水射流在荒漠光伏电站电池清洁中的应用_王珊

第 36卷 第 3期2015 年 3 月太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol. 36, No. 3Mar., 2015收稿日期 ： 2013-11-04基金项目 ：青海省科技厅项目 （ 2012 -G-Y25A -4） ；青海大学中青年基金 （ 2013-QGY-15）通信作者 ：高德东 （ 1980— ） ，男，博士研究生、副教授，主要从事机器人和生物制造技术方面的研究。 gaodd@qhu.edu.cn文章编号： 0254-0096（ 2015） 03-0556-06水射流在荒漠光伏电站电池清洁中的应用王 珊 1，高德东 1， 2，郭菁莘 1，孟广双 1，辛元庆 1（ 1. 青海大学机械工程学院，西宁 810016 ； 2. 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027）摘 要 ：依据现场灰尘成分及其成因， 提出高压水射流技术清除电池表面以碱性石英为主的尘垢。在分析以渗透为主破碎机理的基础上， 研究高压水射流在电池表面的作用力及打击动能。综合考虑用水量和清洁效果， 设计出清洗样机主要参数为： 高压水泵工作压力 2.5 MPa， 喷嘴直径为 2 mm， 喷嘴数量为 4。实验结果表明， 清洗 20 min 后电池功率平均约提高 9%。关键词 ：高海拔荒漠地区；太阳电池；高压水射流；表面清洁中图分类号 ： TP69 文献标识码 ： A0 引 言柴达木盆地年太阳总辐射量大于 6800 MJ/m2，可用于光伏发电的荒漠化土地 10 万 km2， 是我国太阳能光伏发电条件最好的地区 ［ 1， 2］ 。太阳电池上的灰尘是影响光伏发电效率的一个重要因素 ［ 3］ ， 尤其在风沙大、 气候干燥的高海拔荒漠地区 ［ 4］ 。由于特殊的环境气候因素太阳电池表面极易蒙尘， 且难以清洗。经前期测试， 在格尔木地区太阳电池蒙尘后发电效率降低 10%~25%。高压水射流清洗技术是一项新型清洁技术， 具有清洗成本低、 速度快、 清净率高、 不损坏被清洗物、 无污染等诸多优点。在发达国家水射流清洗已占工业清洗的 80%［ 5］ ， 应用极为广泛。本文在分析现场灰尘样本的基础上， 探讨高压水射流技术在高海拔荒漠地区大型光伏电站电池阵列表面清洁中的应用。1 灰尘分析1.1 灰尘对电池的影响高海拔荒漠地区风沙较大， 易对电池表面形成遮挡， 影响其对光的吸收 ， 进而影响光伏发电效率。同时， 由于形成的光斑效应会导致电池发生故障， 而故障电池又将严重影响整个阵列的发电效率。文献 ［ 6］ 研究表明， 表面蒙尘光伏组件如长时间未进行清洁， 其发电效率会降低 15%~20% 。文献 ［ 7］ 研究发现， 当太阳电池被遮挡一半时， 功率损失 19%（理想情况下） ， 当全部被遮挡时， 功率损失79%。文献 ［ 8］ 研究了撒哈拉沙漠地区光伏发电效率问题， 得出电池上的灰尘是电池发电效率降低的主要因素。由此可见， 积灰对光伏发电效率存在较为明显的影响。而在高海拔格尔木荒漠地区， 积灰对其发电效率的影响尤甚。1.2 高海拔荒漠地区灰尘成分本文以格尔木地区光伏电站为实验基地进行研究， 其特殊的气候条件严重制约电池的光电转换效率， 尤其风沙天气下使电池表面蒙尘， 从而降低电池效率。由于光电转换效率与受光面积成正比，附着在电池表面的灰尘极大减小了受光面积， 从而降低了发电效率。提取现场电池表面灰尘加以分析， 其主要成分组成如图 1 所示， 灰尘主要成分为石英、 方解石和斜绿泥石， 这和格尔木现场条件极为相符， 其主要成分来自荒漠的细沙， 在风力、 雨水等作用下附着在电池表面。由于细沙颗粒小， 溶解在水中形成胶体， 以表面张力形式附着在电池表面。灰尘固结过程中颗粒之间会产生凝并现象， 从而形成具有较强粘性的积灰， 且表面灰尘以碱性石英为主， 长期覆盖还将影响电池寿命。3期 王 珊等：水射流在荒漠光伏电站电池清洁中的应用 55723.00% 28.00%49.00%图 1 现场电池表面灰尘成分示意图Fig. 1 Schematicdiagram of the surfacedust cell components2 高压水射流清洗机理目前， 太阳电池的清洗多采用自然、 人工以及机械清洗法。由于荒漠地区降水量较少， 所以自然清洗法不予考虑。传统人工清洗法用高压水枪直接对附着在光伏组件上的污渍冲洗， 清洗效果较好， 但问题在于： 一是用水过多， 尤其在冬季会造成结冰现象， 严重影响电站安全性能， 且会影响电池支架， 造成地基沉降， 最后导致电池阵列支架大量变形， 电池破裂； 二是用水成本较高； 三是过多水滴残留在电池表面， 易形成较大水珠残留而形成二次积尘， 风干后影响清洗效果。机械清洗法中的绿化喷淋清洗法， 能节省人力和用水量， 但电池表面污渍较顽固， 喷淋清洗未必能清理掉 ［ 9］ 。因此， 对于缺水的高海拔荒漠地区， 清洁大型光伏电站太阳电池， 要综合考虑用水量和清洗效果等问题。高压水射流技术能有效提高单位水量的打击能量， 节约用水。本文提出一种高效水射流清洗方式， 既有利于降低用水量又有利于减轻人工劳动， 降低清洗成本。2.1 水射流清洗力学分析水射流清洗积灰的破碎机理主要包括： 以渗透为主的破碎机理和水压力直接压缩和剪切为主的破碎机理。太阳电池上的灰尘成分以软质垢 （ HBMp′(x, y)图 2 电池清洁系统坐标系Fig. 2 Coordination for solar cell cleaning system当水射流垂直射到太阳电池上时， 其在点 （ x， y）处的打击力 F（ x， y） 最大， 可看出边缘所受打击力变小。F( )x,y = 1.56pd2ne-0.0165 ye- ( )ax 2 （ 4）式中， x — —喷嘴到电池的距离， 对于清洗过程为定值； y — —板扇形扫射区域的半径。为精确分析表面灰尘打击能， 下文就喷嘴能量转化和打击动能优化进行分析。2.2 喷嘴能量转化喷嘴能量主要由动能、 位能和压力能 3 部分构成。为更好地量化能量概念， 引入能量高度概念对喷嘴能量转换进行分析 ［ 11］ 。根据能量守恒定律， 喷嘴进水口和出水口能量应保持一致， 即：E1 ∑ = E2 ∑ （ 5）558 太 阳 能 学 报 36卷式中， E1 Σ， E2 Σ— —分别为进、 出水口的总能量高度， m。其完整展开式可写成：E1d + E1w + E1y = E2d + E2w + E 2y + Es （ 6）式中， E1d、 E 2d — —分别为进、 出水口的动能能量高度， E1d = v21 /(2g)， E2d = v22 /(2g)， m； E1w、 E2w — —分别为进、 出水口的位能能量高度， 实际运算中其值较小可忽略， m； E1y、 E2y — —分别为进、 出水口的压力能能量高度， 进水口处水在喷嘴压力下形成较大压力能， 可由 p1/( ρ w g) 进行计算， 而出水口处由于水流自由， 其压力能为零， m； Es— —进水口到出水口的损失的能量高度， 在各项参数一定的条件下， 其可视为常数， m； 下标 d、 w、 y 和 s— —动能、 位能、 压力能和损失能量。喷嘴进出口能量转换可表示为：v212g +p1ρwg =v222g + Es （ 7）式中， v1 — —进水口水射流速度， m/s； g — —当地重力加速度， 取 9.8 m/s2； p1 — —进水口压力， 由于输水管道压力损失， 约为水泵工作压力的 80%， Pa；ρ w — —水密度， kg/m3； v2 — —出水口水射流速度，m/s。根据上述分析计算， 电池表面灰尘清洗过程中， 进、 出水口的射流速度可分别采用以下经验公式计算 ［ 11， 12］ ：v1 =qtAD ?( )AD = 0.25 πD2 （ 8）v2 =qtAd ?( )Ad = 0.25 πdn 2 （ 9）qt = 2.1d2np （ 10）式中， qt — —单位时间内水流量， m3/s； AD — —进水口的截面积， m2； Ad — —出水口的截面积， 即喷嘴截面积， m2； D — —喷嘴与电池之间距离， mm； dn — —喷嘴直径， mm。将式 （ 9） 、 式 （ 10） 代入 E 2d ， 可获得喷嘴出水的动能， 即为水射流打击电池的能量：E2d =4.41D4 p2A2dg （ 11）为获得较好的清洗效果， 使水射流打击能最大即可。通过高压水射流机理分析可知， 清洗效果的优劣与清洗机水泵工作压力、 喷嘴直径、 喷嘴数量、水流量、 清洗角度、 喷嘴和电池间距等因素有关， 以下 将 计 算 确 定 高 压 水 射 流 清 洗 设 备 相 关 的 技 术参数。3 水射流清洗方案设计太阳电池表面积为 0.72 m2， 呈阵列形式布置在沙漠中， 单位阵列由两块太阳电池组成。为实现大面积清洗， 选择可形成大面积扫射面积的扇形喷嘴进行清扫。清洗过程中， 扇形水射流平面与光伏阵列边缘成一定角度， 即冲击角 α ， 同时扇形射流平面与电池表面也呈一定角度， 即冲洗角 θ ， 如图 3a 所示。经扇形喷嘴， 水射流形成扩散角为 β 扇形扫射区域， 如图 3b 所示。冲击角和冲洗角既可使射流扫射平面对电池表面灰尘形成冲击、 挤压及水楔等综合作用， 又可使附着在电池表面的灰尘破碎后，受自身重力影响而脱落离开电池而不易形成堆积，达到清扫效果。θαβ SDa. b.图 3 扇形喷嘴清洗电池过程和扇形喷嘴扫射区域Fig. 3 Procedureof cleaning solar cell with fan-shapenozzleand diagram for the scanning area of fan-shapenozzle由于冲洗角 θ 的存在， 使垂直于电池表面的最大打击力 F(x， y) 可分解为打击力 Ftangent 和冲刷力Fnormal 两部分， 其受力分解如图 4 所示。引入冲洗角， 则其两个分解力可表示为：ìí?Fnormal = F ( )x,y sinθFtangent = F ( )x,y cosθ（ 12）θOFtangentF normal xyF(x, y)图 4 冲洗角作用下电池表面受力分析Fig. 4 Analysis offorce loadedonsolarcell with brushing angle电池表面灰尘在打击力作用下而被剥离， 在冲刷力的剪切和自身重力双重作用下滑落， 且不易形成堆积效应。按照图 3 所示， 喷嘴处扇形扫射宽度S的计算公式可写为：S= 2D tan β2（ 13）式中， D — —喷嘴与电池之间距离， D = k × d n， 其中k 取值范围为 150~300。为实现一次性清扫， 采用多个喷嘴同时形成水雾扫射区域对光伏阵列进行清洗。依据式 （ 4） 可知， 各喷嘴形成的水雾扫射区域边缘打击力均会变小， 因此使相邻喷嘴扫射区域重叠， 以增强射流边缘灰尘的打击和冲刷效果。故电池宽度 F 与扫射宽度 S的关系为：Ssinα = Fμn （ 14）式中， n — —喷嘴的数量， 个； μ — —扇形喷嘴扫射重叠比率。清洗过程中， n 个喷嘴在单位时间内水流量 Q为单喷嘴水流量的叠加， 依据式 （ 10） 可写为：Q = nqt = 2.1nd2np （ 15）由此， 可计算清洗光伏阵列全程所需的水量 Ω 为：Ω = T60V?2.1nd2np （ 16）式中， T — —光伏阵列的全部行程长度， m； V — —清洗过程中清洗车行进速度， m/s。为设计合理的喷嘴参数， 需对各参数进行计算测试。工作过程中选用清洗机水泵工作压力 p 为2.5 MPa， 设置冲击角 α 为 60 °， 常量影响因子 k =250，多喷嘴时扫射重叠比率 μ 为 0.3， 变化喷嘴数量、 扩散角和喷嘴直径等喷嘴参数， 依据式 （ 15） ， 计算多喷嘴清洗单位时间内水流量 Q ， 所得数据如表 1 所示。表 1 相关参数及单位水量计算结果表Table 1 Related parametersand calculatedunit consumingwater喷嘴数量n/个1234345扫射重叠比率 μ10.30.30.30.30.30.3扩散角β /（ ° ）13511390741139984喷嘴直径dn /mm3333222水流量Q/L · min-129.8859.7789.65119.5439.8453.1266.41考虑荒漠地区水资源问题， 在保证清洗效果前提下尽量节约用水， 因此确定喷嘴直径 d n 为 2 mm；为保证水雾边缘清洗效果， 扇形喷嘴扩散角 β 为80 ° 。按表 1 中参数， 当喷嘴与太阳电池距离 D 为0.5 m 时按照式 （ 13） 计算可得单个喷嘴的扇形扫射宽度 S 为 0.83 m。实际光伏阵列宽度 F 为 2.4 m，即而喷射区域总长度为 2.8 m， 考虑水雾喷射区域重叠率 μ 为 0.3， 可得覆盖电池宽度的喷嘴数量为4。 4 个喷嘴并列安装在进水管上即可实现光伏阵列的一次性清洗工作， 其排列如图 5 所示。dnDF“1F“0.7 m图 5 进水管及其喷嘴示意图Fig. 5 Diagram of nozzle andlong water-entry tube4 实验结果通过以上计算， 制作扇形喷嘴， 搭建高压水射流清洗设备， 并现场对格尔木光伏电站太阳电池进行样机功能性测试， 部分效果对照如图 6 所示。从图片上看， 积灰电池经高压水射流清洗样机清洁过后， 灰尘明显减少， 且附着表面的残留水量与传统高压水枪相比大幅度降低。实验过程中， 对 20 块电池清洗前后的电压和电流进行测量。为防止水珠晶体折射对发电效率影响， 在清洗 20 min 残留水珠晾干后， 进行测量。实验时间为夏季晴天 13： 00~14： 00 之间。图 7 为清洗前后功率的变化， 其效率平均值约提高 9%， 最大可提高 13.5%。图 6 电池清洗效果对照图Fig. 6 Thecontrol diagram of cleaning effect of solar cell实验过程中， 为保证测量不受气候因素影响，实验选择在 13： 00~14： 00 之间进行， 环境温度为23~25 ℃ 。水射流清洗提高发电效率， 一方面由于表面尘垢清除提高了电池受光面积， 另一方面射流降低了电池表面温度。清洗 1 h 后电池表面温度回升， 其功率平均值约提高 7%。对于高海拔荒漠地区，3期 王 珊等：水射流在荒漠光伏电站电池清洁中的应用 559560 太 阳 能 学 报 36卷+“+)/W2 4 6 8 10 12 14 16 18 207580859095100+“5$#$#图 7 清洗前后功率变化Fig. 7 Powersof before andafter cleaning夏季风沙较小， 电池附着灰尘较易清扫； 而对于冬春风沙较大的季节， 射流清扫会受到一定的限制，需选择天气较好的时间清扫， 同时因灰尘多也易造成灰尘二次堆积降低清洗效果。5 结 论本文针对荒漠地区光伏电站光伏阵列表面灰尘问题， 分析了高压水射流除尘技术的作用机理并进行了除尘实验研究， 得出以下结论：1）水射流清洗电池表面灰尘主要以渗透为主的破碎机理； 清洗过程中射流平面与电池呈一定角度， 在冲击、 挤压及水楔等综合作用下形成射流的最大打击能。2）通过分析水射流与灰尘作用机理， 设计了适用于高海拔荒漠地区光伏阵列表面灰尘清洗设备的主要参数。3）现场实验表明： 采用水射流方法清洗电池，其发电效率平均约提高 9%。该方法既能适用大规模电池阵列的高效除尘， 又能起到辅助降温作用。今后工作将在夏季射流实验基础上， 在冬春季开展实验， 解决灰尘二次堆积问题， 提高风沙严重环境下射流清洗的适应性和清洗效率， 最终开发出适合于高海拔荒漠地区大规模光伏阵列的高效除尘设备。［ 参考文献 ］［ 1］ 严陆光， 周孝信， 张楚汉， 等 . 关于筹建青海大规模光伏发电与水电结合的国家综合能源基地的建议［ J］ . 电工电能新技术， 2010， 29（ 4） ： 1— 9.［ 1］ Yan Luguang， Zhou Xiaoxin ， Zhang Chuhan， et al. Aproposal for planning and constructing a nationalintegrated energy base combined with large-scale photo-voltaic power and hydropower in Qinghai province［ J］ .Advanced Technology of Electrical Engineering andEnergy， 2010， 29（ 4） ： 1 — 9.［ 2］ 李春来， 朱慧敏， 孔祥鹏， 等 . 青海大规模光伏发电发展问题探讨 ［ J］ . 电力技术与环保， 2011， 27（ 3） ：4 — 5.［ 2］ Li Chunlai， Zhu Huimin ， Kong Xiangpeng， et al.Discussion on large-scale development of photovoltaicpower generationin Qinghai province［ J］ . Electric PowerEnvironmental Protection， 2011， 27（ 3） ： 4 — 5.［ 3］ 居发礼 . 积灰对光伏发电工程的影响研究 ［ D］ . 重庆：重庆大学， 2011.［ 3］ Ju Fali. Study on the effect of photovoltaic powergeneration project by dust［ D］ . Chongqing： ChongqingUniversity， 2011.［ 4］ 王 涛， 赵哈林 . 中国沙漠科学的五十年 ［ J］ . 中国沙漠， 2005， 25（ 2） ： 145 — 165.［ 4］ Wang Tao， Zhao Halin. Fifty - year history of Chinadesert science［ J］ . Journal of Desert Research， 2005， 25（ 2） ： 145 — 165.［ 5］ 刘庭成， 范晓红 . 高压水射流清洗机射流打击力的研究分析 ［ J］ . 清洗世界， 2008， 24（ 12） ： 26— 29.［ 5］ Liu Tingcheng， Fan Xiaohong. The force analysis ofhigh pressure water jet cleaning machine theory［ J］ .Cleaning World， 2008， 24（ 12） ： 26 — 29.［ 6］ Zorrilla -Casanova J， Piliougine M， Carretero J， et al.Analysis of dust losses in photovoltaic modules［ A］ .World Renewable Energy Congress［ C］ ， Sweden，2011， 13（ 8） ： 2985 — 2992.［ 7］ Alonso-Garcia M C， Ruiz J M， Chenlo F. Experimentalstudy of mismatch and shading effects in the I-Vcharacteristic of a photovoltaic module［ J］ . Solar EnergyMaterials & SolarCells， 2006， 90（ 2） ： 329 — 340.［ 8］ Mohamed A O， Hasan A. Effect of dust accumulation onperformance of photovoltaic solar modules in Saharaenvironment［ J］ . Journal of Basic and Applied ScientificResearch， 2012， 2（ 11） ： 11030 — 11036.［ 9］ 徐 磊， 马子瑞 . 天津文化中心光伏系统电池清洁与维护研究 ［ J］ . 建筑电气， 2013， 32（ 2） ： 24— 28.［ 9］ Xu Lei， Ma Zirui. Researchon solar-cell panel cleaningand maintenance for PV systemof Tianjin cultural center［ J］ . Building Electricity ， 2013， 32（ 2） ： 24— 28.［ 10］ 张兰芳， 费建国 . 高压水射流清洗污垢时的机理及参数 ［ J］ . 化学清洗， 1997， 13（ 5） ： 6— 9.［ 10］ Zhang Lanfang， Fei Jianguo.Mechanism and parametersof high pressurewater jet cleaning fouling［ J］ . ChemicalCleaning， 1997， 13（ 5） ： 6 — 9.［ 11］ 陈玉凡 . 高压水射流清洗系统中喷嘴能量的转化和利用 ［ J］ . 清洗世界， 2010， 26（ 1） ： 1— 4.［ 11］ Chen Yufan. Transformation and utilization of nozzleenergy in high-pressure water-jet system［ J］ . CleaningWorld， 2010， 26（ 1） ： 1 — 4.［ 12］ 薛胜雄 . 高压水射流技术工程 ［ M］ . 合肥： 合肥工业大学出版社， 2006.［ 12］ Xue Shengxiong. High pressure water-jet technology &engineering［ M］ . Hefei： Hefei University of TechnologyPress， 2006.APPLICATION OF WATER JET FOR CLEANING DUST ONPHOTOVOLTAIC PANEL IN HIGH ALTITUDE DESERT AREAWang Shan1， GaoDedong1， 2， Guo Jingshen1， Meng Guangshuang1， Xin Yuanqing1（ 1. Schoolof Mechanical Engineering， Qinghai University， Xining 810016， China；2. State Key Laboratory of Fluid Power Transmissionand Control， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）Abstract ： According to the compositions and formation of the dust， the water jet is presented to clean the dust mainlycomposed of the quartz on the solar panel surface. Based on analyzing the breaking mechanism of water jet ， the force andhitting kinetic energy loaded on the solar panel were investigated. Considering the consuming water and cleaningefficiency ， the parameters of water jet cleaning prototype are designed that the work pressure of pump 2.5 MPa， diameterof nozzles 2 mm， the number of nozzle 4. The experimental results show that the power of solar panels is increased by 9%after 20 min cleaning.Keywords ： high altitude desert area； solar cell； high pressure water jet； surface cleaning3期 王 珊等：水射流在荒漠光伏电站电池清洁中的应用 561