用于使用电动屏障的自清洁太阳能电池板的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年9月11日提交的第62/557,070号美国临时专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用明确地并入本文。

本公开大致涉及用于清洁太阳能电池板的设备。更具体地，本公开涉及使用电动屏障的自清洁太阳能电池板的系统和方法。

背景技术：

在可再生能源领域中，使用太阳能电池板的太阳能发电已获得了广泛关注和增加的采用。现有太阳能电池板的主要挑战是由于灰尘和其它颗粒覆盖太阳能电池板而导致的输出功率的降低。太阳能电池板上的灰尘沉积可显著降低功率输出。减轻这个问题的标准方法是机械地清洁太阳能电池板，这需要使用水和人工劳动、或水和非常昂贵和容易出错的机器人。新兴的方法包括将疏水涂层或亲水涂层施加至太阳能电池板的玻璃表面上，以及使用机器人自动手动清洁。然而，反复的机械清洁会损坏太阳能电池板的玻璃表面，同时需要大量的水，而水在沙漠地区是一种稀缺商品。

进一步的方法包括使用电动屏障或“eds”。eds通过电极产生电场，该电场使太阳能电池板上的灰尘颗粒经受静电力，并被太阳能电池板排斥。为了解决在月球和火星上运行的车辆的太阳能电池板上的灰尘积聚问题，使用eds已经引起了人们的兴趣。在月球的情况下，低重力、零磁场和硬真空环境允许eds排斥灰尘颗粒。然而，由于地球的湿度水平和当前使用的电极材料的低透明度，在其当前实施方式中的eds技术对于地面应用不实用。具体地说，由于湿气层的阻力，例如介电泳力、粘附力等，任何凝结在太阳能电池板表面上的湿气层都将屏蔽电场，并且也用作灰尘颗粒的捕集器。另外，利用当前的eds系统，颗粒保留在电极边缘附近和电极顶部的中间位置。这些剩余的颗粒很难从太阳能电池板上排斥，即使具有额外的电场激励。湿气和灰尘的组合还会引起形成高粘性的灰尘“饼”，这不可能通过当前的eds系统去除。

因此，在此公开的系统和方法通过设置用于自清洁的系统和方法来解决这些需求和其它需求，该系统和方法不需要水清洁或机械清洁，并且解决了上述湿气层问题。具体地说，在此公开的系统和方法利用控制水吸附的新颖的电极和绝缘体配置以及利用改进清洁效率并要求最小功耗的新颖的电脉冲发生器来解决这些需求和其它需求。

技术实现要素：

本公开涉及使用电动屏障的自清洁太阳能电池板的系统和方法。该系统包括电动屏障(“eds”)，其包括一组或多组电极、在电极上的保护膜、在保护膜顶上的涂层、以及在电极下方的衬底。电极和保护膜成形和设置为控制在电动屏障的表面上的水吸附。基底可为太阳能电池板的低铁钠钙玻璃盖，其是用于eds应用的最合适类型的玻璃之一。脉冲信号发生器可产生给一个或多个电极组供电的脉冲信号。脉冲信号包括在连续信号之间具有相位差的多个不同的脉冲信号。脉冲信号可包括不同的波形、振幅和频率。如果需要，可通过前沿脉冲和后沿脉冲来增强脉冲信号。初始脉冲可提供可测量的力增加，以克服固定灰尘颗粒的静摩擦和惯性，并通过减小后续脉冲的振幅来减小消耗的净功率。可针对特定类型的灰尘来调节脉冲的组合。当连接至单个电极组时，脉冲信号发生器使用驻波信号模式产生电场。当连接至多个电极组时，脉冲信号发生器使用行波信号模式产生电场。通过给一个或多个电极组供电，eds产生电场，该电场使涂层上的灰尘颗粒经受显著的静电力。与重力结合的静电力使得灰尘颗粒被排斥离开太阳能电池板。脉冲序列与顶部涂层的疏水特性相结合，从太阳能电池板上的灰尘饼中使尘粒松散，灰尘饼是由于湿气的存在而形成的。因此，在本发明中描述的eds可清洁暴露于不同类型的灰尘和环境条件的太阳能电池板。

附图说明

从以下结合附图对本发明的详细描述中，本发明的上述特征将显而易见，在附图中：

图1是示出本公开的整个系统的视图；

图2-图3是示出与太阳能电池板集成在一起的本公开的电动屏障(electrodynamicshield,eds)的视图；

图4是示出布置成两组并连接至脉冲信号发生器的eds的电极的示例的视图；

图5是示出图4的eds的剖视图的视图，包括连接至产生单个驻波脉冲信号的脉冲信号发生器的两组电极；

图6是示出布置成四组并连接至脉冲信号发生器的eds的电极的示例的视图；

图7示出了图6的eds的剖视图，包括连接至脉冲单发生器的四组电极，该脉冲单发生器通过四个单独的脉冲信号产生行波图案；

图8是本公开的脉冲信号发生器的示意性电路图；

图9是示出由系统产生的四个不同脉冲信号的视图，其中每个脉冲信号均为移位90°同相信号；

图10是四个不同脉冲信号的示波器轨迹的照片；

图11a-图11b是示出从eds的表面去除的灰尘颗粒的视图；

图12是示出由本公开的系统执行的处理步骤的流程图；

图13是示出具有功率优化器的盖、固定基座、旁路连接器和用于标准接线盒的盖的视图；

图14是脉冲信号发生器的电路实现的照片；以及

图15是显示进行测试的各种类型的灰尘的图。

具体实施方式

本公开涉及用于使用电动屏障的自清洁太阳能电池板的系统和方法，如下面结合图1-图15详细描述的。

首先，应注意的是，下面将参考太阳能电池板来讨论该系统和方法。然而，应注意的是，本公开的系统和方法可用于任何系统，包括但不限于窗户、车辆表面、车辆挡风玻璃、光学装置等，使得电动屏障允许自动清洁这种物体。

图1是示出整个系统的视图，该系统整体用10表示(以下称为“电动屏障10”或“eds10”。电动屏障10包括一个或多个电极12、保护膜14、涂层16和衬底18。电极12可嵌入保护膜14内。保护膜由防止电极击穿的材料制成。在一个实例中，保护膜14是透明且高介电的二氧化硅(“sio2”)。sio2在高电压下防止电极12之间击穿。另外，sio2保护电极12免受环境和环境因素的影响。具体地，sio2的性质允许耐刮擦性、耐湿性、高透明度等。本领域技术人员将会理解的是，如果需要，可使用其它材料作为保护膜14，并且可以提供附加的或不同的益处。

eds10产生电场，该电场使一个或多个灰尘颗粒20经受具有两个矢量分量方向fx和fy的静电力，并被eds10排斥。连续作用在灰尘颗粒20上的重力g协助灰尘颗粒20以所产生的颗粒轨迹t朝向地面移动。

在第一实例中，电极12由透明氧化铟锡(“ito”)制成。ito是透明材料，具有优异的透明性、导电性和耐久性。ito的透明度可达到90％以上。在第二实例中，电极12由掺杂氟的氧化锡(“fto”)制成。fto是一种透明的导电氧化物(“tco”)，其性质与ito相当。本领域技术人员应了解的是，如果需要，可使用其它透明材料来制造电极，且可提供额外的或不同的益处。

在一个实例中，电极12的宽度在0.1微米至100微米("μm")的范围内，以及电极间间隔在0.1μm至100μm的范围内。应注意的是，这些范围仅用作实例，且可使用其它范围。在另一实例中，电极的宽度在10μm至400μm的范围内，以及电极间的间隔在10μm至800μm的范围内。电极的几何形状取决于要清洁的灰尘的类型。对于不同类型的灰尘，效率取决于不同的电极间间隔和电极形状。电极的效率基于电极的薄层电阻和透明度之间的平衡。

光学透明涂层16施加至保护膜14的顶表面上。涂层16具有一种或多种材料特性，包括但不限于抗反射特性、疏水特性等。材料特性允许涂层在不同条件下有效地起作用，例如，高相对湿度。这样，涂层16使得能够在高湿度区域中施加eds10。可改变涂层16的表面拓扑结构以捕获内部的光，并防止由于反射而导致的光损失。本领域技术人员将理解如何根据适用区域中的灰尘条件来调整表面拓扑。

衬底18可为刚性衬底和/或柔性衬底。柔性基底可包括诸如乙烯乙酸乙烯酯("eva")膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯("pet")膜、聚四氟乙烯("ptfe")膜等的柔性聚合物基底。刚性衬底可包括刚性低铁钠钙玻璃衬底、太阳能电池板、窗户、汽车挡风玻璃、光学装置和其它衬底。

eds10与太阳能电池板集成在一起。在一个实例中，eds10可集成为太阳能电池板的顶层。然而，本领域技术人员将理解如何将eds10集成为太阳能电池板的任何层。图2是示出与结晶太阳能电池板(“csp”)22集成在一起的eds10的视图。图3是示出与薄膜太阳能电池板(“tfsp”)24集成在一起的eds10的视图。应理解的是，csp和tfsp仅为太阳能电池板的示例，并且eds10可与任何类型的太阳能电池板集成在一起。还应理解的是，eds10不限于仅与太阳能电池板一起使用，并且还可与其它应用一起使用，例如但不限于窗户、车辆表面、车辆挡风玻璃、光学装置等。

电极12分组为一组或多组电极。该一组或多组电极可组织成不同的配置，并连接至脉冲信号发生器。根据该布置，可在电极组中产生不同的波形。图4是示出布置成两组32、34并连接至脉冲信号发生器36的电极的第一示例的视图。来自脉冲信号发生器36的脉冲信号38为两组电极32、34供电，并产生驻波脉冲信号。更具体地，脉冲信号38对两组电极32、34供电以产生电场，该电场将对灰尘颗粒20充电，并使灰尘颗粒20从eds10的表面浮起(例如，排斥)。应理解的是，太阳能电池板通常以倾斜角(例如，25°-30°)安装，以及重力将协助使悬浮的灰尘颗粒10从eds10的表面滑出。

图5是示出图4的eds10的剖视图的视图，eds10连接至用于产生单个驻波脉冲信号的脉冲信号发生器36。eds10还包括在最顶部表面上的涂层16、用于防止电极12发生电击穿的保护膜14、以及衬底18(例如，太阳能电池板的低铁钠钙玻璃覆盖衬底)。

图6是示出布置成连接至脉冲信号发生器36的四组42、44、46、48的电极的第二示例的视图。来自脉冲信号发生器36的脉冲信号给四组电极42、44、46、48供电并产生行波图案。更具体地，脉冲信号用四个单独的脉冲信号52、54、56、58为四组电极42、44、46、48供电。该四个分离的脉冲信号52、54、56、58在连续信号之间具有90°的相位差。这种形式的电极布置(四组电极和行波图案)将使灰尘颗粒20向eds10表面的边缘滑动并到达地面。

图7是示出图6的eds10的剖视图的附图，该eds10连接至脉冲单发生器36，该脉冲单发生器36通过四个单独的脉冲信号52、54、56、58产生行波图案。应理解的是，由脉冲信号发生器产生驻波和行波仅仅作为示例，并且贯穿本公开讨论的系统、方法和实施方式可产生和使用其它波，例如但不限于三角波、正弦波、锯齿波等。

图8是脉冲信号发生器36的示意性电路图。具体而言，该示意图示出了脉冲信号发生器36产生四个不同的脉冲信号52、54、56、58，脉冲信号52、54、56、58在连续信号之间具有90°的相位差。如图4所示，当连接至单个电极组(例如，电极组32)时，脉冲信号发生器36将使用驻波信号模式产生电场。如图6所示，当连接至四个电极组42、44、46、48时，脉冲信号发生器36将使用行波信号模式产生电场。该电路包括dc电源(“dcps”)60、脉冲单元62和四对功率开关晶体管66、68、70和72，它们也可用作脉冲单元62的光隔离器。dcps直接从太阳能电池板获取功率作为输入74。脉冲单元是向晶体管提供命令的计算模块。每对功率开关晶体管均具有切换正电压(“pv”)的晶体管，并且另一晶体管用于切换负电压(“nv”)。脉冲信号38可为方波，该方波的每个信号的振幅高达某个电压。例如，脉冲信号38可以是每个信号的振幅高达1500v的方波。图9是示出不同的脉冲信号52、54、56和58的视图，其中每个脉冲信号与连续信号相比均在相位上移位90°。图10是四个不同脉冲信号52、54、56和58的照片。

回到图8，电极组由脉冲信号38或52、54、56和58供电。脉冲信号在涂层16的表面上产生电场，并从太阳能电池板的表面去除颗粒。当连接至电极组的不同布置时，脉冲信号将通过不同的方法去除颗粒。另外，如图5所示，包括两组电极32、34的布置的eds10将使灰尘颗粒以跳跃的方式浮离eds10的表面，并且灰尘颗粒将在重力的帮助下到达地面。如图7所示，包括四组电极42、44、46、48的布置的eds10使灰尘颗粒以行进方式朝向面板的边缘滑动，并且灰尘颗粒将落在地面上。这消除了或大大减少了对重力辅助的需求。以这种方式，也可清洁垂直于重力的衬底表面。

脉冲信号发生器36可调整脉冲信号的信号参数。信号参数包括信号的振幅、信号的频率等。清洁灰尘颗粒20所需的信号的振幅和信号的频率由灰尘颗粒20的特性确定，例如但不限于灰尘颗粒尺寸、灰尘颗粒化学成分和灰尘颗粒表面电荷密度。调节信号参数调节电场强度，其从eds10的表面去除灰尘颗粒。具体地，基于脉冲信号的振幅调节电场强度，并且基于脉冲信号的频率调节颗粒充电和去除过程。在一个实例中，振幅在400伏特-1000伏特之间的范围内，以及频率在30hz至100hz的范围内。应理解的是，也可使用其它范围。图11a-图11b示出了从eds10的表面去除的灰尘颗粒。

应理解的是，移动灰尘颗粒的静电力随着灰尘颗粒尺寸的增大而增大，并且对于小尺寸的灰尘颗粒来说非常弱，这使得去除超细颗粒变得困难。因此，在接通静电力之前，灰尘颗粒尺寸需要通过堆积而生长。作用在尘粒上的静电力主要取决于尘粒的尺寸和电场大小的平方的梯度。在一个实例中，增加作用在尘粒上的静电力通过增强电场的强度来改善电场振幅的平方的梯度。电场强度可通过集成具有较小尺寸的微电极来实现，结果，低电压强，使得可控制的颗粒尺寸的范围逐渐扩大。

还应该理解的是，为了更好的效率，灰尘颗粒的尺寸应小于电极间的间隔。电极12的宽度和电极间的间隔应在最小灰尘颗粒的尺度上。因此，对于5μm-100μm范围内的细灰尘颗粒，以10μm-100μm范围内的较小电极宽度和电极间间隔构造的eds10会更有效。

除了减小电极间隙之外，绝缘微结构还可增强电场的强度。与传统的电极暴露装置相比，可使用外部电极来产生均匀的电场，并且可将绝缘微结构嵌入到微通道中以挤压电场。由此，产生具有局部最大值的高电场梯度。高电场梯度的优点在于，该结构是机械坚固的和化学惰性的，并且可施加非常高的电场，而不会在stp下以3v/um发生空气击穿放电或电弧放电。当传统的基于电极的装置使用小振幅ac信号时，高振幅dc电压脉冲可直接施加至块以挤压电场，从而操纵电场梯度，以具有与衬底平行的分量，而不是与衬底垂直。

位于沙漠地区的典型太阳能发电厂中的灰尘沉积速率为每天0.3-0.5g/m²。沉积的灰尘阻碍光到达太阳能电池板上的一个或多个太阳能电池。可通过添加响应到达太阳能电池的光的损失的传感器来进行灰尘的自动除尘。可对包括传感器的激活系统进行编程，以便当传感器检测到到达太阳能电池板的光强度的预定下降时，激活脉冲信号发生器36，并将少量功率从太阳能电池引导至脉冲信号发生器36以产生脉冲信号。

图12是示出由本公开的系统执行的过程步骤的流程图，该过程步骤大体指示为方法80。在步骤82中，该系统确定第一光强度，其中第一光强度是到达太阳能电池的光量。在步骤84中，该系统确定第一光强度是否低于第一预定阈值。当第一光强度不低于第一预定阈值时，该系统进行至步骤82，以再次确定第一光强度。该系统可再次立即或在预定时间延迟之后确定第一光强度。当第一光强度低于第一预定阈值时，该系统进行至步骤86，在该步骤中该系统激活eds10。如上所述，eds10在涂层16的表面上产生电场，并从太阳能电池板的表面去除灰尘颗粒。在步骤88中，该系统确定第二光强度。在步骤90中，该系统确定第二光强度是否低于第二预定阈值。第二预定阈值可具有与第一预定阈值相同的值或不同的值。当第二光强度低于预定阈值时，该系统进行至步骤88，并且再次确定第二光强度。该系统可再次立即或在预定时间延迟之后确定第二光强度。当第二光强度不再低于第二预定阈值时，该系统进行至步骤92，在步骤92，该系统停用eds10。

应注意的是，可通过使用驻波脉冲信号或行波脉冲信号来激活电极12。在制造过程期间，新一代太阳能模块可选地与功率优化器集成。用于激活电极的电路可在太阳能电池板的制造过程中以很少的附加步骤结合至现有的功率优化器装置中。

功率优化器具有改变电压或电流以减少系统损耗的能力，并且具有类似的电子功能，其可扩展以结合图8中的控制。其它设备是串逆变器和微型逆变器。逆变器将太阳能电池板产生的直流(“dc”)能量转换为可用的交流(“ac”)能量。微逆变器和功率优化器通常统称为模块级功率电子器件或mlpe。随着mlpe技术成本的下降，它们的普及和市场份额迅速增加。

功率优化器位于每个面板上，通常集成到面板本身中。然而，代替在面板位置将dc电转换为ac电，调节dc电，能量损失被优化,并被发送至串逆变器或中央逆变器。这种方法导致比单独的串逆变器更高的系统效率。它还减少了单独的或分段的面板遮挡对系统性能的影响，并提供了面板性能监控。

ac/dc转换器可由安装者连接至每个太阳能电池板或由模块制造商嵌入，代替传统的太阳能接线盒。这样，图8所示的电路可直接集成到用于较新的太阳能电池板的功率优化器中，或集成到用于常规太阳能电池板的接线盒中。将电路集成到已嵌入太阳能电池板背面的接线盒外壳和功率优化器中也将提供对水和灰尘侵入的保护。另外，接线盒通常是ip67认证的，这确保了即使在恶劣条件下，例如尘暴、高温和高湿度下的安全操作。图13是示出具有功率优化器的盖102、固定基座104、旁路连接器106和用于标准接线盒的盖108的视图。如上所述，图8所示的电路可直接集成到功率优化器102或固定基座104中，并由标准接线盒盖108覆盖。

图14是示出脉冲信号发生器的电路实现的照片。如图所示，图14包括变压器、桥式整流器114、微控制器板116、以及在试验电路板118上的多个集成电路和分立组件。可将电路实现集成到图13的功率优化器102或固定基座104中。

图15是显示用于测试的各种类型的灰尘的照片，包括：无孔矿物灰尘、多孔矿物灰尘、疏水性有机灰尘和亲水性有机灰尘。已发现的是，不同类型的灰尘需要脉冲信号的振幅、相移和频率的不同组合。具有疏水特性的涂层16乃至有助于eds10清洁吸湿性最大的灰尘。

因而，已详细地描述了系统和方法，应理解的是，前面的描述不是要限制其精神或范围。应理解的是，在此描述的本公开的实施方式仅仅是示例性的，以及本领域技术人员可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行任何变化和修改。所有这些变化和修改，包括上面讨论的那些，都旨在包括于本公开的范围内。在下面的权利要求书中阐述了由专利证书保护的内容。