能监测沙尘与自动清洁的太阳能电池板保护装置

有一次，我和妈妈去青海塔拉滩游玩，参观了龙羊峡水光互补光伏电站。这里的定日镜场有30 000多面定日镜，每面镜子都能自动追随太阳而转动，将光聚合到中间的塔上。

不过，听工作人员介绍，这里曾是沙漠戈壁，沙尘较多，太阳能电池板常常被沙尘覆盖，不仅影响太阳能电池板的光电转换效率，还会导致太阳能电池板过热，甚至损坏太阳能电池板。

通过查阅资料我了解到，传统的太阳能电池板维护通常采用人工清洗或用高压水枪冲洗的方法，这些方法不仅劳动强度大，而且用水量大，不适合干旱地区。此外，频繁进行人工清洗也会增加维护成本，降低太阳能发电的经济性。

针对这些情况，我思考：如果设计出沙尘监测与自动清洁于一体的太阳能电池板保护装置，能否有效地解决这些问题呢？

一、设计思路

通过集成PM2.5传感器实时监测沙尘浓度。这种粉尘传感器中有一个孔，空气可以自由流通。传感器内部安装红外发光二极管和光电晶体管，红外发光二极管定向发送红外线，当被空气中的颗粒物阻挡时，红外线发生漫反射，信号输出引脚电压随之变化。

把PM2.5传感器放在太阳能电池板周围，将纸片或小木棍插入传感器孔内，模拟沙尘覆盖时的情况。当传感器监测到沙尘浓度超标时，先停止工作，然后单片机智能控制系统启动振动马达模块，通过机械振动的方式清除太阳能电池板上的沙尘，有效恢复太阳能电池板的光电转换效率。

二、设计制作

首先，连接PM2.5传感器和Arduino Nano单片机扩展板，接着连接振动马达与Arduino Nano单片机扩展板，最后连接LED灯与Arduino Nano单片机扩展板。用米思齐软件编程，确认程序编译正确后进行烧录。

程序运行后先进行初始化设置，确保各个组件能正常工作。接着，PM2.5传感器实时监测周围的沙尘浓度，当监测到沙尘浓度过高时，装置让太阳能电池板停止运行，并熄灭LED灯，提示用户当前太阳能电池板处于非工作状态。与此同时，装置将持续工作，直至监测到沙尘浓度降低到正常值。

一旦沙尘浓度处于安全范围，装置先启动振动除尘功能，在完成清洁操作后，重新启动太阳能电池板工作，LED灯亮起，表示太阳能电池板恢复正常运行。

三、效果测试

连接电池盒与主控板供电线，硬件设备初始化默认沙尘浓度为正常值。LED灯亮起，表示太阳能电池板正常工作，PM2.5传感器持续监测沙尘浓度。

拿一根线或小棍子插入PM2.5传感器孔内持续1.5 s，装置判定沙尘浓度过高，让太阳能电池板停止工作（具体表现为LED灯熄灭）。

抽出线或棍子，持续一段时间后装置判定沙尘浓度低，太阳能电池板可以正常工作。这时，装置中的振动马达先给太阳能电池板振动除尘，之后太阳能电池板开始正常工作，具体表现为LED灯亮起。同时，还设置了人工除尘模式，当工作人员认为电池板表面沙尘浓度过高时，可按下红色按钮，启动振动马达除尘。

四、创新点

本装置通过集成PM2.5传感器实时监测沙尘浓度，利用单片机自动清洁，不仅提高了清洁的智能化和准确性，还方便对太阳能电池板进行维护。该装置能减少水资源的浪费，特别适用于水资源短缺的地区。

应用本装置能减少对人工清洁的需求，以及因人工操作不当可能引发的安全隐患，能提高太阳能电池板的安全性和可靠性。

五、进一步完善

提高PM2.5传感器的灵敏度，使其更准确地判断沙尘浓度，提高清洁效率；增强装置的耐用性；让装置更智能化，例如加入环境湿度监测功能、优化振动清洁的时机和强度等。（指导老师：赵丽丽）

专家点评

侯冠宇同学的能监测沙尘与自动清洁的太阳能电池板保护装置，是一件涉及光伏产业的创客作品。这项作品的完成，充分体现了作者具有良好的创新意识及对相关技术的学习和应用能力。

有研究表明，利用太阳能的最佳方式是光伏转换，即利用光伏效应使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电，而光伏产业就是以硅材料的应用开发形成的光电转换产业链条的总称，包括高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。

我国76%的国土光照充沛，光能资源分布较均匀。与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声污染，应用技术成熟，安全可靠。同学们在中学阶段开展这方面的尝试或探究，可为成长为这方面的拔尖科创人才打下坚实基础。