光伏電池板智能清潔系統(tǒng)

李 園，趙 熙，汪貴平

（長安大學 電子與控制工程學院，西安 710064）

太陽能光伏發(fā)電作為一種重要的可再生能源方式[1]，越來越得到國際社會的重視。作為我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點，太陽能光伏發(fā)電站在國家政策引導和扶持下正在如火如荼地修建[2]。我國太陽能光伏產業(yè)的主要集中地區(qū)是青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地區(qū)[3]，但由于風沙較大，自然條件惡劣，光伏組件經常受到積灰等因素影響，導致發(fā)電效率大幅下降，造成了巨大的經濟損失。現在主流的清潔方式為人工清潔，清潔的成本比較高[4]。針對上述情況，多家研究機構已經設計出了相應的太陽能電池板清掃裝置，來解決光伏組件表面積灰清潔的問題[5]。意大利UEMME公司推出的MANTASOLAR清潔機械，其載體是履帶車，操作人員在駕駛車體同時要不停地調整各個操作臂的位姿以清潔工作，這對于操作人員的操作要求太高[6]。新疆電科院與新疆大學聯合研制的光伏組件清掃機器人在鄭善光伏電站成功試運行，該機器人采用橫向清掃的方式對光伏組件表面的積灰進行無水清掃，采用多段清掃刷交錯、緊密結合的結構，清掃效果好，但是其缺少相應的管理方案[7]。綜上所述，市面上現有的清潔設備都存在清掃效率較低、清掃效果不理想、環(huán)境適應能力差、不能實現完全自動的清掃過程等問題[8]。

針對以上問題，本文設計了一種光伏電池板智能清潔系統(tǒng)。其中移動清潔機器人是一種智能化的光伏電池板清潔裝置，提高了光伏發(fā)電效率，減少了能源損耗；上位機實現對多臺清潔機器人的統(tǒng)一管理；移動設備實時顯示清潔信息并可遠程控制清潔機器人運行。該系統(tǒng)采用先進的通信技術、數據采集及處理技術、Web技術及APP技術彌補了現有清潔機器的多處不足。

1 系統(tǒng)整體設計

本文所設計的系統(tǒng)包括移動清潔機器人、移動終端（手機APP）以及上位機三部分，其整體設計方案如圖1所示。機器人通過采集光照強度信號來識別太陽能板的灰塵度信息，根據污染程度決定是否進行清掃，在清掃過程中機器人通過攝像頭采集到光伏電池板的信息，將清掃環(huán)境、清潔效果及其自身的電池信息、位置信息通過無線模塊發(fā)送至顯示終端；上位機負責實時監(jiān)控機器人的電量、清潔進度、故障等信息，將控制信號發(fā)送給機器人，遠程控制其完成作業(yè)；同時將數據傳送給移動終端手機APP，可使用手機APP對機器人的狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控，避免工作人員死守崗位。

圖1 系統(tǒng)整體設計方案Fig.1 System overall design scheme

2 清潔機器人設計

2.1 硬件設計

2.1.1 導軌設計

導軌是整個系統(tǒng)的基礎，清潔機器人附著于導軌上，根據自身檢測和導軌控制清掃路徑。它由兩橫梁和兩立梁構成，左右立梁采用現有的鋼導軌，并將清掃機構固定在該導軌上，控制器通過對機器人的控制實現清掃機構自動上下移動，不會被導軌固定模式阻攔。本設計采用一塊飛思卡爾MC9S12XSDT256作為控制器，用于控制導軌上的步進電機轉動，邊緣配備有紅外檢測裝置，可以判斷機器人清掃的位置，防止機器人觸碰到邊緣和跌落太陽能光伏電板的的情況發(fā)生。同時，通過控制器串口接口連接到組態(tài)屏，利用組態(tài)屏按鍵對導軌進行控制以及上位機通過無線方式對控制信息和顯示信息的下放，完成人機交互。

2.1.2 清潔機器人設計

清潔機器人是該系統(tǒng)的主要組成部分，也是執(zhí)行部分，代替操作者去現場完成作業(yè)。其運動控制系統(tǒng)硬件平臺主要由微控制器、電機驅動電路、傳感器、直流電機、監(jiān)控軟件、電源等組成。如圖2所示，處于控制系統(tǒng)核心部件的微控制器將輸出的控制信號送至直流電機驅動電路，從而完成對上下端行走機器人直流驅動電機轉速調節(jié)，進而控制機器人行走。直流電機驅動電路由蓄電池供電，小型太陽能光伏電板提供給蓄電池充電；通過網絡通訊實現機器人與上位機的連接，最終實現上位機對機器人運行情況的監(jiān)測與控制。

圖2 移動清潔機器人模塊圖Fig.2 Module diagram of mobile cleaning robot

（1）控制模塊

選用飛思卡爾單片機MC9S12XDT256作為主控芯片，通過單片機的PWM脈沖寬度調制實現對電機的控制。為了提高整體控制的精確度，本文選用步進電機控制清掃機器人的整體左右移動，通過主控制器發(fā)出PWM脈沖信號控制步進電機的轉動進而控制機器人的整體移動；同時在上下清掃過程中，電機驅動控制直流電機帶動清掃刷的旋轉，從而實現對太陽能光伏電板的清掃，最終實現智能清潔。

（2）通信與顯示模塊

通信模塊選用工業(yè)級串口轉WiFi模塊，將清潔裝置上的機器人編號、實時位置、電量以及光伏電板上的污染信息實時傳輸給后臺上位機，操作者通過顯示終端能夠清楚地看到清潔機器人的信息。采用威綸通組態(tài)屏顯示清潔機器人信息，組態(tài)屏上顯示機器人的的清掃進程、以及控制機器人啟停、清掃模式等信息，同時可通過屏幕選擇清掃模式，達到對太陽能光伏電板不同程度的清潔目的。

（3）清掃模塊

通過控制器驅動直流電機實現對光伏電板的清掃。在光伏電板清掃過程中，首先使用兩端清掃刷對電板進行初步清掃，當清掃完成以后，通過清潔機器人中間清潔棉模塊對太陽能光伏電板進行擦拭，最終完成對太陽能光伏電板的清潔功能。

（4）檢測模塊

主要由接近開關、光電開關、編碼器等構成。單片機控制器通過讀取傳感器、編碼器的狀態(tài)和數據，實現對清掃機器人的精確控制，使整個清掃機器人運動控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。紅外光電開關對邊緣進行檢測；紅外非接觸溫度測量傳感器測量太陽能光伏電板上的溫度，將溫度信息通過無線傳輸傳送至上位機；光照傳感器將采集到的光照強度數據通過模擬I2C數據接口傳送到控制器中，根據無污染情況下采集到的光照強度與發(fā)電的電壓值進行對比，繪制相應的比例曲線，對比二者在一定的光照強度下的發(fā)電量，實現對太陽能光伏電板的自動清掃。為了避開白天情況下清掃太陽能光伏電板對發(fā)電量的影響，故將在上位機終端設置特定的時間段進行清洗，有效地避開在不同的時間點上對整個太陽能光伏電板發(fā)電量的影響。

（5）電源模塊

本設計選取蓄電池作為整個系統(tǒng)的儲能模塊，微型太陽能光伏發(fā)電板作為蓄電池的能量來源。蓄電池有12 V和24 V兩種輸出電能方式，為整個光伏清潔機器人提供電能。

2.2 軟件設計

清潔機器人工作軟件流程如圖3所示。導軌控制器需要通過傳感器采集信息，控制機器人的移動。機器人接收到清潔指令后，首先浸濕清潔棉，然后通過控制各個清潔刷的正反轉動與啟停，實現對光伏電板的整體清潔。

3 管理系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構設計

圖3 機器人工作軟件流程Fig.3 Software flow chart of robot working

WCF是由微軟公司推出的一系列支持數據通信的應用程序框架。清潔機器人服務平臺的基本架構為C/S架構[10]，并采用基于WCF的面向服務構架（SOA）的開發(fā)方式[9，12]。 移動終端即手機 APP，它是在基于Java的可擴展開發(fā)平臺Eclipse環(huán)境下開發(fā)完成，通過HTTP接口與后臺服務傳輸JSON數據來實現數據交換[13]。本系統(tǒng)包括數據庫、服務端、Windows上位機和Android移動終端四部分，系統(tǒng)服務的用戶對象主要是系統(tǒng)管理人員。管理人員使用的是上位機，現場值班人員使用的是移動終端，另外整個系統(tǒng)需要統(tǒng)一的數據處理和存儲中心，包括服務端和數據服庫。清潔機器人服務平臺是多平臺、分布式[12]系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結構如圖4所示。

圖4 管理系統(tǒng)總體結構Fig.4 Overall structure of management system

3.2 客戶端設計

光伏電池板智能清潔系統(tǒng)可實現接收多臺清潔機器人的狀態(tài)信息，實時監(jiān)控機器人的位置、故障等信息。通過上位機軟件設定清掃時間、選擇清掃模式等，同時根據現場機器人的清掃狀態(tài)遠程控制清潔機器人完成作業(yè)；通過手機APP進行實時監(jiān)控。上位機主要實現的功能有：

（1）機器人編號、型號、位置信息的錄入、修改以及刪除；

（2）顯示所有機器人的總體狀態(tài)，如在役、工作以及故障機器人的數目，查詢具體機器人狀態(tài)信息，顯示其工作模式、清掃進程、機器人故障、以及各個模塊信息；

（3）遠程操控機器人如清掃預約等；

（4）機器人清掃歷史查詢如清掃日期、清掃開始以及結束時間和清掃所耗時等。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，搭建了驗證性實驗平臺并進行測試。清潔機器人如圖5所示，能夠實現對光伏電池板的清潔。如圖6所示為上位機設計的人機交互界面，其狀態(tài)監(jiān)控界面顯示了當前機器人的工作信息。

圖5 清潔機器人實物Fig.5 Mobile cleaning robot

圖6 人機交互界面Fig.6 Human-computer interactive interface

手機APP實時監(jiān)控上位機收到的各種信息，如圖7所示為移動清潔機器人當前工作狀態(tài)顯示界面以及查詢編號001清潔機器人的清掃歷史界面，包括其當時的清掃模式、清掃進程和所用電量等。

圖7 移動終端顯示界面Fig.7 Displaying interface of mobile terminal

經驗證可知，該機器人能有效完成對光伏組件表面的清潔，管理系統(tǒng)能夠實時記錄機器人的清潔數據并實現對機器人的遠程操控。

5 結語

通過分析市面上光伏組件清潔裝置的不足，本文設計了一種光伏電池板智能清潔系統(tǒng)。該系統(tǒng)既實現了對光伏組件的智能清潔，同時管理系統(tǒng)記錄了機器人清潔歷史，并完成無人值守和多臺機器人的人機交互，從根本上改善了工作人員的工作環(huán)境，降低了光伏電站的運營成本，為新能源的發(fā)展奠定了堅實的基礎。