太陽能板的自動清掃裝置的研究

許昌電氣職業學院 李蓮英 張坤平

一、背景和意義

煤炭、石油、天然氣傳統的不可再生能源逐漸減少，無法滿足經濟發展需求，能源危機問題日漸突出。各個國家不得不竭盡全力去尋找其他的新型能源用來應對其所面臨的能源問題，能否找到新的能源，處理好能源問題關系到經濟社會能否健康穩定發展。

大家都熟知的是太陽能發電站的電池板工作是需要長時間暴露在室外環境中，隨著暴漏在室外環境中時間的增長，會有許多的灰塵和污垢落在光伏組件的表面，這其中的主要成分是無機及有機物污染物，出現這一現象后，太陽能電池板對光線的吸收作用被大大降低，使得發電量會降低，并且因為“熱島效應”造成局部發熱而損壞。因此可見，因為表面灰塵和污垢會引起的發電效率的降低，嚴重時會導致安全事故。人們不得不考慮如何降低這種影響。目前的形勢下，光伏產業的發展十分迅速，基于對以上因素的考慮，人們開始從各個角度對光伏組件表面的積灰效應進行了試驗研究。結果顯示太陽能板的發電效率與積灰量呈負相關變化，當積灰量達到5.65g/m2時，其輸出功率損失達可以到15.2%。消除這種影響所帶來的經濟效益要比在提高光伏材料的轉換效率上更加可觀。依據數據統計，太陽能電池板如果超過3個月沒有進行表面清潔，那么將會有5%左右發電效率的損失，尤其是在較為惡劣的天氣環境下，如果超過20天沒有對其進行清洗，其發電效率大約會損失超過12%。基于以上這些學者測試和實驗結果表明，太陽能電池板表面的灰塵已經對發電效率產生較為嚴重的影響。

面對此問題，如何對太陽能電池板進行有效的清洗已成為擺在光伏產業面前急需解決的問題。傳統的清潔維護工作以人工擦拭和清水沖洗為主，但是多數太陽能電站建設在沙漠或戈壁，自然條件本身就十分惡劣，水資源缺乏，使得這種清潔方式難度大，成本高。基于此，設計開發一種能夠有效清掃太陽能板表面灰塵的自動化裝置變得十分必要。

二、國內外研究現狀及發展趨勢

1.光伏組件清潔機器人及自動清掃裝置研究現狀

目前具有代表性的有以下幾種：

日本的未來機械公司于2013推出的出免水清掃機器人，如圖1-1所示。設備自帶蓄電池，無需用水，適合在干旱缺水地區使用和推廣。

圖1-1 免水太陽能面板清掃機器人

2013年日本Sinfonia Technology公司推出自動行走式機器人，如圖1-2所示。配備蓄電池，可以一邊移動，一邊向外灑水，利用旋轉刷和刮板進行清掃，清掃能力為每小時100m2。

圖1-2 自動行走式清掃機器人

2015國際消費電子展（CES）上，科沃斯推出了清潔機器人銳寶，其可以實現自主行走、路徑規劃，進行自動升降式清掃。

2.發展趨勢

以上提到的各種方法中，效率最低的是人工清洗，而且消耗的水量很大；利用納米材料和靜電技術的成本很高；種類繁多的小型機器人一方面因為成本原因，一方面是他們對環境要求高。目前來看，軌道式裝置具備比較明顯的優點。是目前首選的發展方向。同時，需要考慮裝置所應具有的特點和優勢：安全性、響應速度、低成本，節約水，操作簡單。

三、太陽能光伏板自動清掃創新點

通過查閱資料、文獻、專利等對現有的太陽能板的清掃方式及清掃裝置的研究情況有一個較為全面的了解，在此基礎之上，針對對光伏電站太陽能電池板清掃系統的需求進行分析，并針三門峽鵬飛電子有限公司光伏電站的清掃情況的特點和存在的問題進行調研。結合現有技術，進行一定的改進，制作一款自動清掃裝置。主要研究內容及過程如下：

1.查閱各類資料，分析光伏電站對太陽能電池組件清掃系統的需求與現狀，現有情況以及使用的關鍵技術。

2.依據總體方案，細化設計要求，內容包括機械結構，可靠性和安全性。還有控制系統的要求，包括硬件和軟件設計。

3.根據設計要求，完成機械部分的設計與樣機的加工制作。包括圖紙，控制板、軟件設計。

4.系統調試與實驗，搭建小型清掃裝置，對樣機進行調試，驗證系統功能。5.針對出現的問題對方案和細節部分進行修改完善，總結整個課題工作開展過程中的問題。

四、清掃裝置總體方案設計

1.系統整體設計

針對現場需求，考慮如下設計要求：

（1）無需用水。

（2）利用原有支架進行改造，保證機構的可靠性，便于維護更換。

（3）模塊化的設計，將裝置分為橫向行走部分，縱向行走部分，清掃部分。

（4）選擇合適的滾輪，保證運動過程不對組件表面造成破壞。

（5）安裝相應的傳感器，實現較為精確的自動控制。

2.清掃裝置機械結構設計

針對上述要求，首先進行了機械部分的設計。主要結構如圖2-1所示。行走部分所需的框架不需要另行設計，可以利用原有的太陽能陣列的邊框，考慮到其承載能力和系統的功耗。選用材料時，考慮的主要因素是材質和強度。以質量輕和合適的強度為要求。除了行走框架之外，主要包含有行走裝置、提升裝置、清掃部分。其組裝方式和工作原理為，將行走裝置通過滾輪卡在原有的矩形框架上，通過電機的帶動可以實現橫向的移動，提升裝置安放在行走裝置上，可以實現上下運動功能，清掃部分位于提升裝置下端的小車上，通過電機帶動滾筒對太陽能電池板的表面進行清掃。通過這種組合方式可以實現滾筒運動對光伏板表面的全覆蓋運動，以實現清掃目的。

圖2-1 裝置結構圖

（1）行走裝置

該部分的主要功能是能夠帶動行走裝置包括位于其上的提升裝置和清掃裝置可以沿著原有框架做橫向運動。包括主動輪、從動輪、傳動帶和驅動電機等。主要運動過程為，在不進行清掃的時候，在整個光伏板框架的一邊為其提供一個靜止位置，當執行自動清掃功能是，行走裝置先檢測個位置信號是否到位，接著沿光伏組件的框架橫向移動一段距離，該距離和裝置上的清掃小車一次可以清掃的寬度相同，這樣能夠保證在橫向移動過程中能夠對光伏組件實現全部覆蓋。當清掃裝置清掃完這一個幅面的組件后，行走裝置自動移動到下一個幅面。

（2）提升裝置

實現對裝置中清掃小車的上拉和下放控制。由提升電機、滾筒、電纜軸、纜繩組成。依據清掃裝置的重量選擇合適的直流電機，能夠進行正反轉，以實現拉和放的控制。當行走裝置停留在一個幅面上時，提升裝置開始帶動清掃小車從原始位置（下方）開始向上運動，運動到上端時，停留一個時間間隔后接著向下運動，回到原始位置。上下的停留位置需要由限位開關給出信號，限位開關的安裝位置由光伏組件的上下邊緣和清掃刷能夠覆蓋到的位置決定。

（3）清掃裝置

通過電機帶動清掃刷的運動去除組件表面的灰塵。該部分主要由電機、滾筒刷和用來實現傳動功能的皮帶輪構成。在提升裝置帶動清掃車進行上下運動的過程，清掃電機帶動清掃刷轉動，將灰塵掃去。該部分的運動較為簡單，在提升裝置帶動小車上下運動的過程中，由電機帶動刷子轉動，對光伏組件表面的灰塵進行清掃。此裝置的安裝高度是調試制作過程中的關鍵點。高度適中能夠保證有效的清掃，同時降低對表面的磨損。

（4）其他輔助裝置

為實現自動控制功能，需要在部分位置安裝限位開關，需要設計給行走、提升機清掃裝置自供電系統。除此之外，可以根據需要安裝例如溫濕度傳感器，風速儀等。用來檢測自然環境，可以根據這些條件來控制裝置何時運行或停止。