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文章导读

2024年5月，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的叶雄英教授课题组在《Advanced Science》发文，提出了一种太阳能板静电除尘模式，只需在太阳能板上设置一栅网电极，与太阳能板自身电极组成除尘单元，施加直流电压即可实现除尘；研制了驻极体发电机驱动的自供能太阳能板自主静电除尘系统，在微风驱动下实现了高效的除尘，具有结构简单、成本低、无需外部供能等优势。 

文章概述

全球气候变化是当今人类面临的重大挑战，使用可再生能源替代化石能源对减少碳排放至关重要。光伏发电作为重要的可再生能源面临着灰尘积累问题，影响其输出效率。如何实现光伏组件自清洁被列为中国电机工程学会2024年度电力领域重大问题难题。目前的太阳能板清洁主要依赖人工清洗，成本高且淡水消耗量大。自动清洁机器人和自清洁涂层等技术尚不成熟。因此，不依赖人力和水的太阳能板静电除尘技术具有应用潜力。然而，目前该技术面临着系统复杂度和成本高的挑战，尤其是系统需要施加高电压，特别是电帘相关技术，需要特定波形的交变电压，增加了电源的复杂性和成本。静电除尘过程中的能耗非常低，对电流、功率等没有特殊要求。因此，可以有效收集环境中的能量，轻松地产生数千伏高压的静电发电机在驱动静电除尘系统工作上极具潜力。

由于现有的静电除尘系统需要在太阳板板盖玻璃表面内嵌或制备电极、需要复杂的外部高压电源、以及需移动装置等，带来了结构复杂、成本高等问题。该研究团队利用提出了一种新型的太阳能板静电除尘模式，只需在太阳能板上设置一栅网电极，与盖玻璃下的太阳能板电极组成除尘单元，施加直流电压即可实现自主除尘，与已有的太阳能板静电除尘模式相比，大大简化了除尘的工作方式。该研究团队提出了绝缘玻璃上的灰尘颗粒在吸附水膜的帮助下在电场中荷电并被去除的机理，得益于灰尘颗粒和玻璃极好的亲水性，它们极易从环境中吸附水，在表面形成水膜。水膜中含有正负离子，在电场作用下分极聚积在灰尘颗粒和玻璃表面的水膜上，使颗粒荷电、受静电力作用从玻璃表面弹起。

接下来，设计了基于风力旋转驻极体发电机驱动的、太阳能板自供能自主静电除尘系统，由旋转双极性驻极体发电机、倍压整流电路和除尘单元三部分组成。发电机将环境中的风能转换为高压交流电，经倍压整流电路转换为高压直流后施加在除尘单元上，使灰尘颗粒荷电而被去除。在1.6 m/s的低风速下，15 cm直径的驻极体发电机可以驱动两个除尘单元同时工作，仅6.6 min便可清除干净两块面积为67 cm × 35 cm的太阳能板上的沙漠灰尘。而且70天的实验表明，除尘系统没有对太阳能板的输出产生影响。

该系统可以在很低风速下启动，工作在很宽的风速范围，可以灵活连接，基本无需维护。具有结构简单、除尘效果好、建设和维护成本低等优势，而且不影响太阳能板的长期稳定输出。非常适合用于人烟稀少、沙尘积累严重的沙漠地带的光伏电站的除尘应用。

该成果以《Self-Powered Autonomous Electrostatic Dust Removal for Solar Panels by an Electret Generator》为题发表在《Advanced Science》上。清华大学精密仪器系博士研究生丁荣为本文的第一作者。曹泽元博士，叶雄英教授为本文共同通讯作者。

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https://doi.org/10.1002/advs.202401689