的是，在该测试中为研究上极板相对太阳能板倾斜角度对清扫效率的影响，采用“倾斜板”与“平行板”的表述进行区分，“倾斜板”与“平行板”均为上极板。
[0088]
以上述实验为基础，探索了以下因素对除尘效率造成的影响：
[0089]
1)上下极板的角度：
[0090]
第一：两种板型上极板的除尘效率都随太阳能板的倾斜角度增大而迅速增大；
[0091]
第二：在太阳能板与地面的倾角小于20
°
时，倾斜板相对于平行板具有明显优势。
[0092]
第三：倾斜上极板相对于平行上极板的除尘效率有显著提升，并且在一定范围内随着极板角度的增加而增加。
[0093]
由于下极板是铺展在太阳能板上表面的，因此，太阳能板的倾斜角度即为下极板的倾斜角度，太阳能板与地面的倾角即为下极板与地面的倾角。
[0094]
2)平均极板距离：
[0095]
本实施例从实验测得击穿电压开始，逐步增大上下极板间距并进行一次清扫，记录平行上极板(简称平行板)和倾斜上极板(简称倾斜板)所对应的效率，得到表4，表4为光伏板相对地面倾斜35
°
情况下两类上极板版型的效率对比。
[0096]
表4
[0097]
板间距离(cm)平行板效率倾斜板(相对地面倾斜20
°
)效率3.50.1070.0163.40.1090.1023.30.1180.6673.20.1200.9903.10.1200.9913.00.5000.9922.80.9040.9902.60.9170.9902.40.9370.990
2.20.9450.9902.00.9730.9901.50.9880.9901.30.9930.9900.9(击穿)(击穿)
[0098]
两种板型在上下极板距离较小时效率都可达90％以上；
[0099]
倾斜板清洁效率在确保不被击穿的距离下要高于平行板且在距离较大(≥3cm)时差距比较明显。
[0100]
3)电机行进速度：
[0101]
以一定梯度进行实验，并由得到的数值结果可知：
[0102]
随着步进电机行进速率的增大，除尘效率减小；
[0103]
当步进电机行进速率在15r/m，换算为0.4860cm/s时，清扫效率可接近100％。
[0104]
因此，最终得到如下优化工作模式：
[0105]
在光伏板相对地面倾角为35
°
时，为使除尘装置以较高效率工作，应将电极移动速度控制在0.5cm/s以下，平均电极距离控制在2.5cm左右。
[0106]
本技术提供的一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，经济效益分析如下：
[0107]
经申请人研究发现，光伏板沙尘积累量与时间成正相关，并且最高在一个月的时间尺度上能够积累至8g/m2的密度。在光伏板表面积灰量达到4g/m2时发电效率将会降低约15％～25％；若采用人工清洁的方式，应当每个月进行一次清洁，光伏板的发电效率平均下降15％；而由于本技术设计优化方案能耗低，单块光伏板清洁仅需0.127kw以下功率运行370s，耗电仅为0.013度，因此该方案能够实现光伏板自发电每日清洁，无需额外能量供给，将光伏板发电效率维持在99％以上。
[0108]
本实施例中，经济效益＝收益-成本；假设发电效率正比于收益；收益部分：单位面积光伏板功率为140～150w，荒漠地区平均日照为10小时，产生1.4～1.5度电，因此单位面积光伏板理论每日平均产生收益为1.45
×
0.59＝0.86元；而由于人工清洗的时间间隔会使总收益下降15％，人工清洁实际日均收益＝0.86
×
85％＝0.73元/m2；优化后实际日均收益＝0.86
×
99％＝0.85元/m2。成本部分：人工清洁光伏板成本为0.4元/m2；中国城市居民一度电平均价格为0.59元，优化后单位面积清洁耗电量为0.013度，则优化后清洁光伏板成本为0.008元/m2；考虑量产后1m2规格ito玻璃约75元，导轨设备30元，初始总成本为105元/m2。
[0109]
综上，人工清洁经济效益年积累速率k1＝(0.73
×
360)-(0.4
×
12)＝258元/年
·
m2；优化方案经济效益年积累速率k2＝(0.8-0.008)
×
360＝303.12元/年
·
m2；人工清洁方案无初始成本，优化后方案初始成本为105元/m2。得到经济效益曲线：
[0110]
p＝kt-c；
[0111]
其中，p为单位面积累积经济效益，k为经济效益年积累速率，t为时间，c为初始成本。
[0112]
对比人工清洁以及优化方案可看出，在2.3年后，本技术的优化方案累积经济效益与人工清洁方案持平，但在实践应用中人工清洁成本还应考虑冲洗用水的运输成本，该成本在理论上难以进行估算，应当以实际为主。显然，向沙漠中运输水资源会耗费大量人力财力，增加人工清洁方案的成本，因此在实际应用中，本方案在2.3年内即可优于人工清洁方
案。我国荒漠地区8500万千瓦(即8.5亿平方米)太阳能项目已经开工建设，若全部应用优化方案，三年后带来的经济效应是10亿量级，四年之后可达百亿，总经济效益非常显著。
[0113]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0114]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0115]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0116]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0117]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0118]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：
1.一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，包括：高压电源、上极板、下极板、连接支架和可控导轨；所述高压电源的正极连接所述下极板，所述高压电源的负极连接所述上极板；所述下极板铺设在光伏板的上表面；所述可控导轨设置在所述光伏板上表面的一侧；所述上极板通过所述连接支架与所述可控导轨连接；其中，所述高压电源给所述上极板、所述下极板通电以实现静电除尘；所述可控导轨控制所述上极板的移动；通电后，所述上极板与所述下极板进行无接触的相对移动来清扫所述光伏板上表面的沙尘。2.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述可控导轨包括：直线导轨、滑块和步进电机；其中，所述滑块设置在所述直线导轨上，所述步进电机设置在所述直线导轨的一端；所述步进电机控制所述滑块在所述直线导轨上移动。3.根据权利要求2所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述上极板通过所述连接支架与所述可控导轨连接包括：所述上极板通过所述连接支架固定设置在所述滑块上。4.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述上极板为凹槽型导电结构。5.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述上极板为倾斜板，所述上极板与所述下极板之间形成一个夹角。6.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述上极板为平行板，所述上极板与所述下极板平行。7.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述下极板为使用高透率的导电玻璃制成的下极板。8.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述连接支架为绝缘材质的开合页型轴承铰链结构。9.根据权利要求1所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，还包括：所述光伏板相对于地面成预设角度。10.根据权利要求1-9任一项所述的荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，其特征在于，所述高压电源包括：可控dc电源和千伏级别dc-dc高压模块；所述千伏级别dc-dc高压模块将所述可控dc电源升压。
技术总结
本申请公开了一种荒漠环境光伏板的无水自动除尘装置，包括：高压电源、上极板、下极板、连接支架和可控导轨；所述高压电源的正极连接所述下极板，所述高压电源的负极连接所述上极板；下极板铺设在光伏板的上表面；可控导轨设置在光伏板上表面的一侧；上极板通过连接支架与可控导轨连接；其中，高压电源给上极板、下极板通电以实现静电除尘；可控导轨控制上极板的移动；通电后，上极板与下极板进行无接触的相对移动来清扫所述光伏板上表面的沙尘。本申请通过静电原理，能实现高效、无水、非接触式自动除尘，避免光伏板刮损及高耗水，有效降低成本与对环境的不良影响。与对环境的不良影响。与对环境的不良影响。
