煤礦塌陷區光伏電站太陽能電池板清潔機器人的研究

孫衛紅 覃劍戈 岳云濤

(北京建筑大學，北京市西城區，100044)

1 前言

隨著人類社會對煤炭等能源的渴求，大量開采已成為趨勢，地面塌陷等災害也隨之而來。后期出現的治理困難和治理費用高等問題使得更多開采后的土地被閑置，從而造成資源上的浪費。根據國務院印發的《關于煤炭行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》的基本原則：市場倒逼與政府支持相結合，化解產能與轉型升級相結合，整體推進與重點突破相結合，從2016年開始，用3～5年的時間，再退出產能5億t左右，減量重組5億t左右，較大幅度壓縮煤炭產能，適度減少煤礦數量，煤炭行業過剩產能得到有效化解，市場供需基本平衡，產業結構得到優化，轉型升級取得實質性進展。《意見》提出，促進行業調整轉型，鼓勵利用廢棄的煤礦工業廣場及其周邊地區，發展風電、光伏發電和現代農業。盤活土地資源，支持退出煤礦用好存量土地，促進礦區更新改造和土地再開發利用等多項措施。因此在煤礦塌陷區建立光伏電站能夠很好地化解煤炭產業產能過剩的問題。煤礦塌陷區光伏發電站如圖1所示。

大型的光伏電站太陽能電池板都是在戶外，而沉陷區內礦體表層土壤剝除，地表植被遭到嚴重破壞，水土流失和土壤沙化嚴重加劇使得空氣中出現很多灰塵，當光伏組件表面附著積灰時，灰塵顆粒會對入射的太陽光進行吸收和散射，導致照射到光伏組件面板上的有效面積減小以及透光率降低，并使部分入射太陽光在鋼化玻璃中的傳播均勻性發生改變，從而使發電效率降低，發電量減少。相關研究表明，積灰的沉積濃度越大，光伏組件的實際透光率越低，輸出功率越低。

圖1 煤礦塌陷區光伏發電站

目前，由于市面上還沒有合適的自動化清潔設備，大多數光伏電站采用定期人工清洗的方式來清潔光伏組件，但是大型光伏發電工程往往處于缺水地區，而且人工清洗費時費力且成本較高，同時，對于光電建筑一體化項目來說，人工清洗存在一定的安全問題，所以亟需一種機械化方法來解決此問題，而采用清潔機器人清洗則可以大大提高工作效率。太陽能電池板定期人工清洗如圖2所示。

圖2 太陽能電池板定期人工清洗

2 清洗機器人灰塵清除原理

灰塵在落到太陽能電池板上后，一部分會自動掉落，另一部分會吸附在板面上。將塵土的單個粒子視為一個圓球形，對單個粒子的受力進行分析。由于每個地區的太陽能電池板的架設角度不同，在此將其傾斜角視作90°，與地面垂直。粒子受到重力、支持力、范德華力(分子間作用力)的共同作用時受力平衡，平衡方程見式(1)：

(1)

式中：Fz——支持力，N；

G——重力，N；

Fvdw——范德華力，N。

范德華力見式(2)：

(2)

式中：h——基于物質屬性利夫茨范德華常數，J；

r——顆粒半徑，m；

z——分子中心與接觸表面的距離，m。

假設塵埃分子與太陽能電池板的位置關系如圖3所示。

圖3 塵埃分子受力示意圖

灰塵顆粒的清除方式有滑動方式、滾動方式和拉伸方式，清洗機器人選用滑動方式。滑動方式的原理是使滑動的去除力大于太陽能電池板面與灰塵粒子的靜摩擦力，進而實現將灰塵從太陽能電池板板面去除。滑動運動方式如圖4所示。

圖4 滑動運動方式

3 清洗機器人自動控制研究

3.1 清潔機器人控制流程圖

太陽能電池板清洗機器人自動控制包括清掃控制、發電量自動檢測和環境自動監測。清掃控制首先驅動電機正常啟動，清掃機器人沿著太陽能電池板做直線運動，驅動電機啟動的同時，清掃電機帶動清掃刷部分的轉子運轉，通過傳動軸和轉子使其在太陽能電池板表面旋轉，從而實現清潔的目的。清掃控制的工作流程如圖5所示。

圖5 清掃控制工作流程圖

第一次清掃完成后進行發電量自動檢測，若太陽能電池板發電量提高3%，則停止清掃，否則繼續進行清掃，直到達到要求。發電量自動檢測控制流程如圖6所示。

圖6 發電量自動檢測控制流程圖

環境自動監測根據光照量和溫度判斷是否進行清潔工作，如果光照量和溫度較低，清掃機器人不動作，直到光照量和溫度達到要求，機器人開始動作。環境自動監測流程如圖7所示。

圖7 環境自動監測控制流程圖

3.2 自動控制算法研究

目前常用的控制技術有PID控制技術、神經網絡控制技術和模糊控制技術。PID控制技術的原理較為簡單，控制效果好，適應性強。本項目采用PID控制技術。PID的控制規律見式(3)：

(3)

式中：u(t)——PID控制器的輸出；

Kp——比例常數；

e(t)——PID控制器輸出紙盒給定值偏差信號；

Ti——積分時間常數；

Td——微分時間常數。

PID控制器輸出紙盒給定值偏差信號e(t)見式(4)：

e(t)=r(t)-c(t)

(4)

式中：r(t)——輸入信號；

c(t)——輸出信號。

圖8 執行子系統控制流程圖

執行子系統在工作狀態時，由于對直流伺服電機控制時會出現數量幅值變化較大的情況和電機的啟停狀況，這兩種情況可能會導致系統輸出量變化較大的狀況，進而PID控制在進行積分運算時會發生異常，計算得出的輸出值會與實際值有較大的誤差，產生超調現象，超調將導致清掃裝置進行作業時實際的路徑與規劃的路徑不一致，清掃部分也不在正常工作模式，嚴重時還會失去穩態，對清掃裝置和太陽能電池板造成損壞。以上的情況是要盡量避免發生的，這就要求PID算法在進行計算時要盡可能的準確。

本文采用積分分離混合積分修正系數的PID控制算法，當最初設定的輸入常數和被控制量的實際值有一些偏差時，比例單元單獨進行計算，其他兩部分不發揮任何功能。通過這種方法，積分單元的誤動對系統造成的影響會相對減小，使系統平穩地工作在一個相對的穩態；當最開始給定的值和被控制量的實際值無明顯偏差時，利用積分單元可以降低最后的誤差。上述兩條可以保證整個控制系統實時保持在一個比較穩定的控制策略之中。PID控制器在工作狀態時，通常會通過限幅值來計算控制量。積分功能會被忽略，因此，通常會加上一個積分修正系數，在輸出的被控制量比限幅值大時，積分修正系數開始發揮作用。在控制系統正常啟動時，修正功能顯得更為重要，起到了關鍵性的作用，它不僅在過渡時間的層面上起著關鍵性作用，而且可以使超調量一直保持在一個合適的范圍之內。通過上述的調節方法，整個系統的響應能力得到了明顯的提升。

4 清洗機器人路徑規劃

由于光伏電站太陽能電池板是由很多小塊拼成一大塊來集中使用發電，所以本項目考慮將清洗電池板的單位設置為一塊太陽能電池板為一個清洗單元，電池板之間拼接的溝壑為單元與單元之間界線，進而采用優先級啟發式算法使清洗機器人能在太陽能電池板上做往復運行達到清洗電池板的目的。

對清洗機器人進行主運動方向選擇的設定。由于太陽能電池板上不存在不可踩踏的框架或膠條障礙物，所以能自由的設定清洗機器人的主運動方向。本項目選擇豎直方向為主運動方向。

在清洗機器人工作過程中需要判斷下一塊清洗的單元是否已清洗過，所以還要對機器人工作的空間分解成一系列具有二值信息的柵格網絡。本項目中根據太陽能電池板結構模型，將已清洗單元記為“0”，未清洗單元記為“1”存于計算機中。太陽能電池板結構模型如圖9所示，工作空間二值信息柵格網絡如圖10所示。

圖9 太陽能電池板結構模型

4.1 優先級啟發式算法

機器人主運動方向確定并完成工作空間的二值賦值后，采用優先級啟發式算法來完成清洗機器人的路徑規劃。對二值柵格網絡中的某個柵格來說，下一個可被擴展的柵格是這個柵格的上、下、左、右4個單元格。對于本項目中以豎直方向為主運動方向的太陽能電池板清洗機器人來說，優先級定義順序依次為：左柵格、下柵格、上柵格、右柵格。以縱向為主運動方向的優先級啟發式算法路徑規劃圖如圖11所示。

圖10 工作空間二值信息柵格網絡

圖11 以縱向為主運動方向的優先級啟發式算法路徑規劃圖

由圖11可以看出，假設當前柵格為p，首先檢測到i，記為“0”，表示已清洗柵格；然后檢測到q，記為“1”，是未清洗柵格，則清洗機器人下一步遍歷到q，被遍歷的柵格用0表示。當清洗機器人遍歷到電池板邊緣時，假設當前柵格為r，首先檢測到g，從圖中可知，g為“0”，為已清洗柵格；然后檢測下柵格，因為下柵格在電池板范圍外面所以跳過，接著檢測到q，為“0”，已清洗，最后檢測到s，為“1”是未清洗柵格，則清洗機器人下一步遍歷到s，被遍歷的柵格用0表示，然后以1為當前柵格，繼續遵循上述優先級遍歷規則進行新一輪的判斷。

4.2 路徑規劃仿真實驗

在實驗中，用矩陣的形式對已知的機器人工作空間進行二值賦值如圖12所示。

圖12 工作空間二值賦值的矩陣形式

圖12中“0”表示已清洗，“1”表示未清洗，工作空間仿真圖像如圖13所示。

圖13 工作空間仿真圖像

由圖13可以看出，黑色部分表示還沒有清洗，執行優先級啟發式算法仿真程序得到的仿真圖如圖14所示。

圖14 優先級啟發式算法在工作空間中仿真圖

由圖14可以看出，圖13中未清洗部分已經被清洗，且得到清洗機器人運行路徑如圖15所示。

圖15 清洗機器人運行路徑

清洗路徑為沿縱向自上而下單向清洗，完成一列電池板的清洗后，橫向移動一格到未清洗板面，再向上遍歷到工作區域頂端，然后重復上述過程直到所有板面清洗完成。圖上的箭頭表示清洗的路徑方向，起點和終點可根據算法設置。

4 結語

煤礦塌陷區的光伏電站太陽能電池板都是搭建在沙漠化嚴重的土地中，空氣中大量的灰塵堆積在太陽能電池板上會影響光伏板的發電效率，所以太陽能電池板的定期清潔工作非常重要。采用清潔機器人完成清潔可以大大提高工作效率，本文分析了其清潔原理，進行了自動控制、路徑規劃的研究，解決了太陽能電池板的清潔難題，對煤炭行業化解過剩產能有積極作用。

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