用于太阳能电池板清洁的超声波系统

　　引言

　　随着时间的推移，太阳能电池板会被花粉、灰尘、污垢、污垢甚至鸟粪覆盖。一般来说，当太阳能电池板变脏时，太阳能输出会减少10-15%。大多数太阳能电池板的使用寿命为30年或更长。为了稳定发电，每年至少需要清洁两次太阳能电池板，即使在沙漠中雨季已经过去。

　　有几种方法可以用来清洗严重污染的物品(修理过的汽车零件、手表机构、不用洗衣机清洗衣物等)。基本上，清洗效果出现在受超声波空化影响的少量液体中。为了产生气穴，需要合理的能量。

　　有时没有必要在体积上产生气穴。对于平面清洁，在表面上的薄层液体中产生气穴就足够了。许多科学文章描述了液体体积中的空穴现象。然而，很难找到任何关于在薄液体层中产生空穴的文章。作者在此之前提出了这一概念，并在这一领域做了一些实验。

　　这里介绍的建模工作的目的是研究和更好地理解控制超声波的物理学者采用了长度为400 mm，截面为8 mm × 4 mm的PZT-8压电陶瓷，其电荷系数如下:d33 = 225 pC/N，d31 = 37 pC/N。压电陶瓷通过厚度极化。电极放置在压电陶瓷的两侧。双向超声波振动器和两块板由铝合金制成(质量密度=2.7g/cm3。

　　杨氏模量E = 70 GPa，泊松比= 0.33)。使用结构钢活塞(质量密度= 7.85克/立方厘米，杨氏模量E=200GPa，

　　泊松比= 0.33)。所有部件都粘在一起。声学-压电相互作用分析中的太阳能电池板表示为丙烯酸塑料电池板(质量密度= 1.16克/立方厘米，杨氏模量。

　　实验

　　数值计算包括谐波响应分析，用于评估将外部电信号施加到压电陶瓷的板的横向振动，以及声-电相互作用分析，用于计算两个板之间的声压和声分布，以在液体层中产生最大空化。利用建立超声清洗系统实体有限元模型的有限元软件COMSOL 4.2对压电执行器进行有限元建模，进行谐波响应分析和声-电相互作用分析。

　　超声波清洗系统模型的网格划分使用三维自由四面体单元，使用物理控制的网格，如图。2.该元素由八个节点定义，每个节点有三个自由度:节点x、y和z方向的平移。元件具有三维磁、热、电、压电和结构场能力，场之间的耦合有限。该元素有八个节点，每个节点最多有六个自由度。整个几何图形的建议网格有138，417个元素，有617，602个自由度。

　　谐波响应分析和声-压电相互作用分析采用Pardiso求解器和嵌套剖分多线程预排序算法进行。谐波响应分析是为了找出测量点的运动轨迹。测量点位于一个板上(图。2、黑色椭圆区)。压电元件使用施加在执行电极上的交流信号(30 V)激励。选择频率范围为18千赫至18.8千赫，解决方案为10赫兹间隔，以给出测量点的适当响应曲线。测量点随空气和水运动的增益频率特性如图2所示。3.重要的是，所有的阻尼值都来自材料的特性，包括陶瓷。

　　图3.图中所示测量点的谐波响应分析(空气和水)。

　　本文的主要目的是提出用超声波清洗任何表面的新思路。太阳能电池板就是这种应用的好例子。所提出的超声波清洗系统工作模式是基于降雨时薄水层中的空化效应或人工外部水流。然而，在我们的模型中，薄水层被表示为均匀介质。根据我们的实验结果，这种系统需要一场大雨才能在薄层中产生良好的气穴现象。

　　目前的超声波清洗系统将固定安装，而不仅仅是安装在屋顶上，而是集成到沙漠中的任何太阳能电池板工厂等。将超声波清洗系统连接到太阳能电池板的解决方案之一如图1所示。14.致动器的数量和它们之间的位移可以是不同的。在这种情况下，可以使用雨滴传感器完全自动地进行清洁过程，以实时保持太阳能电池板的最大输出功率。

　　图3 太阳能电池板某些部分的概观:左图——人工污染的电池板；右–在32 W功率下用水超声波清洗15秒后的面板

　　总结

　　提出了一种新的平面超声波清洗方法。我们实验室发明了一种简单的污染表面清洁装置。对空气和水进行了声压电相互作用分析。为所有系统定义了最佳振动模式。定义了初步工作条件，并批准了其清洁效率。我们认为，需要注意连接到致动器的板与水等动态载荷之间的声学相互作用及其干扰。此外，板的形状、水层厚度和均匀性、气隙和声阻尼因子对系统效率有很大影响。这件事需要仔细考虑。

　　审核编辑：鄢梦凡