屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

郝少鵬 鄧凱吉 董志方

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)政府推出一系列鼓勵(lì)太陽(yáng)能光伏發(fā)展的政策，國(guó)家政策的支持再加上光伏技術(shù)的成熟，中國(guó)的光伏制造企業(yè)飛速發(fā)展，中國(guó)光伏產(chǎn)品產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)全球總產(chǎn)量的70%，2018年底我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量占全國(guó)總發(fā)電容量的比例將超過(guò)10%。但是光伏產(chǎn)業(yè)周邊配套設(shè)施嚴(yán)重滯后，光伏發(fā)電的關(guān)鍵元件-太陽(yáng)能電池板的清潔問(wèn)題遲遲無(wú)法解決，太陽(yáng)能電池板清洗設(shè)備普及率極低。本文將介紹一種屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人就是專門針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，該機(jī)器人通過(guò)新型薄膜組件自發(fā)電提供動(dòng)力，并且配備換向裝置，可以自主跨越太陽(yáng)能電池板陣列之間的間隙，實(shí)現(xiàn)同一屋頂多跨度的連續(xù)清洗工作。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;太陽(yáng)能電池板;清洗;機(jī)器人

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.088

0 前言

現(xiàn)如今中國(guó)光伏產(chǎn)品新增與累計(jì)裝機(jī)容量均位列全球第一。光伏產(chǎn)品在使用過(guò)程中迫切需要解決如何清洗太陽(yáng)能電池板的問(wèn)題，因?yàn)樘?yáng)能電池板毫無(wú)疑問(wèn)地用于室外，灰塵及空氣中的其他雜質(zhì)落到上面，從而遮擋電池板，特別雨雪天氣后，雜質(zhì)和雨水混合，形成污垢，輕則影響電池板的功效;重則形成熱斑，損壞電池板，導(dǎo)致整個(gè)陣列無(wú)法工作，太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。太陽(yáng)能電池板的理論發(fā)電效率是25-30%，實(shí)際是20-25%;受污染后發(fā)電效率降為10-18%，甚至更低。因此電池板的清潔程度對(duì)發(fā)電效率和效益的影響非常之大，解決清洗問(wèn)題勢(shì)在必行。大型光伏電站實(shí)際運(yùn)行中，如果使用人工清洗，成本高效率低，頻繁踩踏組件會(huì)影響組件的壽命。目前已經(jīng)有太陽(yáng)能電池板的清洗機(jī)器人面世，但是存在各種硬傷，如不能自主跨越太陽(yáng)能電池板陣列之間的間隙，需要借助外力搬運(yùn)，效率較低。本文所介紹的這種屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人能高效清洗太陽(yáng)能電池板，單個(gè)連跨屋頂只需配備一臺(tái)清洗機(jī)器人即可實(shí)現(xiàn)全天候的清洗工作。

1 屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 換向裝置

換向裝置主要由行走車架、導(dǎo)軌、紅外限位器、限位鎖塊等構(gòu)成。換向裝置從根本上改變了清洗機(jī)器人的移動(dòng)范圍。現(xiàn)階段廠房屋頂太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目大量上馬，由于廠房大多是鋼結(jié)構(gòu)，考慮到排煙、采光的因素，廠房有高低跨區(qū)分，太陽(yáng)能光伏板陣列分布又決定了陣列之間必須有距離間隔，屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人必須跨陣列清洗，這就要求清洗機(jī)器人必須具備跨列移動(dòng)能力，也就是換向能力。只有具備換向能力的機(jī)器人才能在同一屋頂自由移動(dòng)，移動(dòng)范圍的增加將帶來(lái)清洗效率的倍增，在解決清洗困難的同時(shí)，可大幅降低清洗機(jī)器人投入數(shù)量，節(jié)省投入成本。

1.2 自動(dòng)發(fā)電裝置

自發(fā)電裝置主要由新型薄膜組件和角度調(diào)整器等構(gòu)成。機(jī)器人之所以智能，前提是必須靠自身動(dòng)力完成動(dòng)作。自發(fā)電裝置中的新型薄膜組件就為清洗機(jī)器人提供了動(dòng)力來(lái)源，它比傳統(tǒng)的晶硅組件重量輕，發(fā)電性能高，使用新型薄膜組件為清洗機(jī)器人提供動(dòng)力再合適不過(guò)了。角度調(diào)整器根據(jù)太陽(yáng)光線的角度變化調(diào)整薄膜組件的角度，使薄膜組件始終和太陽(yáng)光線垂直，最大限度的提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換率，為機(jī)器人提供了源源不斷的能量，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人動(dòng)力自給自足，不間斷作業(yè)。

1.3 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置主要由充放電控制器、蓄電池組構(gòu)成，清洗機(jī)器人的蓄電池組由兩塊20AH鋰電池組成，鋰電池比普通的鉛酸電池重量輕，能量密度高，耐震動(dòng)性好，耐過(guò)充電性好，耐大電流性好，非常適合在清洗機(jī)器人上使用。通過(guò)薄膜組件上產(chǎn)生的電能除了直接供給行走裝置外，剩余的電能儲(chǔ)存在鋰電池，在光照不充分的時(shí)候提供給行走裝置，實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人的連續(xù)作業(yè)。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由手持遙控器、接收器、斷路器、繼電器等構(gòu)成，控制系統(tǒng)是清洗機(jī)器人的大腦，我們使用了西門子6ES7 212-1AB23-0XBO型PLC作為控制模塊，該P(yáng)LC可靠性強(qiáng)，指令豐富，通訊能力強(qiáng)勁，操作便捷。超強(qiáng)的穩(wěn)定性是操作的基礎(chǔ)，它可以確保我們頻繁的操作不出故障或低故障。手持遙控器把命令通過(guò)PLC傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)、清洗用水泵，使清洗機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、噴水、滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作。

1.5 行走裝置

行走裝置由底盤支架、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾刷、行走車輪等構(gòu)成，行走裝置相當(dāng)于汽車的車架，其他部件都在行走裝置上定位、組裝，我們采用優(yōu)質(zhì)鋁合金板作為支架的材料，通過(guò)鉚接的方式構(gòu)成框架，使輕量化和剛性同時(shí)得到兼顧。

1.6 清洗裝置

清洗裝置由水箱、水泵、噴淋管、滾刷、刮條等構(gòu)成，根據(jù)太陽(yáng)能電池板上污垢的成分不同，清洗裝置有多種方案可供選擇，選用不同的滾刷，滿足多樣化需求，保證清潔高效、徹底。

2 屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人運(yùn)行原理

屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人運(yùn)行原理：薄膜組件發(fā)電后并儲(chǔ)存到蓄電池組中，通過(guò)遙控裝置發(fā)出噴淋指令，接收器收到命令后，水泵從水箱中把水抽到滾刷上方的噴淋管里，噴淋管把水噴到滾刷上，隨后遙控裝置發(fā)出前進(jìn)信號(hào)，把信號(hào)傳輸?shù)街绷麟姍C(jī)，直流電機(jī)1驅(qū)動(dòng)行走輪前進(jìn)，直流電機(jī)2驅(qū)動(dòng)滾刷前進(jìn)，從而清洗屋頂太陽(yáng)能板上面的污垢，后方的刮條二次除垢，徹底清洗太陽(yáng)能板。一跨太陽(yáng)能板清洗完后，重復(fù)清洗一遍，到起點(diǎn)后遙控指揮清洗車行走到換向裝置的車架上，被限位鎖塊固定后移動(dòng)到另一跨太陽(yáng)能板旁邊，限位鎖塊解鎖后，清洗車再次從換向裝置的車架上移動(dòng)到對(duì)應(yīng)跨的屋頂太陽(yáng)能板上，重復(fù)清洗。

3 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)器人已經(jīng)在金太陽(yáng)示范工程-林州重機(jī)集團(tuán)股份有限公司20MW光伏電站上成功運(yùn)行，在很大程度上解決了太陽(yáng)能電池板表面污垢的清潔問(wèn)題，并且極大提高清洗效率。我們將不斷改良該機(jī)器人并積極推廣機(jī)器人清洗設(shè)備，爭(zhēng)取市場(chǎng)的認(rèn)可。

作者簡(jiǎn)介：郝少鵬（1983-），男，河南林州人，本科，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)械工藝流程設(shè)計(jì)工作。