多旋翼清洗無人機在屋頂類分布式光伏電站的應用研究

高國慶，高 源

(1. 寧夏理工學院，石嘴山 753000；2.寧夏大學，銀川 750004)

0 引言

近幾年，中國分布式光伏發(fā)電的應用呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。根據(jù)國家能源局公布的最新統(tǒng)計結(jié)果，截至2021年底，中國光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量為30598.7萬kW，其中分布式光伏發(fā)電的累計并網(wǎng)裝機容量為10750.8萬kW[1]，同比增長48.75%。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常安裝在建筑物屋頂、農(nóng)業(yè)大棚棚頂、車棚棚頂?shù)任恢茫祟惞夥娬究煞Q為屋頂類分布式光伏電站，其所發(fā)電力不僅可以自發(fā)自用，還可以余電上網(wǎng)。光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，空氣中的灰塵顆粒和污染物等沉降在光伏組件表面會遮擋太陽輻射，直接影響光伏組件的輸出功率。若長時間不清潔，將會大幅降低光伏組件發(fā)電量，不僅不能滿足電網(wǎng)的要求，還會降低太陽能利用率[2]。而屋頂類分布式光伏電站的類型多樣、規(guī)模不同，光伏陣列的排布方式千差萬別，限制了智能清洗機器人在實際屋頂類分布式光伏電站中的應用。

目前，相對于大型無人機在農(nóng)林植保、光伏電站巡檢等方面的廣泛研究，無人機在清洗方面的研究有待進一步深入。因此，本文針對多旋翼清洗無人機清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行分析，對可用于屋頂類分布式光伏電站光伏組件清洗作業(yè)的多旋翼清洗無人機的關鍵技術(shù)進行研究，并對此類清洗無人機的應用案例進行列舉與前景展望。

1 多旋翼清洗無人機清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀

多旋翼無人機是指至少有3個旋翼軸的無人駕駛飛行器，適合執(zhí)行低空飛行、低速飛行、垂直起降或懸停等任務時使用，其結(jié)構(gòu)主要由機架機身、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)這5部分組成，如圖1所示。其中，動力系統(tǒng)由多個旋翼及軸組成，輔助系統(tǒng)主要搭載各種裝備。

圖1 多旋翼無人機的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural schematic diagram of multi rotor UAV

隨著衛(wèi)星導航定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)字傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)和高性能碳纖維復合材料技術(shù)的發(fā)展，無人機技術(shù)的應用領域已經(jīng)拓展到農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、警用執(zhí)法、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、森林防火及影視航拍等民用領域[3]。由于多旋翼無人機具有起飛降落靈活、不受地域限制、空中可懸停、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等特點，在電力巡檢領域的應用呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，采用無人機技術(shù)搭載紅外熱成像儀進行空中巡檢可極大提高光伏電站巡檢的效率和質(zhì)量[4]。近年來，一些機構(gòu)和科研人員基于多旋翼無人機技術(shù)搭載清洗工具(即“多旋翼清洗無人機”)開展了一系列壁面清洗作業(yè)試驗研究。

2016年，深圳某科技公司研發(fā)了一款采用8個旋翼的可清洗玻璃幕墻的多旋翼清洗無人機，如圖2所示。

圖2 深圳某科技公司研發(fā)的多旋翼清洗無人機Fig. 2 Multi rotor cleaning UAV developed by a technology company in Shenzhen

該清洗無人機是在普通的四旋翼無人機的機架上，又安裝了4個側(cè)向旋翼，構(gòu)成正方體。在8個旋翼驅(qū)動下，該清洗無人機實現(xiàn)了任意位置懸停或沿幕墻滑動；其以地面系留的方式保證長時間續(xù)航安全。該清洗無人機采用接觸式高壓清洗設備，簡化了清洗步驟，與人工清洗相比，效率提高10倍以上。

2018年，拉脫維亞的Aerones公司設計制造了一款能完成高空清洗作業(yè)的采用36個旋翼的多旋翼清洗無人機，該清洗無人機既可以對玻璃外墻進行清洗，又能進行除冰作業(yè)，如圖3所示。

圖3 Aerones公司研發(fā)的多旋翼清洗無人機Fig. 3 Multi rotor cleaning UAV developed by Aerones company

該清洗無人機寬度為3 m，重量為55 kg，負載力可達到145 kg，使用系留方式從地面給無人機供電，為進行清洗作業(yè)機身還配備了高清攝像頭及清洗用的海綿。即使加上水的自身重量和在水噴射過程中的后坐力，該清洗無人機仍能在空中穩(wěn)定飛行。通過對玻璃幕墻、風電機組塔筒及葉片的清洗實驗發(fā)現(xiàn)，其清洗效率比人工清洗方式高20倍，而且更加安全。

2019年，據(jù)美國科技類博客TechCrunch報道，位于北卡羅來納州(North Carolina)的新創(chuàng)公司Lucid推出了一款多旋翼清洗無人機，如圖4所示。不像傳統(tǒng)的采用高壓水柱清洗墻面的方式，該清洗無人機是以噴灑可生物分解的清潔劑來清潔磚墻、石灰?guī)r等建材表面。Lucid公司研發(fā)的清洗無人機目前最高可以清洗10～12層樓的建筑。

圖4 Lucid公司研發(fā)的多旋翼清洗無人機Fig. 4 Multi rotor cleaning UAV developed by Lucid company

李蕾[5]設計了一種可清洗壁面的采用4個旋翼的無人機結(jié)構(gòu)和控制算法，并進行了實際試飛和清洗測試，結(jié)果表明：該清洗無人機飛行穩(wěn)定且能根據(jù)指令完成擦洗工作。

鄧琳翔等[6]設計出一款可清洗小高層建筑外墻及玻璃的多旋翼清洗無人機并進行了實際驗證，結(jié)果表明：該清洗無人機的穩(wěn)定性和清潔功能基本滿足設計要求。

衛(wèi)芃毅[7]提出使用無人機搭載圖像設備和清潔裝置對光伏組件進行清洗，基于深度學習目標檢測算法，識別光伏組件末端目標并控制無人機精確定位，解決了無人機自身全球定位系統(tǒng)(GPS)定位誤差較大、定位不精準的關鍵問題。通過實驗證明，該無人機完成了光伏組件識別與光伏組件清洗任務。

從以上研究和實驗可以看出，經(jīng)過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和控制算法后，多旋翼清洗無人機在建筑外墻、風電機組塔筒和葉片表面、光伏組件表面等壁面的清洗作業(yè)中，穩(wěn)定性、可靠性和清潔功能均能滿足設計要求，即采用搭載相應清洗裝備的智能無人機完成目標光伏組件的識別及清洗任務是現(xiàn)實可行的。

2 多旋翼清洗無人機在屋頂類分布式光伏電站應用的關鍵技術(shù)

光伏組件的清洗工作是光伏電站日常維護工作的重要任務，若不及時清洗光伏組件表面的灰塵等沉積物，一方面會降低光伏電站的發(fā)電效率，另一方面也會造成嚴重的熱斑效應，對太陽電池造成無法挽回的嚴重損失。

目前，無人機搭載紅外熱成像儀和可見光成像設備，基于人工智能圖像識別技術(shù)，可實現(xiàn)光伏組件的熱斑檢測、表面積灰檢測、裂損檢測、表面遮擋物檢測等功能。利用多旋翼清洗無人機開展屋頂類分布式光伏電站的日常維護工作，能有效解決此類光伏電站光伏組件的清洗難題，明顯降低勞動力成本和物料消耗，杜絕人工登高作業(yè)引起的安全風險，極大提升清洗效率和清洗質(zhì)量，綜合經(jīng)濟效益顯著。

應用多旋翼清洗無人機實現(xiàn)光伏組件的清洗工作，除了需配備三軸飛控系統(tǒng)和采用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK)的高精度定位系統(tǒng)外，還應具備目標圖像識別與精準定位技術(shù)、清洗裝置的遙控與調(diào)整技術(shù)、飛行姿態(tài)調(diào)整與平衡技術(shù)，以及飛行路徑自動規(guī)劃和避障技術(shù)等關鍵技術(shù)。

2.1 目標圖像識別與精準定位技術(shù)

由于大多數(shù)屋頂類分布式光伏電站中光伏陣列的布置排列方式比較復雜，這給多旋翼清洗無人機的清洗作業(yè)帶來一定的挑戰(zhàn)，要求其應具備目標圖像識別與精準定位技術(shù)。基于機器視覺技術(shù)，多旋翼清洗無人機應能夠精確識別光伏組件邊框位置、光伏組件安裝傾角、光伏陣列排布方式等信息，將拍攝的圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡筝斎氲蕉嘈砬逑礋o人機的飛控系統(tǒng)中，控制無人機精準定位在需要清洗的光伏陣列起始端位置，以便于開展光伏組件的清洗工作。清洗完一排光伏陣列的組件后，多旋翼清洗無人機自動飛行并定位到下一排光伏陣列的起始端，重新啟動清洗作業(yè)；如此直至完成整個屋頂類分布式光伏電站的清洗工作。

2.2 清洗裝置的遙控與調(diào)整技術(shù)

不同于專門用于巡檢測試的無人機，多旋翼清洗無人機需要在智能無人機的輔助系統(tǒng)中增加高壓氣瓶、儲水容器、距離傳感器、噴射裝置、清洗裝置及控制電路等部分。影響清洗效果的因素有噴射管路布置位置、噴嘴形狀、噴嘴個數(shù)、噴射角度、噴射距離、清洗裝置結(jié)構(gòu)、清洗裝置作用在目標光伏組件上的壓力等。

在多旋翼清洗無人機進行清洗作業(yè)時，通過控制合適的噴射距離，遠程啟動噴射角度調(diào)整機構(gòu)，與光伏組件表面呈適當?shù)慕嵌龋褂酶邏荷淞鳑_洗光伏組件表面，積灰和遮擋物就會在水流的作用下脫離光伏組件表面；然后遠程啟動清洗裝置，使清洗裝置接觸光伏組件表面，通過調(diào)整合適的接觸壓力，對光伏組件表面進行擦洗，徹底清除光伏組件表面的積灰，從而增強清潔效果和清潔質(zhì)量。

2.3 飛行姿態(tài)調(diào)整與平衡技術(shù)

將多旋翼清洗無人機應用于光伏組件的清洗作業(yè)時，當驅(qū)動噴射裝置和清洗裝置時，清洗無人機都要受到反作用力的沖擊，會對飛行穩(wěn)定性造成一定的影響，導致清洗效果下降。因此，要求清洗無人機具有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，考慮到清洗裝置驅(qū)動時的回沖力和陣風等干擾因素，控制系統(tǒng)應具有自動調(diào)整飛行姿態(tài)并保持動態(tài)平衡的控制策略。

2.4 飛行路徑自動規(guī)劃和避障技術(shù)

屋頂類分布式光伏電站分布區(qū)域廣、光伏組件安裝形式多樣，在進行清洗作業(yè)時，要求多旋翼清洗無人機應能根據(jù)光伏陣列排布方式，自動規(guī)劃飛行路徑，優(yōu)化清洗線路，主動避讓障礙物。多旋翼清洗無人機進行清洗作業(yè)時，分步驟作業(yè)，先進行偵查，空載圍繞需要清洗的光伏電站飛行一圈，對光伏組件位置、特殊障礙物等進行空中圖像掃描，分辨光伏陣列的位置、光伏組件安裝傾角、光伏陣列數(shù)量，識別障礙物，建立圖像模型并將數(shù)字信息傳遞給飛控系統(tǒng)；然后裝載清洗液起飛，根據(jù)事先偵查確定的光伏組件位置，引導清洗無人機進行清潔作業(yè)，從而避免重復作業(yè)，提高作業(yè)效率。

3 多旋翼清洗無人機在屋頂類分布式光伏電站的應用實踐及展望

3.1 應用實踐

經(jīng)過對某型號四旋翼無人機進行改裝，使其成為清洗無人機。該清洗無人機自重為22 kg，掛載22 L的水箱，滿載巡航時間為25 min，巡航時速為5～8 m/s，4組壓力噴頭對稱安裝在其中2個旋翼槳葉的下部，射流控制壓力為2 MPa。

2022年2月，應用該清洗無人機對1#企業(yè)廠區(qū)光伏車棚上的光伏組件進行清洗試驗，清洗現(xiàn)場如圖5所示。

該光伏車棚的裝機容量約為30 kW，光伏組件位于車棚頂部，距離地面2.6 m左右，使用人工清洗較為困難。清洗前，光伏組件表面已完全被灰塵覆蓋，呈現(xiàn)灰白色。清洗時間為10 min，清洗步驟分為兩步，第1步是先噴撒清潔劑，第2步采用加壓后的清水沖洗。清洗后光伏車棚頂部的光伏組件積灰全部被清除掉，光伏組件表面露出本來的藍黑色，但部分區(qū)域也存在因環(huán)境溫度低造成的凝結(jié)顆粒物，分析認為是廠區(qū)內(nèi)漂浮的氧化鋁顆粒沉積物。清洗結(jié)束1周后測得的光伏車棚發(fā)電量與清洗前時相比，約有2%的提升。

2#企業(yè)廠區(qū)在車棚頂部總共安裝有50 kW的光伏組件，分布在5個區(qū)域。2022年4月，應用多旋翼清洗無人機對車棚頂部的光伏組件進行清洗，清洗時間約為20 min，作業(yè)步驟與1#企業(yè)光伏車棚的相同。清洗后光伏組件與未清洗光伏組件的外觀對比效果非常明顯，如圖6所示。

對上述兩個企業(yè)1年內(nèi)的光伏組件清洗記錄進行粗略統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，1架多旋翼清洗無人機一天至少可以完成1 MW屋頂類分布式光伏電站的清洗任務，清洗效率是人工清洗的40多倍，耗水量只有人工清洗的1/10，成本僅是人工清洗的1/3左右，除塵率超過90%，清洗效果受到業(yè)主好評。

3.2 前景展望

應用多旋翼清洗無人機技術(shù)，是解決屋頂類分布式光伏電站運維難題的有效手段。與人工清洗作業(yè)和應用智能機器人清洗作業(yè)相比，多旋翼清洗無人機具有機動性好、轉(zhuǎn)場方便、對不同類型光伏電站的適應性強、省時省力、清洗效率和清洗質(zhì)量高的優(yōu)勢，特別是較好地解決了人工清洗需登高作業(yè)帶來的安全問題和智能機器人跨陣列清洗帶來的成本增加問題。目前，無人機在電力巡檢領域得到了認可和大力推廣，隨著智能無人機目標識別與精準定位技術(shù)、清洗裝置遙控與調(diào)整技術(shù)、飛行姿態(tài)調(diào)整與平衡技術(shù)、飛行路徑自動規(guī)劃和避障技術(shù)、續(xù)航能力等的發(fā)展和突破，多旋翼清洗無人機在屋頂類分布式光伏電站的應用前景將會越來越廣泛。

4 結(jié)論

本文對多旋翼清洗無人機清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了分析，研究了可用于屋頂類分布式光伏電站光伏組件清洗作業(yè)的多旋翼清洗無人機的關鍵技術(shù)，并對此類清洗無人機的應用進行了列舉與前景展望。研究結(jié)果顯示：對于1 MW屋頂類分布式光伏電站的清洗任務，多旋翼清洗無人機的清洗效率是人工清洗的40多倍，耗水量只有人工清洗的1/10，成本僅是人工清洗的1/3左右，除塵率超過90%。以期該研究可解決此類光伏電站運維管理中存在的人工作業(yè)效率低、光伏組件清洗不易等問題，為屋頂類分布式光伏電站的專業(yè)化、精細化運維提供一種新的技術(shù)方案。