基于PLC的光伏陣列自動清潔裝置的設計

王秋平，魏 浩，張 淼，張 進，陳志強

WANG Qiu-ping, WEI Hao, ZHANG Miao, ZHANG Jin, CHEN Zhi-qiang

（東北電力大學，吉林 132000）

0 引言

太陽能發電是擺脫對化石燃料的依賴，減少溫室氣體排放的重要手段之一。2012年7月國家發展和改革委員會印發的《可再生能源發展“十二五”規劃》中指出，2020年我國太陽能光伏發電裝機規模將達4700萬kW[1]。太陽能光伏發電站中將太陽能轉化為電能的部件是光伏組件，光伏組件的光電轉換效率是衡量光伏組件將太陽能轉化為電能的重要指標[2]。通常情況下，當光伏組件上有積灰或者其他不透明物體遮擋時，不僅會降低光伏組件的光電轉換效率，而且會致使被遮擋的部分產生局部過熱，嚴重的積灰覆蓋還將導致光伏組件燒毀而完全失去光電轉化的功能[3～5]。

目前國內外對光伏組件的清潔主要有兩種方法，一種是應用于航天領域的高端光伏組件清潔技術，采用電化學方法清理表面附著的灰塵，該方法成本很高不利于推廣[6]；另一種方法是人工清潔，使用高空作業工具進行人工清潔，不僅危險系數大，而且維護成本高、效率低。由此可見，太陽能光伏電站中，對于由多個光伏組件串并聯組成的大型光伏陣列的清潔依然是一個難題。目前市場上亟需找到一種高效、可靠、性價比高的清潔光伏陣列的解決方案，以提高“綠色能源”轉換效率、滿足低碳社會經濟發展的需要。

本文針對目前清潔光伏陣列存在的難點和問題，根據專利號為ZL 201220087819.2的實用新型專利，設計了一種清潔效果明顯、效率高、成本和維護成本低、功能完善、性價比高的光伏陣列自動清潔裝置，此裝置可實現對光伏陣列的智能清潔，滿足光伏陣列維護領域的市場需要。

1 自動清潔裝置

目前，國內太陽能光伏電站多建在陽光充足的西北地區[7]，西北地區氣候具有光照充足、氣候干旱、少雨的特點，但西北多風沙、地理位置偏僻，因此僅由人工對太陽能光伏電站進行清潔的難度大、成本高、周期長。

自動清潔裝置根據光伏發電工程的特點，采用柔性傳動技術和計算機控制技術相結合的設計方法，實現了機械傳動與清潔毛刷的自動控制。其中柔性傳動機構的設計，可以適應現場光伏陣列高低不平的情況，并具有清潔毛刷的自動校正功能。計算機控制技術采用PLC控制器，實現了清潔周期、清潔時間、清潔次數以及毛刷自清潔時間的設定。并且系統還具有故障自診斷功能。自動清潔裝置具體工作過程如圖1所示。

圖1 自動清潔裝置工作流程圖

2 PLC硬件電路設計

為實現自動清潔裝置對光伏陣列的自動清潔控制，并保證系統能夠穩定工作、具有較強的抗干擾能力，所以選用臺達小型集成PLC作為控制器[8]。臺達小型集成PLC支持Modbus通訊協議（通信接口：RS-485/RS-422/RS-232）、體積小、性價比高，并且滿足需預留出一定量的I/O接口的控制要求。

PLC控制器需完成以下功能：1）電機正向運行控制：當毛刷接觸電機啟動測限位開關時，PLC控制器控制電機正轉；2）電機反向運行控制：清潔毛刷運行到光伏陣列的末端時電機反向運行；3）自動清潔模式控制：自動模式輸入信號輸入時，PLC控制器控制系統運行自動模式；4）手動清潔模式控制：PLC采集到手動模式輸入信號，并控制系統運行手動模式；5）清潔結束控制：PLC控制器根據輸入的停止信號，控制系統停止運行。

臺達PLC的I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配

3 PLC控制系統軟件設計

根據自動清潔裝置的設計需求和光伏電站現場環境自動清潔的控制要求，PLC控制系統需對電機運行狀態實現自動控制、手動控制以及故障自診斷。PLC控制系主程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統主程序流程圖

1）定時子程序說明

自動模式要求在設定的定時時間系統啟動運行，這里采用PLC自帶的萬年歷指令完成系統定時要求。萬年歷數據讀出指令TRD將萬年歷現在時間年、星期、月、日、時、分、秒讀出至寄存器D0～D6中。然后通過時鐘數據比較指令TCMP將設置的定時時間與寄存器D0～D6中存放的時間進行比較。D200、D201、D202分別對應設置時間的“時”、“分”、“秒”，與D4起始的萬年歷的“時”，“分”、“秒”相比較，其比較結果讀出至輔助寄存器M3～M5中。如果萬年歷現在時間與設定時間一致，則M4為On，否則M4為Off。

2）毛刷濾塵子程序

自動清潔裝置啟動后，運行毛刷濾塵子程序。清潔毛刷在起始側往復運行n次后，毛刷濾塵子程序結束，然后開始正向清潔光伏陣列。毛刷濾塵子程序的指令表（STL）程序如下:

3）電機正反轉子程序和故障診斷子程序

電機正反轉子程序通過寄存在輔助寄存器M31的電機正轉狀態以及輔助寄存器M32內的電機反轉狀態，輸出電機正反轉信號Y0和Y1控制交流電機實現毛刷對光伏陣列的正向清潔和反向清潔。故障診斷子程序用于實現自動清潔裝置的故障自診斷功能，寄存器D205和D206中分別存放毛刷正向清潔時間和反向清潔時間，故障狀態讀出至輔助寄存器M13中，故障診斷程序如下：

圖3 A陣列與B陣列的電流測量數據

4 自動清潔裝置的清潔試驗

為驗證設計的光伏陣列自動清潔裝置在戶外條件下的工作性能以及清潔效果，本文以北京某公司屋頂光伏工程為試驗場地，該光伏電站每30個光伏組件通過串并聯為一個光伏陣列，其光伏組件由多晶硅太陽能電池片群密封而成，性能參數如下：最大功率為235.0W、短路電流為8.54A、開路電壓為37.0V。試驗對象為光伏電站中兩組相同的光伏陣列，并將其分為試驗組A和參照組B。

為測試安裝自動清潔裝置后，電站光伏陣列的發電量提升情況，將A陣列安裝自動清潔裝置，并每天定時定次數的對A陣列進行清潔；另一組B陣列放置在自然條件下，不進行任何人工清洗。

通過記錄北京冬季2014年11月17～21日每小時測量的光伏陣列在匯流箱內的電流值，計算A陣列相比B陣列的電流提升率，并根據功率公式P=IU（I、U為匯流箱內電流值和電壓值）確定A陣列相對B陣列的發電量提升率。由此可判斷光伏陣列安裝自動清潔裝置后，是否可以具有較好的清潔效果。A陣列與B陣列的電流測量數據如圖3所示。

從圖3中可以發現，光照較充足的時候，A陣列電流值明顯高于B陣列的電流值。并且通過發電量提升率計算公式可以得出，A陣列相對B陣列的發電量提升了10%～30%，如果10MW光伏電站每年發電量為1800萬度，提高10%，則電站每年可多發電180萬度，經濟效益可觀。因此，根據試驗測試結果可以證明，自動清潔裝置可滿足光伏陣列清潔維護領域的市場需要。

5 結論

本文介紹了基于PLC的控制系統在光伏陣列自動清潔中的應用，包括系統組成、硬件電路設計以及PLC程序設計，PLC自動清潔裝置可有效解決目前光伏陣列的清潔難度大和自動化清潔程度低的問題。經過實際試驗測試，該裝置的機械結構和電機工作穩定可靠，且能有效提升光伏陣列發電效率10%～30%，現在該裝置已用于國內西北地區大型太陽能光伏電站的自動清潔。

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