屋頂太陽能電池板智能清洗機器人設計

郝少鵬 鄧凱吉 董志方

摘 要：近年來，我國政府推出一系列鼓勵太陽能光伏發展的政策，國家政策的支持再加上光伏技術的成熟，中國的光伏制造企業飛速發展，中國光伏產品產量已經超過全球總產量的70%，2018年底我國光伏發電裝機容量占全國總發電容量的比例將超過10%。但是光伏產業周邊配套設施嚴重滯后，光伏發電的關鍵元件-太陽能電池板的清潔問題遲遲無法解決，太陽能電池板清洗設備普及率極低。本文將介紹一種屋頂太陽能電池板智能清洗機器人就是專門針對這一問題設計的產品，該機器人通過新型薄膜組件自發電提供動力，并且配備換向裝置，可以自主跨越太陽能電池板陣列之間的間隙，實現同一屋頂多跨度的連續清洗工作。

關鍵詞：光伏發電;太陽能電池板;清洗;機器人

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

0 前言

現如今中國光伏產品新增與累計裝機容量均位列全球第一。光伏產品在使用過程中迫切需要解決如何清洗太陽能電池板的問題，因為太陽能電池板毫無疑問地用于室外，灰塵及空氣中的其他雜質落到上面，從而遮擋電池板，特別雨雪天氣后，雜質和雨水混合，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，導致整個陣列無法工作，太陽能電池板是太陽能發電系統的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。太陽能電池板的理論發電效率是25-30%，實際是20-25%;受污染后發電效率降為10-18%，甚至更低。因此電池板的清潔程度對發電效率和效益的影響非常之大，解決清洗問題勢在必行。大型光伏電站實際運行中，如果使用人工清洗，成本高效率低，頻繁踩踏組件會影響組件的壽命。目前已經有太陽能電池板的清洗機器人面世，但是存在各種硬傷，如不能自主跨越太陽能電池板陣列之間的間隙，需要借助外力搬運，效率較低。本文所介紹的這種屋頂太陽能電池板智能清洗機器人能高效清洗太陽能電池板，單個連跨屋頂只需配備一臺清洗機器人即可實現全天候的清洗工作。

1 屋頂太陽能電池板智能清洗機器人系統結構

1.1 換向裝置

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

1.2 自動發電裝置

自發電裝置主要由新型薄膜組件和角度調整器等構成。機器人之所以智能，前提是必須靠自身動力完成動作。自發電裝置中的新型薄膜組件就為清洗機器人提供了動力來源，它比傳統的晶硅組件重量輕，發電性能高，使用新型薄膜組件為清洗機器人提供動力再合適不過了。角度調整器根據太陽光線的角度變化調整薄膜組件的角度，使薄膜組件始終和太陽光線垂直，最大限度的提高了太陽能的轉換率，為機器人提供了源源不斷的能量，從而實現了機器人動力自給自足，不間斷作業。

1.3 儲能裝置

儲能裝置主要由充放電控制器、蓄電池組構成，清洗機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，耐震動性好，耐過充電性好，耐大電流性好，非常適合在清洗機器人上使用。通過薄膜組件上產生的電能除了直接供給行走裝置外，剩余的電能儲存在鋰電池，在光照不充分的時候提供給行走裝置，實現清洗機器人的連續作業。

1.4 控制系統

控制系統由手持遙控器、接收器、斷路器、繼電器等構成，控制系統是清洗機器人的大腦，我們使用了西門子6ES7 212-1AB23-0XBO型PLC作為控制模塊，該PLC可靠性強，指令豐富，通訊能力強勁，操作便捷。超強的穩定性是操作的基礎，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PLC傳導到驅動電機、清洗用水泵，使清洗機器人完成前進、后退、噴水、滾刷轉動等動作。

1.5 行走裝置

行走裝置由底盤支架、直流驅動電機、滾刷、行走車輪等構成，行走裝置相當于汽車的車架，其他部件都在行走裝置上定位、組裝，我們采用優質鋁合金板作為支架的材料，通過鉚接的方式構成框架，使輕量化和剛性同時得到兼顧。

1.6 清洗裝置

清洗裝置由水箱、水泵、噴淋管、滾刷、刮條等構成，根據太陽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 屋頂太陽能電池板智能清洗機器人運行原理

屋頂太陽能電池板智能清洗機器人運行原理：薄膜組件發電后并儲存到蓄電池組中，通過遙控裝置發出噴淋指令，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，隨后遙控裝置發出前進信號，把信號傳輸到直流電機，直流電機1驅動行走輪前進，直流電機2驅動滾刷前進，從而清洗屋頂太陽能板上面的污垢，后方的刮條二次除垢，徹底清洗太陽能板。一跨太陽能板清洗完后，重復清洗一遍，到起點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到另一跨太陽能板旁邊，限位鎖塊解鎖后，清洗車再次從換向裝置的車架上移動到對應跨的屋頂太陽能板上，重復清洗。

3 結語

該機器人已經在金太陽示范工程-林州重機集團股份有限公司20MW光伏電站上成功運行，在很大程度上解決了太陽能電池板表面污垢的清潔問題，并且極大提高清洗效率。我們將不斷改良該機器人并積極推廣機器人清洗設備，爭取市場的認可。

作者簡介：郝少鵬（1983-），男，河南林州人，本科，助理工程師，主要從事煤礦機械工藝流程設計工作。