基于行波电帘的太阳能电池板微尘自清洁机理研究

Accumulation of dust can cause substantially decreased efficiency and even damage to solar cells. Previous research has suggusted that one feasible method of dust removal is high-voltage wave electric curtain.And our team's work has also confirm it. This project aims to investigate the movement pattern of dust particles under traveling-wave electric curtain and subsequent optimisation of the parameters of wave electric curtain. Firstly, the properties of the earth dust particles will be studied, includding particle size distribution, charges, ionization and polarization, Especially the electronic characteristics that is basis to study the movement rule of dust particles.Secondly,distinct element method and boundary element method will be employed to build the forced and moving model of dust particles, charged or uncharged, under the forces of electrostatic, dielectric electrophoresis, resistance and charges. As a result, we will reveal the movement pattern of the dust particles in the earth's atmosphere environment and corresponding removal mechanism. Furthermore, numerical simulation and orthogonal experiment will be conducted to investigate the relationship between the dust removal efficiency and the parameters of electric curtain, including electrical power parameters (waveform, voltage and frequency), mechanical parameters (electrode width, gap, film thickness) and etc. The mathematics model of the dust removal efficiency and the optimization method for electric curtain design will be established using Multivariate function optimization methods. The research will provide theoretical basis for the development of self-clean techniques for the large solar cells and other photoelectric instrument systems under the weather of western China.

微尘累积会导致太阳能电池板发电效率大幅下降甚至损坏。项目以微尘在行波电帘空间下的运动规律和可控操纵理论及行波电帘电极参数最优化为目标开展应用基础研究，以地球微尘电学和力学特性着手，掌握微尘颗粒分布，带电或高压电场中电离和极化,以及微尘在电池板表面附着力等特性；采用边界元及离散元方法研究带电和不带电微尘在行波电帘空间受静电力、介电泳力、重力、阻力及粒子间电荷力等多力作用下的力学和运动学模型，揭示地球大气环境下微尘在行波电帘空间的运动规律及实现定向运动的控制理论；进而采用数值模拟仿真和正交实验研究行波电帘的电学参数(波形、电压和频率)、机械参数(电极宽度、电极间距、薄膜厚度)与除尘效率的关系，建立行波电帘除尘效率的数学模型和电帘电极参数多变量函数最优化方法。为建立一种适用于我国西部气候条件下的大规模电池板阵列和其它光电及仪器系统的自清洁方法提供理论和工艺支撑。

微尘累积会导致太阳能电池板发电效率大幅下降甚至损坏。项目研究了微尘在行波电场中的四种可能运动模式，SM模式即微尘颗粒在电帘板表面滑动或滚动；HM模式即微尘颗粒发生间隔性的弹跳，在两个弹跳的间隔期灰尘仍然静止在电帘板表面；CM模式即微尘颗粒起跳后持续悬浮于电帘板上空，并呈螺旋式的前进，但前进速度小于行波波速；以及CMM持续向前移动即微尘颗粒起跳后，持续悬浮于电帘板表面，并以大于行波波速的速度向前移动。项目基于最典型的CMM持续向前移动模型，以地球微尘电学和力学特性着手，研究掌握了微尘颗粒分布，带电或高压电场中电离和极化特性；研究建立了在不同阶段存在受库仑力、介电泳力、粘附力、重力、空气阻力及粒子间静电镜像力等多力作用模型；提出了将微尘颗粒的运动过程分为起跳阶段和水平移动等2个阶段，将受力和运动分解到x、y等2个方向进行先独立后合成分析，确保y方向提供竖直向上的加速度使微尘颗粒始终保持悬浮状态，x方向提供水平方向的运动速度的条件；初步建立电帘结构a,b,h和激励行波v,f,p的计算模型，构建了微尘颗粒起跳的条件和微尘在水平方向持续向前移动的数学模型；实验验证了不同输入电压下的微尘起跳情况以及不同频率下的运动轨迹，得出输入电压应大于600v，输入频率应小于120Hz的实践结论，通过高速相机抓拍到一个周期内的微尘起跳和运动过程，发现一个周期内处于可移动区域内微尘颗粒向斜前方起跳并持续向前移动，与理论分析的结果基本一致；建立了参数优化模型，并对电帘参数（a，b，U，f）进行优化设计和交叉实验验证，检验了不同的电帘参数以及输入电压与除尘效率的关系；研究了微尘成分、微尘粒径、风力和电帘板倾斜角等对除尘的影响力；综合各种因素，优化建立a=0.2mm，b=0.2mm，f=50Hz,相差=120°，电压600-1500V可调的行波电帘参数，达到良好的除尘效率和精简的设备优化。.项目组发表论文10篇，其中SCI和EI收录6篇，申请发明专利2项，创新提出了微尘颗粒的持续移动模式，并推导了灰尘颗粒在行波电帘空间不同阶段的受力和运动模型，建构了持续向前移动的条件；建立了电极参数优化方法，得到a=0.2mm，b=0.2mm最优参数，可实现输入电压600v/50Hz下除尘效率在96%以上。