一种结合超声波和超疏水的光伏除雪装置及方法

本发明涉及光伏除雪，尤其涉及一种结合超声波和超疏水的光伏除雪装置及方法。

背景技术：

1、光伏发电是通过光电效应或者光化学效应，将太阳辐射能直接或间接转化为电能的发电方式，是一种安全、可再生的清洁能源。因光伏板需安置在光能充足的地区，且对环境有一定要求。部分地区降雪较多，积雪对光伏发电效率和系统安全有着较大危害。现有的除雪方法如人工扫雪，容易对光伏板表面产生损伤。在降雪量较大时，频繁除雪将增加人力成本。因此探索有效的除雪方法势在必行。

2、超疏水表面是一种接触角大于150度、滚动角小于10度的表面，可产生典型的“荷叶效应”，能够起到防水、防尘、自洁、防雪（易除雪）的作用。经喷涂超疏水涂料后，光伏板表面可形成一层透明超疏水薄膜，从而不影响光伏板对太阳光照的接收。

3、超声波除雪/冰凭借其应力集中、耗能较少等优点，近年来收到广泛关注。由于超声波的空化效应、机械效应、热效应等特性，积雪可在高频震动下被振落，从而可被有效脱除。超声波的具体产生过程概括为如下：超声波发生器产生高频交流电信号，将其发送给压电换能器。由于逆压电效应，压电换能器将上述高频交流电信号转化为超声波信号，产生高频超声振动，从而将积雪振落。

技术实现思路

1、本专利的目的在于解决上述问题，提供一种结合超声波和超疏水的光伏除雪装置及方法，拟解决现有除雪技术中除雪效率低、易损伤光伏板等缺点。

2、本专利解决其技术问题所采取的技术方案是：

3、一种结合超声波和超疏水的光伏除雪装置及方法，包括倾斜设置的光伏板，所述光伏板上设有超疏水涂层、监测控制系统和超声振动系统，底部设有支撑架。

4、超疏水涂层附着在光伏板表面，其表面上积雪霜层较为松散，方便脱除。

5、监测控制系统包括重力传感器和调节控制器。重力传感器置于光伏板的底部，用于识别、监测板面积雪重量，调节控制器用于控制支撑架调整板面倾角以及超声振动系统的启动。

6、超声振动系统包括超声波发生器和压电换能器。超声波发生器由直流电源供能，压电换能器主要由均匀分布于光伏板背部的压电陶瓷片组成，且以并联形式与超声波发生器连接。

7、调节控制器与重力传感器、超声波发生器和支撑架连接。

8、支撑架用于安置光伏板，可调节倾斜角度使板面松散积雪滑落。

9、可选地，所述结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其中所述超疏水涂料被喷涂附着于光伏板上，形成超疏水涂层。其具有复杂的微纳复合结构，可使得积雪霜层较为松散，更容易受重力作用从表面滑落脱除。且超疏水结构可使积雪霜层与板面的附着力减小，施加超声波后残余积雪更易被振落，大大提高了除雪效率。

10、可选地，所述结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其中所述重力传感器用于识别、监测光伏板上的积雪量，获取积雪信息。当重力传感器识别到积雪量达到设定的重量阈值，调节控制器将控制支撑架的伸缩，以增加光伏板倾斜角度，支撑架在达到一定倾斜角度后停止，使得积雪表面较为松散的霜层在重力作用下从光伏板上自然滑落，以减轻后续超声除雪的负担，从而减少耗能。

11、可选地，所述结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其中所述调节控制器根据重力传感器传回的积雪信息，控制支撑架的伸缩、超声振动系统的启动。

12、可选地，所述结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其中所述超声波发生器在收到调节控制器发出的指令后，超声波发生器的振荡器产生高频交流电信号，通过导线传输给压电换能器。压电换能器主要由均匀分布于光伏板背部的压电陶瓷片组成，且以并联形式与超声波发生器连接。压电换能器将上述高频交流电信号进行转换，通过逆压电效应产生频率为20khz的超声波。在高频率的超声振动下，光伏板上的残余积雪可被有效振落，从而被脱除。

13、可选地，所述结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其中所述支撑架用于固定安置光伏板，以便倾斜时光伏板不会掉落。

14、可选地，所述结合超声波和超疏水的光伏除雪方法，包括如下步骤：

15、步骤1、给调节控制器设置积雪的重量阈值和重量变化幅值。

16、步骤2、当板上积雪重量达到重量阈值，调节控制器控制支撑架上的光伏板增大倾斜角度，使松散积雪滑落。

17、步骤3、当重力传感器识别到松散积雪滑落完毕（积雪重量变化小于重量变化幅值）。调节控制器控制超声振动系统启动，超声波发生器产生高频交流电信号并将其发送给压电换能器，压电换能器（压电陶瓷片）产生高频超声振动，脱除残余积雪，提高除雪效率。

18、步骤1中的重量变化幅值根据降雪快慢，结合实际情况设定。

19、步骤2中，光伏板倾角增大，有以下好处：1、可使得较为松散的积雪快速滑落，减轻后续超声除雪的负担，降低能耗；2、增大倾角有助于减缓松散积雪滑落期间降雪的沉积；3、在倾角较大的情况下，施加超声波后更有利于残余积雪从表面脱落而不落回表面，从而提高除雪效率。

20、本发明具有如下有益效果：

21、1、本发明专利通过重力传感器传回的实时积雪信息来进行除雪，具备自动识别、智能调控的功能，且可根据具体降雪场景调节，适应力强，实用性好。

22、2、本发明专利结合超疏水的应用，凭借其表面异构低粘附力的特性，可在倾斜板面的过程依靠重力作用就除去部分积雪。此外，超声振动下超疏水表面的残余积雪也更易被脱除。

23、3、本发明专利结合超声波的应用，通过压电陶瓷片产生的高频振动来脱除积雪。由于超声作用时间短，可大大缩短除霜周期，且耗能较低，有效提高了除霜效率。

技术特征：

1.一种结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：包括倾斜设置的光伏板，所述光伏板上设有超疏水涂层、监测控制系统和超声振动系统，底部设有支撑架；

2.根据权利要求1所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：超疏水涂料被喷涂附着于光伏板上，形成超疏水涂层。

3.根据权利要求1所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：重力传感器用于识别、监测光伏板上的积雪量，获取积雪信息；当重力传感器识别到积雪量达到设定的重量阈值，调节控制器将控制支撑架的伸缩，以增加光伏板倾斜角度，支撑架在达到一定倾斜角度后停止，使得积雪表面较为松散的霜层在重力作用下从光伏板上自然滑落。

4.根据权利要求1所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：调节控制器用于控制支撑架、超声波发生器，根据重力传感器传回的积雪信息，通过控制支撑架的伸缩来增大光伏板倾斜角度；在重力传感器识别到松散积雪滑落完毕后，调节控制器将控制超声振动系统启动，脱除残余积雪。

5.根据权利要求1所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：超声波发生器在收到调节控制器发出的指令后，超声波发生器的振荡器可产生高频交流电信号，并通过导线传输给压电换能器；压电换能器接收到电信号后产生高频振动以脱除残余积雪。

6.根据权利要求1所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：压电换能器将高频交流电信号进行转换，通过逆压电效应产生预设频率的超声波，在高频率的超声振动下，光伏板上的残余积雪可被振落，从而被脱除。

7.根据权利要求6所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：超声波频率设定在20khz。

8.根据权利要求1所述的结合超声波和超疏水的光伏除雪装置，其特征在于：支撑架用于固定安放光伏板，使得光伏板在倾斜时不会掉落；调节控制器在重力传感器识别到积雪量达到设定的重量阈值后，将控制调节支撑架，以实现光伏板倾斜角度增大，使松散积雪滑落。

9.一种结合超声波和超疏水的光伏除雪方法，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种结合超声波和超疏水的光伏除雪装置及方法，包括超疏水涂层、监测控制系统、超声振动系统、支撑架。超疏水涂层附着在光伏板表面。监测控制系统包括重力传感器和调节控制器。超声振动系统包括超声波发生器、压电换能器。本发明通过重力传感器传回的实时积雪信息来进行除雪，具备自动识别、智能调控的功能，且可根据具体降雪场景调节，适应力强，实用性好。结合超疏水的应用，凭借其表面异构低粘附力的特性，可在倾斜板面的过程依靠重力作用就除去部分积雪。结合超声波的应用，通过压电陶瓷片产生的高频振动来脱除积雪。由于超声作用时间短，可大大缩短除霜周期，且耗能较低，有效提高了除霜效率。

技术研发人员：戴容江,李栋,商雨禾,陆唯彦,唐鹏,王鑫
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24