一种三相行波电帘除尘系统及其构建方法与流程

本发明具体除尘技术领域，特别涉及一种三相行波电帘除尘系统及其构建方法。

背景技术：

许多大规模太阳能发电系统往往位于满是沙尘的沙漠中，例如我国的新疆、甘肃和宁夏等地，太阳能电池板上往往会积累很多沙尘，严重影响设备的发电效率和使用寿命。而且很多光学仪器表面积累灰尘后，会降低仪器精度或设备使用寿命。另外，在工厂或实验室中，有些情况下会产生有毒有害物质，在这种环境中不宜采用人工操作进行除尘，同时，常规的除尘方法在高空建筑物(比如高空中的玻璃)的除尘、航空航天器的除尘等方面具有较大的困难，因此，研究一种非接触式的自动除尘方法是非常有必要的。常用的除尘方法主要有：自然除尘、机械除尘、纳米自清洁薄膜除尘、静电除尘和电帘除尘等。

自然除尘是利用自然力量，如风吹、雨水冲刷或重力的自然作用来清除灰尘，除尘效果较差；机械除尘是采用擦拭、喷吹、振动或超声波等机械方式除尘，由于微尘的尺寸比较小而且又具有很强的粘附性，清除较困难，且机械方法容易对太阳能电池阵列表面产生损伤；使用纳米自清洁薄膜覆盖于太阳能电池阵列表面，是保持太阳能电池板处于清洁状态的有效方法之一。这种自清洁薄膜主要包括超亲水性材料自清洁薄膜和超疏水性材料自清洁薄膜两种方式。静电除尘是一种最简单的电子除尘方法。Clark PE等人在研究火星太阳能电池翼除尘方法时，提出微尘在紫外线照射或在与大气摩擦过程中会带上电荷；如果太阳能电池表面具有很高的电位，将会吸引带有异性电荷或中性电荷的微尘。那些被吸附到表面的微尘，最终也会带上与太阳电池板同符号的电荷，在电场力的排斥作用下离开太阳电池的表面。

电帘除尘是目前最受关注的除尘技术之一。电帘除尘技术最早于1967年出现在NASA的除尘技术报告中，当时是为了解决Apollo任务的除尘问题，但报告中并没有进行深入的探讨。直到20世纪70年代，Masuda等人在大气环境中证明了利用电磁行波能够搬运宏观带电微尘。随后，美国重返月球计划阶段，NASA有关实验室进行了大量的相关实验研究，电帘除尘技术便逐渐引起广泛的关注。

近年来，国内外学者在电帘除尘技术方面做了较多研究，但对于灰尘颗粒的起跳和持续向前移动的条件以及在此条件下进行电极参数的优化设计方面的研究较少，导致除尘效率不高，除尘效果不好。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种三相行波电帘除尘系统，通过合理设计电极结构，使微尘在电极之间形成的电场中持续运动以被移除，有效地提高了除尘效果。

本发明的技术方案是：一种三相行波电帘除尘系统，包括三相交流电源和电帘板；所述电帘板由绝缘衬底和均匀分布于衬底表面的多组电极构成，所述电极为长方体形，各电极相互平行，电极的宽度与相邻两电极之间的间距相等；以每相邻的三个电极为一组构成一个移动周期，移动周期内的三个电极分别与所述三相交流电源的U相线、V相线和W相线相连。

本发明中，优选地，相邻两电极之间的间距为0.1mm-0.5mm。该间距下可保证灰尘能在电极形成的行波电场中形成持续的运动，达到更好的除尘效率和效果。

本发明中，优选地，所述三相交流电源与电帘板之间设有调压器，调压器的电源输入端与三相交流电源的电源输出端相连，调压器的电源输出端与所述电极相连，调压器的输出电压为380V、900V和1600V三挡。低档380V为灰尘屏蔽模式、中档1000V为除尘模式、高档1600V为高效清洁模式。当三相行波电帘除尘系统持续接入低档380V时，电帘板具有屏蔽灰尘的作用，使大部分灰尘颗粒不落入电帘板表面；当落入电帘板表面的灰尘积累较多时，将电压调至中档1000V，电帘除尘系统进入除尘阶段，自动进入除尘模式；如果仍然有部分灰尘颗粒无法被清除时，可将电压调至1600V高压档，除尘系统进入高效清洁模式，在高压状态下清除附着在电帘板表面的灰尘颗粒。

本发明中，优选地，所述电极上还覆盖一层绝缘层。目的是形成对电极的保护，避免电极击穿等情况的发生。

本发明中，优选地，所述绝缘层的厚度为0.05mm-0.2mm。

本发明中，优选地，所述的绝缘层上覆盖了一层具有微纳结构的超疏层，所述超疏层的厚度为200nm-400nm。由于超疏层大大降低了表面能，降低了表面吸附力，因而更有利于除尘。

本发明中，优选地，所述超疏层的微纳结构采用多孔、凸起或者绒毛。

工作时，各移动周期内形成相同的三相行波电场，电场内的微尘颗粒受粘附力、电场力、介电泳力和重力等的共同作用，从一个移动周期移动至另一个移动周期，直到被移除电帘板表面。下面对微尘颗粒在移除过程中的具体受力进行分析：

(1)运动模式分析；

灰尘颗粒在三相行波电场中的运动模式有四种：表面模式、弹跳模式、螺旋运动模式以及持续运动模式。表面运动模式的颗粒运动时，在电帘表面缓慢滑动或滚动，定向移动较慢；弹跳模式的灰尘颗粒在电帘表面发生间歇性的弹跳，在弹跳的过程中逐渐迁移，最终移除电帘板表面；螺旋运动模式的灰尘颗粒在电场作用下起跳后，悬浮于电帘板上空，并且呈螺旋式的缓慢迁移，最终移除电帘板表面；持续移动模式的灰尘颗粒在电场作用下，起跳并悬浮于电帘板上空，然后沿水平方向持续定向前移，直至移除电帘板表面。对比四种运动模式可知：持续移动模式最有利于灰尘的清除，因此，设计三相行波电帘时，可以根据使灰尘颗粒满足持续移动模式的条件进行电极参数设计和优化。所以，设计过程中，首先应推导出灰尘颗粒在行波电场中以持续移动模式运动的条件，然后根据持续运动的条件进行参数优化设计。

(2)持续运动模式下的受力分析；

由于灰尘颗粒起跳前要受粘附力的作用，起跳后粘附力消失，同时，空气阻力出现，因此，可将灰尘颗粒的受力和运动分为起跳阶段和水平运动阶段分别进行分析。起跳阶段灰尘颗粒受粘附力、电场力、介电泳力和重力的作用。水平运动阶段灰尘颗粒受电场力、介电泳力、重力和空气阻力的作用。除尘时，使灰尘颗粒在竖直方向上起跳并悬浮于电帘板上空，同时沿水平方向定向移动是成功移除微尘颗粒的一种有效方式。因此可将灰尘颗粒的受力分解到x、y方向分别进行分析。

A、起跳阶段的受力和运动分析：灰尘颗粒在起跳阶段的受力分解到x、y方向，表示为：

式中：Fx、Fy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力，ax，ay分别为x、y方向的加速度，m为微尘颗粒的质量，Ex、Ey分别为电场在x、y方向的电场强度，ε0为自由空间介电常数，εr为灰尘介电常数，r为灰尘平均半径，FVDW为粘附力。

由于灰尘颗粒要想顺利起跳，必须满足y方向的加速度ay＞0，利用MATLAB仿真可求出输入电压必须满足：U≥350V。

B、起跳后的灰尘颗粒在水平移动阶段的受力分解到x、y方向，x方向受力表示为：

y方向受力表示为：

边界条件为：

式中，Fxx，Fyy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力；fair_x，fair-y分别为空气阻力在x、y方向的分量；Vx，Vy分别为x、y方向的速度；η为空气的粘度系数；Fqx，Fqy分别为库仑力在x、y方向的分量；Fdepx，Fdepy分别为介电泳力在x、y方向的分量，axx，ayy分别为x、y方向的加速度。

灰尘颗粒要想保持以持续移动模式运动，必须满足：①、起跳后的颗粒要保持悬浮于电帘板上空，即ay＞0；②、起跳后的颗粒要获得与行波速度相适应的水平速度，使微尘能够持续向前移动。在一个电帘周期内，只有处于2个可移动区域(宽度分别记为：Sact1和Sact2)内的灰尘颗粒才能满足持续向前移动的条件，但随着时间的推移，其他区域内的灰尘颗粒将随着行波电场的移动而相继发生起跳和水平移动，最终实现整个区域内的起跳和水平移动。根据以上分析，可求出灰尘颗粒持续向前移动的条件为：

式中：Sact表示可移动区域的宽度；axx表示x方向的加速；f为三相交流电的频率；入为电帘周期；d为灰尘颗粒的直径。仿真求得：Sact1＝0.46mm，Sact2＝0.45mm，axx＞72m/s²。

电帘参数的优化设计：电帘电极的宽度a和间距b的大小直接影响电极间的电场分布，从而影响微尘颗粒的受力和运动状态。定义有效比coe＝Sact/λ，即单位距离内的可移动区域的大小，有效比coe值越大越有利于灰尘的移除。因此，进行电帘参数优化设计时，可输入不同的电极参数a、b，以及电压U和频率f，分别计算其Sact和coe值，并根据实际灰尘直径分布情况，选择在Sact＞2d的情况下，取有效比coe值最大的参数设计电帘板即可，仿真计算得，电极宽度和电极间距相等且均在0.1mm-0.5mm时，有效比coe值越大，即除尘效果最好。

本发明还公开一种三相行波电帘除尘系统的构建方法，包括如下过程：

a、建立灰尘被清除过程的运动模型：分起跳过程和悬空水平移动过程；

b、对起跳过程进行受力分析确定灰尘的起跳电压U；

c、对悬空水平移动过程进行受力分析确定电极参数，所述电极参数包括电极之间的间距和电极的宽度。

进一步地，所述步骤b具体包括如下过程：

b1、灰尘颗粒在起跳阶段的受力分解到x、y方向，表示为：

式中：Fx、Fy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力，ax，ay分别为x、y方向的加速度，m为微尘颗粒的质量，Ex、Ey分别为电场在x、y方向的电场强度，ε0为自由空间介电常数，εr为灰尘介电常数，r为灰尘平均半径，FVDW为粘附力；

b2、灰尘颗粒顺利起跳必须满足y方向的加速度大于零，即：

ay＞0…………………(5)

同时，起跳电压U与y方向的电场强度Ey满足如下关系：

U＝d×Ey…………………(6)

联立公式(2)、(4)、(5)和(6)求得灰尘起跳电压取值U。

更进一步地，所述步骤c具体包括如下过程：

c1、起跳后的灰尘颗粒在水平移动阶段的受力分解到x、y方向，x方向受力表示为：

y方向受力表示为：

边界条件为：

式中，Fxx，Fyy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力；fair_x，fair_y分别为空气阻力在x、y方向的分量；Vx，Vy分别为x、y方向的速度；η为空气的粘度系数；Fqx，Fqy分别为库仑力在x、y方向的分量；Fdepx，Fdepy分别为介电泳力在x、y方向的分量，axx，ayy分别为x、y方向的加速度。

c2、灰尘颗粒保持以持续移动模式运动，必须满足的条件是：

①、起跳后的颗粒要保持悬浮于电帘板上空，即

ay＞0 (10)；

②、灰尘颗粒持续向前移动的条件为：

式中：Sact表示可移动区域的宽度；axx表示x方向的加速；f为三相交流电的频率；λ为电帘周期；d为灰尘颗粒的直径。

c3、电帘电极参数的优化设计：定义有效比：

coe＝Sact/λ (12)

有效比coe即单位距离内的可移动区域的大小，有效比coe值越大越有利于灰尘的移除。联立方程(7)-(12)，求解当有效比coe值最大时，电极参数即电极宽度和电极间距的取值范围。

本发明的有益效果是：

(1)使微尘在电极之间形成的电场中先弹跳出吸附表面，悬浮在空中，再沿水平向持续运动直到被移出吸附表面，达到清除吸附表面的灰尘的目的，除尘效率更高，效果更好；

(2)可实现灰尘屏蔽，即在行波电帘板通电的情况下，灰尘将会被自动屏蔽掉，不会落入电帘板表面，减少灰尘的来源，达到更好的除尘效果；

(3)当三相行波电帘除尘系统持续接入低档380V时，电帘板具有屏蔽灰尘的作用，使大部分灰尘颗粒不落入电帘板表面；当落入电帘板表面的灰尘积累较多时，将电压调至中档1000V，电帘除尘系统进入除尘阶段，自动进入除尘模式；如果仍然有部分灰尘颗粒无法被清除时，可将电压调至1600V高压档，除尘系统进入高效清洁模式，在高压状态下清除附着在电帘板表面的灰尘颗粒；

(4)在电极上覆盖绝缘层，形成对电极的保护，避免电极击穿等情况的发生，增加整个系统的使用寿命；

(5)绝缘层上覆盖微纳结构的超疏层，由于超疏层大大降低了表面能，降低了表面吸附力，因而更有利于除尘，出尘效率和效果更好，且吸附力的下降，使得起跳电压降低，节能且更安全。

附图说明

图1是本实施例所述三相行波电帘除尘系统的结构示意图；

附图标记说明：10三相交流电源，20电帘板，201绝缘衬底，202绝缘层，203超疏层，204电极，30调压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

参考图1，一种三相行波电帘除尘系统，包括三相交流电源10和电帘板20；所述电帘板20由绝缘衬底201和均匀分布于衬底表面的多组电极204构成，所述电极204为长方体形，各电极204相互平行，电极204的宽度与相邻两电极204之间的间距相等；以每相邻的三个电极204为一组构成一个移动周期，移动周期内的三个电极204分别与所述三相交流电源10的U相线、V相线和W相线相连。

在另一个实施例中，相邻两电极204之间的间距为0.1mm-0.5mm。该间距下可保证灰尘能在电极形成的行波电场中形成持续的运动，达到更好的除尘效率和效果。

在另一个实施例中，所述三相交流电源10与电帘板20之间设有调压器30，调压器30的电源输入端与三相交流电源10的电源输出端相连，调压器30的电源输出端与所述电极204相连，调压器204的输出电压为380V、900V和1600V三挡。低档380V为灰尘屏蔽模式、中档1000V为除尘模式、高档1600V为高效清洁模式。当三相行波电帘除尘系统持续接入低档380V时，电帘板具有屏蔽灰尘的作用，使大部分灰尘颗粒不落入电帘板表面；当落入电帘板表面的灰尘积累较多时，将电压调至中档1000V，电帘除尘系统进入除尘阶段，自动进入除尘模式；如果仍然有部分灰尘颗粒无法被清除时，可将电压调至1600V高压档，除尘系统进入高效清洁模式，在高压状态下清除附着在电帘板表面的灰尘颗粒。

在另一个实施例中，所述电极204上还覆盖一层绝缘层202。目的是形成对电极204的保护，避免电极击穿等情况的发生。

在另一个实施例中，所述绝缘层202的厚度为0.05mm-0.2mm。

在另一个实施例中，所述的绝缘层202上覆盖了一层具有微纳结构的超疏层203，所述超疏层203的厚度为200nm-400nm。由于超疏层203大大降低了表面能，降低了表面吸附力，因而更有利于除尘。

在另一个实施例中，所述超疏层203的微纳结构采用多孔、凸起或者绒毛。

工作时，各移动周期内形成相同的三相行波电场，电场内的微尘颗粒受粘附力、电场力、介电泳力和重力等的共同作用，从一个移动周期移动至另一个移动周期，直到被移除电帘板表面。下面对微尘颗粒在移除过程中的具体受力进行分析：

(2)运动模式分析；

灰尘颗粒在三相行波电场中的运动模式有四种：表面模式、弹跳模式、螺旋运动模式以及持续运动模式。表面运动模式的颗粒运动时，在电帘表面缓慢滑动或滚动，定向移动较慢；弹跳模式的灰尘颗粒在电帘表面发生间歇性的弹跳，在弹跳的过程中逐渐迁移，最终移除电帘板表面；螺旋运动模式的灰尘颗粒在电场作用下起跳后，悬浮于电帘板上空，并且呈螺旋式的缓慢迁移，最终移除电帘板表面；持续移动模式的灰尘颗粒在电场作用下，起跳并悬浮于电帘板上空，然后沿水平方向持续定向前移，直至移除电帘板表面。对比四种运动模式可知：持续移动模式最有利于灰尘的清除，因此，设计三相行波电帘时，可以根据使灰尘颗粒满足持续移动模式的条件进行电极参数设计和优化。所以，设计过程中，首先应推导出灰尘颗粒在行波电场中以持续移动模式运动的条件，然后根据持续运动的条件进行参数优化设计。

(2)持续运动模式下的受力分析；

由于灰尘颗粒起跳前要受粘附力的作用，起跳后粘附力消失，同时，空气阻力出现，因此，可将灰尘颗粒的受力和运动分为起跳阶段和水平运动阶段分别进行分析。起跳阶段灰尘颗粒受粘附力、电场力、介电泳力和重力的作用。水平运动阶段灰尘颗粒受电场力、介电泳力、重力和空气阻力的作用。除尘时，使灰尘颗粒在竖直方向上起跳并悬浮于电帘板上空，同时沿水平方向定向移动是成功移除微尘颗粒的一种有效方式。因此可将灰尘颗粒的受力分解到x、y方向分别进行分析。

A、起跳阶段的受力和运动分析：灰尘颗粒在起跳阶段的受力分解到x、y方向，表示为：

式中：Fx、Fy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力，ax，ay分别为x、y方向的加速度，m为微尘颗粒的质量，Ex、Ey分别为电场在x、y方向的电场强度，ε0为自由空间介电常数，εr为灰尘介电常数，r为灰尘平均半径，FVDW为粘附力。

由于灰尘颗粒要想顺利起跳，必须满足y方向的加速度ay＞0，利用MATLAB仿真可求出输入电压必须满足：U≥350V。

B、起跳后的灰尘颗粒在水平移动阶段的受力分解到x、y方向，x方向受力表示为：

y方向受力表示为：

边界条件为：

式中，Fxx，Fyy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力；fair_x，fair_y分别为空气阻力在x、y方向的分量；Vx，Vy分别为x、y方向的速度；η为空气的粘度系数；Fqx，Fqy分别为库仑力在x、y方向的分量；Fdepx，Fdepy分别为介电泳力在x、y方向的分量，axx，ayy分别为x、y方向的加速度。

灰尘颗粒要想保持以持续移动模式运动，必须满足：①、起跳后的颗粒要保持悬浮于电帘板上空，即ay＞0；②、起跳后的颗粒要获得与行波速度相适应的水平速度，使微尘能够持续向前移动。在一个电帘周期内，只有处于2个可移动区域(宽度分别记为：Sact1和Sact2)内的灰尘颗粒才能满足持续向前移动的条件，但随着时间的推移，其他区域内的灰尘颗粒将随着行波电场的移动而相继发生起跳和水平移动，最终实现整个区域内的起跳和水平移动。根据以上分析，可求出灰尘颗粒持续向前移动的条件为：

式中：Sact表示可移动区域的宽度；axx表示x方向的加速；f为三相交流电的频率；λ为电帘周期；d为灰尘颗粒的直径。仿真求得：Sact1＝0.46mm，Sact2＝0.45mm，axx＞72m/s²。

电帘参数的优化设计：电帘电极的宽度a和间距b的大小直接影响电极间的电场分布，从而影响微尘颗粒的受力和运动状态。定义有效比coe＝Sact/λ，即单位距离内的可移动区域的大小，有效比coe值越大越有利于灰尘的移除。因此，进行电帘参数优化设计时，可输入不同的电极参数a、b，以及电压U和频率f，分别计算其Sact和coe值，并根据实际灰尘直径分布情况，选择在Sact＞2d的情况下，取有效比coe值最大的参数设计电帘板即可，仿真计算得，电极宽度和电极间距相等且均在0.1mm-0.5mm时，有效比coe值越大，即除尘效果最好。

本发明还公开了一种三相行波电帘除尘系统的构建方法，包括如下过程：

a、建立灰尘被清除过程的运动模型：分起跳过程和悬空水平移动过程；

b、对起跳过程进行受力分析确定灰尘的起跳电压U；

c、对悬空水平移动过程进行受力分析确定电极参数，所述电极参数包括电极之间的间距和电极的宽度。

在另一个实施例中，所述步骤b具体包括如下过程：

b1、灰尘颗粒在起跳阶段的受力分解到x、y方向，表示为：

式中：Fx、Fy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力，ax，ay分别为x、y方向的加速度，m为微尘颗粒的质量，Ex、Ey分别为电场在x、y方向的电场强度，ε0为自由空间介电常数，εr为灰尘介电常数，r为灰尘平均半径，FVDW为粘附力；

b2、灰尘颗粒顺利起跳必须满足y方向的加速度大于零，即：

ay＞0…………………(5)

同时，起跳电压U与y方向的电场强度Ey满足如下关系：

U＝d×Ey…………………(6)

联立公式(2)、(4)、(5)和(6)求得灰尘起跳电压取值U。

在另一个实施例中，所述步骤c具体包括如下过程：

c1、起跳后的灰尘颗粒在水平移动阶段的受力分解到x、y方向，x方向受力表示为：

y方向受力表示为：

边界条件为：

式中，Fxx，Fyy分别为微尘颗粒在x、y方向的合力；fair_x，fair_y分别为空气阻力在x、y方向的分量；Vx，Vy分别为x、y方向的速度；η为空气的粘度系数；Fqx，Fqy分别为库仑力在x、y方向的分量；Fdepx，Fdepy分别为介电泳力在x、y方向的分量，axx，ayy分别为x、y方向的加速度。

c2、灰尘颗粒保持以持续移动模式运动，必须满足的条件是：

①、起跳后的颗粒要保持悬浮于电帘板上空，即

ay＞0 (10)；

②、灰尘颗粒持续向前移动的条件为：

式中：Sact表示可移动区域的宽度；axx表示x方向的加速；f为三相交流电的频率；λ为电帘周期；d为灰尘颗粒的直径。

c3、电帘电极参数的优化设计：定义有效比：

coe＝Sact/λ (12)

有效比coe即单位距离内的可移动区域的大小，有效比coe值越大越有利于灰尘的移除。联立方程(7)-(12)，求解当有效比coe值最大时，电极参数即电极宽度和电极间距的取值范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。