分布式屋顶光伏电站高效自动清除灰尘组合系统的制作方法

本实用新型涉及新能源光伏发电领域，具体涉及一种分布式屋顶光伏电站高效自动清除灰尘组合系统。

背景技术：

一、随着常规化石能源的逐步减少及污染严重，世界各国都在积极开发各种新型清洁能源及可再生能源，其中太阳能资源是人们开发和利用的重要新能源类之一。现在的分布式光伏电站就是把太阳光的能量转变成电能的光伏电站，分布式电站的光伏组件多数是安装在企业工厂钢结构厂房等建筑屋顶（屋面主要为小倾角彩钢瓦结构），充分利用企业工厂屋面空闲面积安装光伏组件吸收利用太阳光发电，取得了良好的社会效益及经济效益。

二、分布式光伏电站大部分安装在彩钢屋顶，由单块光伏组件组装而成。钢结构彩钢屋顶屋面设计坡度常规在1:10—1:20之间，水平倾角仅在2.86度至5.7度之间，实际倾角多数在2度至3度左右。单块光伏组件面积规格在1.5㎡-2㎡不等，组件面板为玻璃及太阳能电池组成，组件面板四周边框由铝合金边框包裹固定起到绝缘和承重的作用。目前屋顶光伏组件安装因受屋面倾角小的限制，当遇到大气降水时，光伏组件最低处底部5cm—15cm宽的面积，因被铝合金边框高出玻璃面的铝边而阻挡在光伏组件上的灰尘和水覆盖，积存的灰尘形成遮光带，遮挡面积为占光伏组件总面积的3%—15%不等。各种实验证明，屋顶小倾角光伏组件底部因大气降水导致积存的积灰带占全部灰尘遮挡影响发电量的60%以上，横向敷设的光伏组件积灰带遮挡影响发电量最高达30%，竖向敷设的光伏组件底部积灰带影响发电量最高可达70%以上，而表面均匀积灰影响发电量通常在20%以下。可见积灰带遮挡光线是降低光伏组件发电效率的重要原因之一，仅清除光伏组件底部积灰带可提高发电量最高可达30%以上。以徐州地区为例，及时清除光伏组件表面及底部积灰带的灰尘，屋顶光伏电站平均增加发电量在10%以上，产生的经济效益十分巨大。

三、现阶段由于受到彩钢屋顶构造、承载力、高空作业、坡度等客观特殊环境限制等影响，难以使用机器人或大型清洗机械清洗（现阶段所谓的机器清洗尚未脱离人工范畴）。目前对屋顶光伏组件积灰清洗方法仅有以下5种：1、人工用抹布干檫；2、人工手持电动毛刷檫洗。3、人工用高压水枪冲洗；4、机器滚刷清洗，但是未脱离人工操作的范畴。5、安装大流量喷淋装置模拟大雨急雨状态，但是耗水量太大，清洗费用高，因为小雨量状态下，喷淋下来的水将光伏组件上的灰均冲刷到了光伏组件底部形成积灰带，这种积灰带遮挡光伏组件，导致电量损失更大。

以上5种方式均能把灰尘清洗干净。采用人工和机器清洗的方式存在高空作业安全隐患大、容易损坏光伏组件、清洗费用高、清洗不及时、风雨天气不能清洗、黑天不能清洗、光伏组件上潮湿不能清洗、高温天气不能清洗等；喷淋清洗的方式需要大水压、较大的水量，否则被喷淋冲刷的灰水将会被光伏组件高出玻璃的边框阻挡而形成积灰带，这种积灰带将增加电量损失。

鉴于此，我们申请了专利号为zl201821025243.0的安装在屋顶小倾角光伏组件底部的灰水自动清除器，该产品在降雨或大露水时，光伏组件底部被铝合金边框阻挡积存的灰水自动快速导出光伏组件（日降水量2mm以上，可清除光伏组件底部积灰带50%以上；日降水量5mm以上，灰尘可清除80%以上）。但是灰水自动清除器在天气干旱时对光伏组件整个表面上的均匀灰尘无法清除，光伏组件在干旱天气的春季、秋冬季，天气干旱少雨，飘落的灰尘沉降在光伏组件表面遮挡光线降低发电效率，每年除去6、7、8三个月的多雨季节的其余9个月仍有约4%以上的电量损失无法挽回。

技术实现要素：

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种分布式屋顶光伏电站高效自动清除灰尘组合系统，该自动清除灰尘组合系统通过在光伏组件的铝合金下边框处布置具有金属防堵网的灰水自动清除器将光伏组件上的灰水快速引流排出，并通过自动微喷淋装置在干旱少雨的情况下向光伏组件进行自动喷淋以辅助提高灰水自动清除器的去灰尘能力，并且对光伏组件表面可以根据需要进行清洗。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种分布式屋顶光伏电站高效自动清除灰尘组合系统，其特征在于所述自动清除灰尘组合系统包括若干灰水自动清除器以及自动微喷淋装置，所述灰水自动清除器固定设置在光伏组件的铝合金下边框处，所述自动微喷淋装置间隔分布于所述光伏组件的阵列中；所述灰水自动清除器为表面或内壁具有导水通道的板件，所述导水通道从所述板件的端头部至端尾部贯通设置，所述板件的端头部具有倾斜设置的吸灰水端，所述板件的表面包覆有亲水性金属防堵网。

所述自动微喷淋装置包括与地面水泵出口端相连通的通水母管以及自所述通水母管上延伸出去的若干通水支管，所述通水支管上布置有若干旋转式喷头。

所述自动微喷淋装置还包括plc程序控制器，所述通水支管内设置有电磁阀，各所述电磁阀分别由所述plc程序控制器控制；所述通水母管的最低处以及所述通水支管的最低处分别设置有防冻自动放水阀。

所述板件包括依次连接的顶板、立板以及底板，以构成呈开口状的扣接件，用于同所述光伏组件上的所述铝合金下边框的外部结构扣装匹配；所述底板的端头部具有一向上折弯的扣接部，用于同所述铝合金下边框的下表面构成扣接锁紧；所述顶板的端头部具有倾斜向下的所述吸灰水端，所述顶板呈与所述铝合金下边框上表面同所述光伏组件上表面交界处相适配的形状。

所述立板和所述底板上分别布设有至少一排间隔分布的灰水排放通道，且相邻排之间的所述灰水排放通道呈错位分布。

所述导水通道为波纹瓦槽、凹槽或管体中的一种；所述导水通道为所述波纹瓦槽或所述凹槽时的槽宽为4.0-5.0mm、槽深为1.5-2.0mm；所述导水通道为所述管体时，半径为0.5mm-3.0mm。

所述板件由若干纵向间隔布置的条杆组成，所述条杆之间的缝隙与所述光伏组件的所述铝合金下边框表面共同构成所述导水通道。

所述条杆之间的缝隙在4-6mm之间。

各所述条杆之间由横向加固条固定连接，所述横向加固条布置在所述立板以及底板上。

本实用新型的优点是：本自动除灰尘系统采用微型水喷淋与安装在光伏组件上的灰水自动清除器的匹配，能实现全自动、清灰全面彻底、常年四季人工可控的清理屋顶小倾角光伏组件的表面及底部积灰带灰尘，且实现省水、省电、投资少、运行费用低，人员不需爬上屋顶进行高空作业、不需踩踏屋顶、避免安全隐患，可常年持续保持光伏组件清洁高效运行；且在多雨季节无需开启喷淋装置，

仅依靠灰水自动清除器自行利用雨水就可清除光伏组件底部的积灰带。

附图说明

图1为光伏组件安装在屋顶面上的积灰示意图；

图2为本实用新型中灰水自动清除器（省略金属防堵网）的立体示意图；

图3为本实用新型中灰水自动清除器的侧视图；

图4为本实用新型中灰水自动清除器的主视图；

图5为本实用新型中灰水自动清除器的俯视图；

图6为本实用新型中导水通道为波纹瓦槽时的示意图；

图7为本实用新型中导水通道为管体时的示意图；

图8为本实用新型中将灰水自动清除器安装至光伏组件的铝合金下边框上的方法示意图；

图9为本实用新型中灰水自动清除器安装在光伏组件的铝合金下边框上的结构示意图；

图10为本实用新型中灰水自动清除器安装在光伏组件的路合金下边框上的立体结构示意图；

图11为本实用新型中灰水自动清除器由条杆组成时的主视图（省略金属防堵网）；

图12为本实用新型中灰水自动清除器由条杆组成时的侧视图（省略金属防堵网）；

图13为本实用新型中自动微喷淋装置在光伏组件阵列中的平面布置示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-13，图中各标记分别为：光伏组件1、铝合金下边框2、屋面3、灰水自动清除器4、顶板5、吸灰水端6、立板7、灰水排放通道8、底板9、扣接部10、导水通道11、灰水12、金属防堵网13、条杆14、横向加固条15、电磁阀16、360度可旋转式喷头17、通水母管18、通水支管19、防冻自动放水阀20。

实施例1：如图1-10、13所示，本实施例具体涉及一种分布式屋顶光伏电站高效自动清除灰尘组合系统，该自动清除灰尘组合系统主要包括灰水自动清除器4以及自动微喷淋装置两部分，灰水自动清除器4间隔布置在各光伏组件1的铝合金下边框2处，在降雨或存在较大露水时，雨水能够将灰尘带到光伏组件1的底部铝合金下边框2处，随着雨水同该灰水自动清除器4之间的接触，受到水的液体表面张力、灰水自动清除器4内外压差的作用以及虹吸的共同作用，灰水自动清除器4能够将灰水12在1分钟之内快速引流到光伏组件1之外；自动微喷淋装置间隔布置在光伏组件1的阵列中，用于在干旱少雨的情况下向光伏组件1进行自动喷淋使灰尘变为灰水，辅助灰水自动清除器4进行除灰水工作。

如图1-10所示，本实施例中的灰水自动清除器4的主体为一板件，该板件可以是金属或非金属材质；板件的表面连续分布有若干导水通道11，各导水通道11沿纵向延伸并作为导灰水通道使用，同时导水通道11将板件的端头部和端尾部相贯通。板件具体呈弯折开口状，以使其能够扣装在光伏组件1的铝合金下边框2上，板件包括依次连接的顶板5、立板7以及底板9，三者为一体成型结构，板件的弯折状可以通过折弯操作成型，也可以通过一体铸造、注塑成型，具体视实际的工程要求而定。

如图1-10所示，顶板5的端头部具有倾斜向下的吸灰水端6，顶板5的主体部分沿铝合金下边框2的上表面贴合布置且其吸灰水端6倾斜向下延伸至光伏组件1的上表面，需要说明的是，此处的吸灰水端6的截面呈如图6所示的若干导水通道11分布的形式，因此当吸灰水端6同光伏组件1的上表面贴合设置时，两者围合后能够形成若干截面较小的吸水孔，因此当吸灰水端6接触到水时，可利用水的张力而产生的毛细现象中液体上升原理及虹吸现象的共同作用而实现自动吸收灰水把灰水排出光伏组件1的作用。

如图1-10所示，立板7沿铝合金下边框2的侧立面延伸分布，底板9沿铝合金下边框2的下表面延伸分布，在底板9的端头部具有呈向上折弯状的扣接部10，通过扣接部10可同铝合金下边框2的下表面构成扣接锁紧关系。此外，在板件的各导水通道11上开设有灰水排放通道8，以使灰水在沿导水通道11流动的过程中从灰水排放通道8处向外排出，灰水排放通道8在具体的开设过程中，采用分布式错位设置原则，避免各导水通道11上的灰水排放通道8开设在同一立板7上或是同一底板9上，从而影响板件的结构稳定性，具体的，在本实施例中，在立板7上开设有一排间隔分布的灰水排放通道8，同时在底板9上也开设有一排或是两排间隔分布的灰水排放通道8，且位于立板7上的灰水排放通道8与位于底板9上的灰水排放通道8呈错位分布的关系，只要确保各个导水通道11最终均能流向灰水排放通道8即可。

如图1-10所示，导水通道11在本实施例中具体为波纹瓦槽，即板件整体呈波纹瓦槽状，参见图6所示，波纹瓦槽的槽宽为4.0-5.0mm、槽深为1.5-2.0mm，优选的，波纹瓦槽的最佳槽宽为5mm、最佳槽深为2mm，在工作过程中，各个波纹瓦槽可构成导灰水路径，使灰水沿波纹瓦槽的延伸方向进行流动。当然，导水通道11的形式并不限于本实施例中的波纹瓦槽，也可以是例如矩形凹槽、圆形凹槽，或者是封闭式的管体，只要保证横截面面积满足要求，其它结构形式的导水通道11均可实现对于灰水的导流作用。如图7所示为导水通道11采用封闭式管道的结构形式，封闭式管道的半径在0.5mm-3.0mm之间。

需要说明的是，本实施例中的灰水自动清除器4利用雨水清除光伏组件1底部积灰带的效果良好，但是少部分灰水自动清除器4存在内部灰水通道堵塞的现象，为了消除堵塞现象，在板件的表面（上部及吸水段）增设了亲水防锈型金属防堵网13。灰水自动清除器4的内外层均具有疏导灰水12的功能，即能双面疏导灰水12，疏导灰水12的能力更大达600克/分钟，且具有利用雨水自动清除吸附在自身上的毛絮状灰尘，防堵效果较好。

如图13所示，本实施例中的自动微喷淋装置包括与地面水泵出口端相连通的通水母管18以及自通水母管18上延伸出去的若干根通水支管19，在各通水支管19与通水母管18的连接位置处分别设置有电磁阀16，电磁阀16用于控制所在通水支管19的通断，且各电磁阀16分别由plc程序控制器连接控制，在各通水支管19上视情况设置有多个360度可旋转式喷头17以实现360°环向喷淋，此外，在通水母管18的最低处和通水支管19的最低处分别设置有防冻自动放水阀20，防止管件阀门冻裂损坏。具体的，本实施例中所采用的地面水泵扬程35-40米、流量4-6吨/小时，功率小于1500w，安装在地面即可。通水母管18采用1寸pe材质水管，屋顶分区域布置6分的pe通水支管19，通水支管19水压保持1.5-3公斤、水量4-6吨/小时。每条通水支管19安装旋转喷头17的数量为5-7个，每个旋转喷头17的喷淋覆盖面积约100㎡。每mw光伏组件占屋顶面积约1万平方米，共计需安装20到30条通水支管19（根据实地光伏组件布置方式设计），地面水泵出口端安装集中遥控plc程序控制器，按照编程顺序分别启停各条通水支管19及水泵。通往电磁阀16的电线采用pe管作为套管保护。水泵与plc程序控制器均采用漏电保护、过载等安全保护。经过实验，该自动微喷淋装置可在15-25分钟内，对一条水管支路覆盖的300㎡到400㎡内的光伏组件在灰水自动清除器4的共同作用下，自动把光伏组件上灰尘全部清洗干净，实现光伏组件表面及底部均无积灰，彻底消除灰尘对光伏组件的遮挡，从而大幅提高发电量。

如图1-10以及13所示，本实施例中分布式屋顶光伏电站高效自动清除灰尘组合系统的工作方法包括以下步骤：

（1）如图8、9所示，将灰水自动清除器4以扣装方式安装在光伏组件1的铝合金下边框2处，即，使灰水自动清除器4的顶板5沿铝合金下边框2的上表面贴合布置，并使其端头部的吸灰水端6能够自铝合金下边框2的上表面延伸至光伏组件1的上表面贴合；同时使底板9端头部的扣接部10能够扣接在铝合金下边框2的下表面进行锁紧，构成扣装固定，在完成扣装固定之后，板件上的各导水通道11与光伏组件1的上表面以及铝合金下边框2的外表面共同围合构成封闭式的导水路径；如图10所示，基于灰水自动清除器4的作用半径（70-100cm之间），为了确保有效的灰水排放效率，在规格为1.5㎡-2.0㎡的光伏组件1的铝合金下边框2上，间隔布置2个灰水自动清除器4；

（2）在降雨或存在较大露水时，雨水或露水能够将灰尘带到光伏组件1的底部铝合金下边框2处，随之形成的灰水将在吸灰水端6的作用下流入至板件（依次是顶板5、立板7、底板9）上的各个导水通道11中，灰水在导水通道11的流动过程中途经设置于立板7或底板9上的灰水排放通道8中，从而最终排除出灰水自动清除器4之外，达到快速清除光伏组件1上积灰的目的。

需要说明的是，吸灰水端6上的各个导水通道11在同光伏组件1的表面贴合之后能够形成若干吸水小孔，各吸水小孔在同灰水接触的过程中，受到水的液体表面张力、灰水自动清除器4内外压差的作用以及虹吸的共同作用，吸水小孔能够将灰水向上抽离导流，根据毛细现象中液体上升原理，理论上在1m宽的管体中，水可以上升0.014mm；在1cm宽的管体中，水可以上升1.4mm；在1mm宽的毛细管中，水可以上升14cm；因此，本实施例中将导水通道11的槽宽设置为4.0-5.0mm、槽深设置为1.5-2.0mm，或是半径设置在0.5mm-3.0mm之间，从而使导水通道11与光伏组件1表面围合形成的吸水小孔能够吸收灰水上升至导水通道11内进行灰水自动吸收清除。

（3）当出现20天以上持续干旱的季节及大气降雨量极少的毛毛雨状态，大气降雨不能起到对光伏组件清洁作用时，通过控制自动微喷淋装置对光伏组件1进行喷淋降水以辅助灰水自动清除器4进行灰水12的排出，即通过plc程序控制器控制各通水支管19上的电磁阀16开启，以使各通水支管19上的各旋转式喷头17进行环向喷淋，实现模拟短时降雨配合灰水自动清除器4对屋顶光伏组件实现全面清洗。该自动微喷淋装置由于压力小于1.5-3公斤即可满足，耗水量小，每平方米仅需5-8毫米雨量即可达到光伏组件上清洁无积灰。该微喷系统用水泵功率低，所需管道直径小，所以投资成本低，每兆瓦光伏组件容量面积仅需2.5万元左右即可实现，比单安装第一种灰水自动清除器多增加4%以上的发电量。电站投资回收期小于一年，喷淋装置设计运行寿命10年以上，其中廉价的易损件寿命在3年以上。

本实施例的有益效果在于：

（1）灰水自动清除器采用防锈合金亲水材料，高弹性、不耗电、不耗能、寿命长、造价低、效益高、结构简单、安装简单可靠、安全性高、倾角小于3.5度的光伏电站年平均可提高5%以上发电量，可创造较大的社会效益及经济效益。起到自动快速清洗光伏组件作用，瓦楞片式及条杆式两种灰水自动清除器能牢牢卡在光伏组件铝合金边框上，不改变光伏组件结构、不影响光伏组件其他任何清洁维修等工作，对光伏组件结构毫无影响，可创造巨大的社会效益及经济效益。

（2）当每年春秋冬季干旱季节，仅使用灰水自动清除器，不能对光伏组件上均匀积灰进行清洗，这部分灰尘影响发电量年平均可达4%以上。这就需要人工创造降雨条件，即安装微型喷淋装置，利用灰水自动清除器配合微型喷淋，适时对光伏组件灰尘进行全面清洗。试验表明，自动灰水清除器结合小型喷淋装置两种方式有机结合后，可以实现对屋顶光伏组件全面清洗，在我国黄淮地区倾角小于3.5度的光伏电站每年提高发电量可达10%以上，即10万度/mw/年以上,经济效益十分显著。

（3）屋顶小倾角光伏电站如果不安装灰水自动清除器，单独使用喷淋系统，就需要大水量、大压力、长时间喷淋，才能达到光伏组件清洁的效果。运行费用是本两种方案结合的几倍。且投资高、运行费用高、耗水量大。

（4）灰水自动清除器与微型喷淋系统的有机组合，不改变既有光伏组件结构、对光伏组件毫无影响。按照2019年初全国屋顶分布式安装容量50gw来计算，按照年提高8%以上发电量计算,可增加40亿度电/年，按照光伏平均上网电价0.7元估计，可直接创造经济效益约28亿元/年，按照连续运行20年计算产生的效益达500亿元以上，间接效益可达100亿元以上/年。可创造巨大的社会效益及经济效益。

实施例2：如图11-12所示，本实施例具体涉及一种分布式屋顶光伏电站自动清除灰尘系统，该自动清除灰尘系统与实施例1中的不同之处在于灰水自动清除器4中的板件组成不同，即，本实施例中的板件具体是由若干纵向间隔布置的亲水性防锈条杆14组成的，相邻条杆14之间的缝隙构成导水通道11，缝隙的宽度选择3-5mm为最佳，且相邻条杆14之间有横向加固条15固定连接，横向加固条15布置在板件的立板和底板部分。该灰水自动清除器4通过条杆14的缝隙实现疏导灰水功能，导水量在300克/分钟，满足屋顶光伏组件在小雨及以上的雨量实现自动清除光伏组件底部积灰带。具有利用雨水自动清除吸附在自身上的毛絮状灰尘，防堵效果较好。造价低廉、成本低，使用寿命20年以上。