光伏電站除塵清潔系統(tǒng)

揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 劉冬梅 方小坤

光伏電站除塵清潔系統(tǒng)

揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 劉冬梅 方小坤

光伏電站清潔系統(tǒng)是以灰塵傳感器為主要傳感器檢測器件，以步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)機(jī)械動力機(jī)來源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對光伏組件灰塵自主檢測和智能清潔。應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光伏組件的邊緣檢測，為單片機(jī)建立光伏組件二維坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)防跌落功能。

灰塵傳感器；超聲波檢測；步進(jìn)電機(jī)

引言

近年來，光伏組件的生產(chǎn)成本的大幅下降以及國家產(chǎn)業(yè)政策支持使得光伏發(fā)電迅速變成最具潛力的新能源產(chǎn)業(yè)。太陽能組件的發(fā)電效率受環(huán)境溫度、光強(qiáng)、電池片與電池片互聯(lián)方式以及灰塵的影響。其中，灰塵對電池組件的影響較大。當(dāng)灰塵不均勻覆蓋光伏組件表面時，光伏組件的輸出U-P特性曲線呈現(xiàn)為多峰值特性曲線，將大大影響最大功率點(diǎn)位置。因此，定期對太陽能電池組件清潔維護(hù)，是一種快速提高光伏電站發(fā)電效率的有效途徑。

1 光伏電站除塵清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

光伏電站除塵清潔系統(tǒng)是以單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，以灰塵傳感器為主要傳感器檢測器件，以步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)機(jī)械動力機(jī)來源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對光伏組件灰塵自主檢測和智能清潔。同時，應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光伏組件的邊緣檢測，為單片機(jī)建立光伏組件二維坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)防跌落功能。為實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互，加入了數(shù)碼管動態(tài)顯示電路。

硬件系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制中心，結(jié)合灰塵檢測模塊、超聲波邊緣檢測、數(shù)碼管動態(tài)顯示、電機(jī)驅(qū)動以及按鍵七個部分組成。硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

如圖1單片機(jī)P0口為數(shù)碼管動態(tài)顯示段碼輸出口；P1口為步進(jìn)電機(jī)控制脈沖輸出口；P2^0、P2^1為A/D轉(zhuǎn)換PCF8591通信口；P2^2為GP2Y1010的控制口；P2^3～P2^5為數(shù)碼管位選碼輸出口與74LS138譯碼器相連；P2^6、P2^7分別為超聲波測距模塊HC-SR04的控制口可接收口；獨(dú)立按鍵與單片機(jī)外中斷口P3^2和P3^3相接。P3^6為電機(jī)選擇輸出端。

2 光伏電站除塵清潔系統(tǒng)關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 灰塵檢測電路設(shè)計(jì)

灰塵是處于分割狀態(tài)的微小固體顆粒。灰塵濃度的測量可以采用消光法測定。光束穿過一含有顆粒的介質(zhì)時，由于受到顆粒的散射和吸收，使得穿過介質(zhì)后的透射光強(qiáng)度衰減，其衰減量與顆粒濃度相關(guān)。使用紅外發(fā)射管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外光，用紅外光電接收管測得透射光強(qiáng)度。由此，將灰塵濃度轉(zhuǎn)換為光信號，由光信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號。單片機(jī)系統(tǒng)不能直接識別模擬信號，與采用集成組合邏輯電路A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，供單片機(jī)計(jì)算處理。

本設(shè)計(jì)灰塵檢測功能采用的GP2Y1010AUF傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591兩部分電路相結(jié)合方式?；覊m檢測硬件電路如圖3所示。

圖2 灰塵檢測硬件電路圖

圖3 電機(jī)驅(qū)動硬件電路圖

2.2 超聲波邊緣電路設(shè)計(jì)

高頻率、波長短的超聲波衍射能力很差，因此在空氣中能夠定向直線傳播方向性好，能量易集中。在不同的介質(zhì)中能傳播足夠遠(yuǎn)的距離。聲音在空氣中傳播速度可測，約為340m/s。

HC-SR04為壓電式超聲測距模塊。壓電式超聲測距利用壓電晶體的諧振工作。從發(fā)射超聲波開始啟動定時器，當(dāng)接收到障礙物反射波關(guān)閉定時器。當(dāng)單片機(jī)P2^6口給超聲波測距模塊的控制引腳Trig發(fā)送一個10us以上的高電平，模塊內(nèi)部電路循環(huán)發(fā)送8個40KHz的脈沖，Echo口輸出高電平。當(dāng)單片機(jī)檢測到P2^7引腳有高電平輸入，開啟定時/計(jì)數(shù)中斷。當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值t。根據(jù)公式s=340t/2，可測得系統(tǒng)到光伏板的距離。當(dāng)超過設(shè)定值，單片機(jī)便發(fā)送檢測到邊緣的信號改變電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)防跌落功能。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動硬件電路圖3中，ULN2803集成芯片U1和U2的11～14引腳對應(yīng)連接直行電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的藍(lán)、粉、黃、橙四根引線，他們對應(yīng)輸入端引腳5～8引腳同時公用連接AT89S52單片機(jī)P1^4～P1^7四個I/O口。三極管Q1和Q2作為電機(jī)選擇控制開關(guān)，集電極與+5電源相連，發(fā)射極連電機(jī)公共端COM，Q1的基極直接與單片機(jī)P3^6口相連，Q2的基極連反相器輸出后接單片機(jī)P3^6口。當(dāng)P3^6口為高電平時轉(zhuǎn)向電機(jī)與電源接通轉(zhuǎn)動，當(dāng)P3^6口為低電平時直行電機(jī)與電源接通轉(zhuǎn)動。電阻R1和R2為限流電阻。清潔電機(jī)藍(lán)、粉、黃、橙引線與U1的15～18四引腳相連，15～18引腳對應(yīng)的輸入腳與單片機(jī)P1^0～P1^3四個I/O口連接。

3 結(jié)論

整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光伏組件上灰塵檢測；能夠自主運(yùn)行；系統(tǒng)要能自我保護(hù)，達(dá)到防跌落的功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明定期對光伏組件除塵可以提高電站5%的發(fā)電量，提高組件工作壽命。

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劉冬梅（1978—），女，江蘇揚(yáng)州人，東南大學(xué)碩士畢業(yè)，講師，研究方向：電子信息技術(shù)。