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基于行波电场理论的微尘颗粒输运机理与电帘除尘研究

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太阳能清洁高效，开发应用前景广阔。然而，维持光伏系统发电效率必须解决太阳能电池板表面积灰问题，灰尘被业界称为影响太阳能发电效率的“第一杀手”。积灰问题导致我国每年在光伏发电领域损失至少数亿元人民币，已引起科研人员的高度关注。现有的人工清洗法和机械清洗法成本高、且需耗费大量水资源和人力资源，而沙漠地区水资源和人力资源均严重不足。电帘技术（Electric Curtain Technology）利用交变电场驱动微尘定向运动进行除尘，无需清洁用水和清洁工人，且能实现自动高效除尘与防尘（即：自清洁功效），不存在除尘死角，对沙漠地区的光伏发电系统具有十分可观的应用价值。 但是，电帘除尘技术尚处于实验室研发阶段和应用基础研究阶段，真正实现电帘技术的工程应用还存在两方面的问题有待解决：（1）电帘除尘机理不明；（2）电帘参数设计依耐试错法，导致电帘系统需使用低频（5~15Hz）、高压交变激励才能获得较好的清洁效果。低频、高压激励导致电帘发生电气击穿的风险大，不利于工程应用。因此，揭示除尘机理、研究电帘参数设计方法、研发适用于三相交流电网的电帘系统就成为了本文的研究重点。 深入揭示除尘机理关键在于揭示以下两方面的问题：（1）微尘在交变电场空间中会以何种形式运动，即：全面揭示微尘运动轨迹与运动模式；（2）如何控制微尘实现定向输运，即：微尘定向运动的条件。只要解决这两方面的问题就能全面揭示电帘除尘机理。 为了解释除尘机理，传统研究方法以微尘颗粒群为研究对象，模拟有碰撞情况下的颗粒群的运动形态，这是一种直观的解释模式。然而，碰撞的随机性与外界干扰的不确定性导致微尘运动随时都有可能因不确定的因素而改变，以颗粒群为研究对象难以推导微尘在电场力与空气阻力等复合力作用下定向运动的条件。 因此，论文提出新的研究思路，将研究对象从颗粒群转向交变电场，研究电场的驱动条件。新的思路将异常复杂的运动问题实现了简化，使得复杂的理论研究问题易于解决，并用实验得以验证。 论文主要完成了以下工作： ①运动微分方程是描述运动本质的最有力的工具，论文建立微尘在交变电场空间中的运动微分方程，通过求解运动微分方程全面揭示了微尘运动轨迹与运动模式，解决了机理研究中的微尘运动形式问题。 ②通过模拟运动轨迹，发现了微尘在交变电场空间中的定向运动模式，并在实验中成功实现了定向运动模式。突破了传统的“冲浪模式”、“弹跳模式”、“帘状模式”等运动模式的认知。定向运动模式的发现对于除尘问题以及微颗粒物的定向传输问题具有重要应用价值。 ③采用新的研究思路推导了微尘颗粒在交变电场控制下实现定向输运的条件，这是电帘技术研究的一个创新之处，为揭示微尘输运机理、解决因往复“被困”而产生的“灰尘聚集”问题、增强清洁效果提供了基础。 ④建立了以定向运动区域的相对宽度Ks与实际宽度W为特征参量的电帘参数设计方法，为研发兼容三相交流电网的电帘系统提供了支撑，解决了电帘设计依耐“试错法”的问题。实验结果表明：当使用380V/50Hz的三相交流电网时，自动防尘效率达到90%以上，对三相交流电网具有良好的适用性，显示出优越的自清洁效果，解决了电帘系统对低频、高压激励的依耐性问题，从而不再需要调频系统和稳压稳流系统等电气设备，应用方便、成本低。 最后，对论文的主要内容和创新之处进行了总结，并对后续研究工作进行了展望。

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