應用于光伏組件無水清洗的自貼合結構及其運動軌跡控制策略的研究

范旭浩++李子翰++李家靖++張寶元++歐香念

摘 要：隨著我國光伏發電事業飛速發展，光伏電站裝機容量急速擴張，提高光伏電站發電效率、增加光伏電站發電量成為值得探索研究的重要課題。本文討論了一種新型光伏組件面板無水清灰結構和控制清洗裝置在工作場內的尋跡追蹤策略，無水清潔自貼合結構用于清洗光伏面板，尋跡追蹤系統通過預設的行進軌跡進行對陣列式電站的往復清洗操作。

關鍵詞：太陽能；無水清洗；循跡追蹤

中圖分類號：TP206+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）19-0079-02

1 研究背景

由于光伏場地風沙的原因導致塵土會直接覆蓋光伏組件，嚴重影響光伏發電效率。隨著使用時間的積累，光伏面板的迎光面會積累一層灰塵，既減弱了太陽能電池板對光的吸收，影響電池板的發電量，也容易因“熱島效應”造成電池局部發熱而損壞。當板上布滿灰塵時，對其轉換功率影響十分巨大，其電能轉換效率就會降低30%～40%，若長期不清潔，蓄電池就不能保持足夠的電量，以至于被頻繁充電，從而導致其壽命縮短，影響發電效率。

2 清洗除塵方案的設計與選擇

粉塵的清洗方式一共可以分為三種，分別是拉伸方式、滑動分式、和關東方式。其中1、拉伸方式具體的拉力過程是：當去除力（Ff）驗證吸附表面的方向施加時，并且大于吸附力（Fad）即可以將粉塵與吸附表面進行分離，即：Ff>Fad；2、滑動方式具體的拉力過程：當去除力（Ff）沿著吸附表面的方向，并且大于靜摩擦（f）力，從而達到使粉塵與吸附表面分離去除的目的，即Ff>f=f（Fad）；3、滾動方式的具體實現過程：當施加于粉塵表面的清楚力矩（Mf）大于吸附于物體表面產生的阻抗力矩（Ma），從而達到清除粉塵的目的，即Mf>Ma。如圖1所示為粉塵被清除的三種方式的示意圖。

在分析了粉塵粘附機制和粉塵去除機制基礎上，根據除塵動作和方式的需求，設計一種機械式光伏組件自動除塵裝置，該裝置在本身的運動過程中通過滑動方式和滾動方式對光伏組件的表面的灰塵進行清除。根據該裝置的功能需求和運動要求，分別對組成該裝置的幾個部分進行設計。執行機構直接作用于光伏組件的表面，是除塵的關鍵部位。

3 無水清潔自貼合結構

通過利用無水清洗結構可自動貼合太陽能光伏發電面板，有效降低因道路不平、機械振動等原因對光伏清洗組件清洗效果造成的影響。該結構包括盤刷模塊和滾刷模塊。在盤刷模塊中，其后部安裝十字萬向節用以增加盤刷的自由度，在十字萬向節外部套有彈簧，當盤刷接觸到光伏面板時，盤刷與光伏面板間的壓力作用迫使彈簧發生形變、十字萬向節轉向，使盤刷表面調整至與光伏板平行的位置，從而提高了盤刷的有效清潔面積，兩者間的壓力作用使得清洗效果更好；在滾刷模塊中，其后部兩側對稱安裝兩彈簧桿，當滾刷與光伏板間有一定角度差時，滾刷與光伏板間的壓力作用使彈簧桿伸縮。在彈簧桿的推力下，滾刷座旋轉使滾刷始終貼合于光伏板上。

整體結構示意圖如圖2所示，盤刷部分包括：十字萬向節、彈簧，該部分模仿剃須刀結構，在旋轉毛刷后部安裝十字萬向節以增加旋轉毛刷的自由度，在萬向節和彈簧的配合作用下，實現了對不同角度的精確控制調節；滾刷部分包括：電機、毛刷、毛刷座和彈簧桿，通過電機的驅動帶動毛刷高速旋轉。在彈簧桿的推力下，毛刷座繞軸旋轉，使毛刷始終貼合于光伏板上；調節裝置部分包括：電動推桿、壓力傳感器，電動推桿在內部電機的驅動下沿直線運動，壓力傳感器將清潔裝置與太陽能板的壓力信息傳遞給主控芯片，使電動導軌沿軸旋轉至與光伏板平行的位置。

4 尋跡追蹤系統

本系統對軌跡形式的設計與紅外傳感器的布置問題進行研究，提出一種不同軌跡形式對應不同動作含義的軌跡識別引導加控制的方式，利用特殊的傳感器布置方式識別不同形式的軌跡，利用算法判斷識別的結果，并控制裝置動作，以使裝置在不同位置對應不同工作方式。該設計以軌跡設計以及算法的創新來代替有為引導作用而無控制作用的傳統路面尋跡式軌跡控制，僅需對現有裝置進行小規模變動即可實現新的性能，具有成本低廉、結構簡單、易于布置等優點，克服了現有路面尋跡式軌跡控制裝置功能單一的問題，很大限度地挖掘了路面尋跡式軌跡控制方式的應用潛力。

路面尋跡式軌跡控制是一種新型的裝置自動行走引導方式，其實現方式可以運用紅外技術或機器視覺技術，由于不需要在地面額外鋪設裝置，具有成本較小、適用于多種地面、工作范圍寬等優點。在路面尋跡式軌跡控制系統的設計中，傳感器的選用和算法設計是十分重要的。有些路面尋跡式軌跡控制系統設計欠妥，影響了其使用效果。路面尋跡式軌跡控制系統由路面軌跡傳感器、中央控制芯片組成。利用軌跡與路面的色差，將紅外線投射到地面后，感應路面反射的紅外線強度，形成模擬信號傳給主控芯片，并由主控芯片內置算法對信號進行處理。然而現階段多數路面尋跡式軌跡控制系統只是簡單控制軌跡，沒有通過軌跡對裝置動作進行控制，當裝置在軌跡的一定位置需要做出一定動作時，用傳統方式往往難以實現[4]。

本系統軌跡設計如圖3（c）所示、傳感器設計如圖3（b）所示，傳感器（1）分內圈（5）和外圈（6），內圈傳感器主要用于感知黑色圓點（3），外圈傳感器前后各5個用于對齊黑色引導線（2），側向兩個傳感器（4）用于三條平行線（7）的感知。其中，內圈傳感器只有在全部被觸發時才有效，如圖二所示，從而保證感應準確。當外圈前后5個感應到Y字型岔路口（8）時系統默認右轉，隨后感知到的黑色圓點每三個一周期，用于換行，在每一周期中：第一次感知到圓點時清潔裝置停止工作，換行動作開始；第二次感知時行進方向反轉；第三次感知時清潔裝置重新開始工作，完成換行動作。

5 控制模塊設計

光伏組件因長期累積灰塵，導致轉換電能的效率降低，因而需要及時清除表面的灰塵，此次設計除塵的對象時48V、200W的光伏組件，根據所選擇的電機，步進電機作為除塵系統最主要的負載，功耗也是最大的，單片機的IO不能直接驅動步進電機，因此需要相對應的2路步進電機驅動。

單片機從溫濕度傳感器采集到溫度和濕度，綜合判斷后，發出指令給步進電機驅動，電機開始除塵。本裝置除塵只針對光伏組件的面積，因此，必須增加2路限位開關來限定步進電機的行程。當電機運行至光伏組件的邊緣時，觸發限位開關，單片機發出指令步進電機反向運行。環境溫度，濕度以及電機運行的實時狀態，通過DTU無線傳輸給PC機或者PDA，可以實現遠程監控。

6 結語

光伏組件的自動清潔裝置給光伏組件清潔提供了一種新思路，特別是該裝置將解決無水、缺水地區對光伏電站日常運維的困難，實現光伏組件日清日潔，為光伏電站高效工作提供保障。本作品創新之處主要體現在以下幾個方面：

（1）機械機構通過多動作協調運動對光伏組件的表面進行清掃以達到清潔光伏組件表面的目的；（2）基于尋跡原理控制自動行走及工作，使用地面上畫出的軌跡實現裝置運動軌跡和裝置動作的相對可控；（3）利用采樣和傳感器或者面板電流的方式來分析和評估組件的遮蔽情況，通過電流來評估組件的遮蔽情況。

限于實驗條件，使用較小功率、較少數量的光伏組件進行試驗，并對程序進行了適當的修改，只為檢驗系統的功能實現和清潔效果。選擇英利集團生產的光伏組件，功率為25瓦，最大開路電壓22V，最大短路電流1.6A，最大工作點電壓17.5V，電流1.45A。結果表明，未清潔的光伏陣列發電效率隨著灰塵的增多越來越小，清潔系統清潔的光伏陣列發電效率始終處在較高的數值，高出未清潔的發電效率超過20%。

參考文獻

[1]莊大建，肖堅偉，邱速希，等.太陽能自行式光伏組件清洗裝置：中國，201558822 U[P]. 2010.

[2]高揚.光伏組件清潔方法淺談[J].太陽能，2013，（9）：63-64.

[3]鄭建飛，陳堅.光伏組件清洗前后發電效率比較及效益分析[J].上海電力學院學報，2016，32（s1）.

[4]沈鋮瑋，杭魯濱，卞懷強，等.面向光伏板清洗的單軌行走式機器人清洗器位姿研究[J].中國機械工程，2015，26（24）：3301-3306.endprint