曲君樂，呂斌，吳承璇，劉杰，雷卓

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

太陽能電池作為全球普及的綠色能源已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前電力、煤炭和石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，越來越多的國(guó)家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力［1］。太陽能電池板是由若干個(gè)太陽能電池組件按一定方式組裝在一塊板上的組裝件，是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。當(dāng)太陽能電池板布滿灰塵時(shí)，其電能轉(zhuǎn)換率就會(huì)下降30%～40%，若長(zhǎng)期不清潔，蓄電池就不能保持足夠的電量，以致于被頻繁充電，從而導(dǎo)致其壽命縮短，影響其發(fā)電效率［2］。因此，亟需找到一種高智能、高自動(dòng)化與可靠性、性價(jià)比高的清掃太陽能電池板的技術(shù)方案，以提高“綠色能源”轉(zhuǎn)換效率，滿足低碳社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

目前，任何一種提高太陽能轉(zhuǎn)換率的方法，都需要在太陽能電池板或儀器表面保持清潔的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)，否則就會(huì)影響到應(yīng)用效果。尤其當(dāng)太陽能電池板表面有水露、濕氣時(shí)，灰塵和沙土更容易附著在其表面。目前國(guó)內(nèi)有多種太陽能電池板清掃方法，一種是應(yīng)用于航天領(lǐng)域的高端太陽能電池板清掃裝置，采用電化學(xué)方法清理表面附著的灰塵［3］，該方法成本很高不利于推廣;另一種方法是清潔工人使用高空作業(yè)工具進(jìn)行人工清掃，不僅危險(xiǎn)系數(shù)大，而且維護(hù)成本高。

基于上述原因，本文設(shè)計(jì)出一種功能完善、性價(jià)比高的太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池板的智能清掃，滿足太陽能電池板維護(hù)領(lǐng)域的市場(chǎng)需要。

1 總體設(shè)計(jì)

太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置主要用于維護(hù)露天使用的太陽能電池板，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。該自動(dòng)清掃裝置包括步進(jìn)電機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)、清掃刷、濕度傳感器、蓄電池、控制電路板及用于與電池板固定的基座等組成，可以對(duì)電池板進(jìn)行扇形往復(fù)清掃，清掃時(shí)間可以根據(jù)具體環(huán)境設(shè)定。該裝置主要由用于固定在電池板邊框的基座固定部分及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、清掃、傳感器、電路控制等部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Total structure diagram of automatic cleaning device of a solar panel

正常使用時(shí)，太陽能電池板吸收太陽光，轉(zhuǎn)換成電能對(duì)蓄電池充電蓄能，進(jìn)而利用蓄電池為電路控制板提供工作電源［4］。維護(hù)人員可以通過時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕設(shè)定清掃刷的定期清掃時(shí)間及頻率，例如將清掃周期設(shè)置為1、2、3 d等，每次動(dòng)作時(shí)間5、10、15、30 s 等?？刂瓢甯鶕?jù)設(shè)定的時(shí)間和頻率，定時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)清掃刷自動(dòng)清掃太陽能電池板上的灰塵、污垢或者雨水、積雪。清掃時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1 周，驅(qū)動(dòng)擺桿旋轉(zhuǎn)1 周，進(jìn)而帶動(dòng)刷架以刷座為支點(diǎn)，先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，完成一個(gè)往復(fù)清掃動(dòng)作過程。此外，當(dāng)控制板根據(jù)濕度傳感器采集到的濕度數(shù)據(jù)，判斷遇到雨雪天氣時(shí)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)立即清掃太陽能電池板的采光面板，以達(dá)到最佳清掃效果。

圖2 太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Mechanical structure illustration of automatic cleaning device of a solar panel

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括固定基座、平行四連桿機(jī)構(gòu)、清掃刷架和電控系統(tǒng)等部分。

2.1 太陽能電池板固定基座盒

太陽能電池板固定基座用于將清掃裝置與太陽能電池板進(jìn)行固定，同時(shí)將刷座、步進(jìn)電機(jī)、濕度傳感器和電路控制單元密封安裝在基座盒內(nèi)?；惺翘柲茈姵匕迩鍜哐b置的控制箱，內(nèi)部安裝的刷座與清掃電池板的刷架連接，作為清掃刷架與平行四連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)工作的可靠性，將電路控制板、步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)電位器內(nèi)置于基座盒中，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸穿出基座盒的上殼體與擺桿連接。濕度傳感器可以直接安裝在基座盒的殼體上，也可以僅將其感應(yīng)觸頭露出基座盒殼體。

2.2 平行四連桿機(jī)構(gòu)

通過固定在電機(jī)輸出軸上的擺桿、連桿及刷頭固定座組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，可以使太陽能電池板清掃裝置運(yùn)行更平穩(wěn)、輸出力更大。平行四連桿機(jī)構(gòu)中可以設(shè)置刷架、擺桿以及鉸接在刷架與擺桿之間的連桿，將所述擺桿的一端與步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸固定連接，另一端與連桿相鉸接，即可以通過銷軸與連桿的一端鉸鏈連接;將連桿的另一端通過銷軸與刷架相鉸接［5］，如圖3 所示，優(yōu)選鉸接在刷架的中間部位(這里的中間部位是指除刷架兩端的其余部位，需要根據(jù)擺桿和連桿的長(zhǎng)度具體確定)，圖3 中15 指連桿和刷架之間用銷軸連接。將刷架的一端與刷座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并將刷座固定安裝在基座盒上。在刷架上安裝清掃刷，當(dāng)刷架移動(dòng)時(shí)，便可以帶動(dòng)清掃刷在太陽能電池板上移動(dòng)，完成灰塵、雨雪等附著物的清掃工作。

圖3 連桿與刷架之間的鉸接結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hinge structure between the rod and the brush holder

2.3 清掃刷架

清掃刷架由氯丁橡膠板條和毛刷組成，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)太陽能電池板受光面進(jìn)行表面清掃。清掃刷優(yōu)選安裝在刷架朝向太陽能電池板的采光面板的側(cè)面上，即圖2 所示的刷架與擺桿接觸的太陽能電池板表面。將基座盒固定安裝在太陽能電池板一側(cè)的端部，如電池板矩形長(zhǎng)邊的端部，則刷架在初始位置應(yīng)沿太陽能電池板的相鄰一側(cè)方向延伸，即向太陽能電池板的矩形寬邊方向延伸，且刷架的長(zhǎng)邊以及其上安裝的清掃刷的長(zhǎng)度最好與太陽能電池板的采光面板的寬邊長(zhǎng)度相當(dāng)，即等于或者略小于采光面板的寬邊長(zhǎng)度。這樣，在刷架帶動(dòng)清掃刷以刷座為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以獲得最大的清掃范圍。

3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置電控系統(tǒng)主要包括電路控制板、步進(jìn)電機(jī)、濕度傳感器及時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕等部分，其電路原理框圖如圖4 所示。

圖4 太陽能電池板自動(dòng)清掃裝置電路原理框圖Fig.4 Circuit principle diagram of automatic cleaning device of a solar panel

電路控制板作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，分別與濕度傳感器和電機(jī)對(duì)應(yīng)連接，當(dāng)控制板檢測(cè)到通過濕度傳感器反饋的濕度檢測(cè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的環(huán)境濕度值超過預(yù)先寫入的設(shè)定值時(shí)，則認(rèn)為外界環(huán)境的濕度過大，可能出現(xiàn)雨雪天氣，進(jìn)而輸出控制信號(hào)啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)清掃刷執(zhí)行清掃工作，對(duì)積聚在太陽能電池板的采光面板上的雨水或者積雪及時(shí)進(jìn)行清理。

在其他天氣環(huán)境下，為了對(duì)積聚在采光面板上的灰塵進(jìn)行定期清掃，可在基座盒上安裝時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕，連接所述的控制板，以方便維護(hù)人員根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)境狀況，通過操作時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕改變定時(shí)清掃時(shí)間的設(shè)定值，并限定每次動(dòng)作次數(shù)(為降低功耗，清掃刷每間隔3 min 動(dòng)作1 次)。

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕與1 電位器的旋鈕相連接，將電位器的供電端子連接直流電源，通過旋轉(zhuǎn)時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕來改變電位器的阻值，并通過控制板來檢測(cè)電位器的阻值變化，進(jìn)而換算生成定時(shí)清掃時(shí)間的設(shè)定值保存下來，以便日后根據(jù)該設(shè)定值自動(dòng)控制清掃刷對(duì)太陽能電池板進(jìn)行定期清掃工作。

當(dāng)然，也可以直接將定時(shí)清掃時(shí)間的設(shè)定值固化在系統(tǒng)的軟件程序中，控制板在運(yùn)行過程中可以直接調(diào)用該設(shè)定值來確定清掃的周期和頻率，進(jìn)而控制清掃刷進(jìn)行定期的清掃工作。

對(duì)于清掃裝置中各用電負(fù)載所需的工作電源，可以直接由與太陽能電池板相連接的蓄電池轉(zhuǎn)換提供。在太陽能電池板工作期間，轉(zhuǎn)換生成的電能輸出至蓄電池，為蓄電池充電蓄能。經(jīng)由蓄電池輸出的直流電源可以通過電壓轉(zhuǎn)換電路穩(wěn)壓生成控制板、濕度傳感器、步進(jìn)電機(jī)以及電位器所需要的工作電源，通過電源線為這些用電負(fù)載供電。

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制板處理器選用Microchip 公司的8 位單片機(jī)PIC18F2520，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用深圳鼎拓機(jī)電公司的M415B。M415B 性價(jià)比較高，可接24～40 V 直流電源，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1.5 A，細(xì)分精度64 細(xì)分可選，動(dòng)態(tài)可改細(xì)分，20 kHz 斬波頻率，最高頻率為100 kHz［6］。如圖5 所示，PIC18F2520 的RC0、RC1、RC2 口分別與三極管構(gòu)成開關(guān)電路，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的光耦隔離電路，為驅(qū)動(dòng)器提供脈沖、方向與使能信號(hào)。

當(dāng)PIC18F2520 檢測(cè)的濕度值達(dá)到或超過上限閾值時(shí)，RC2 輸出低電平，使能M415B，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使清掃刷開始工作。RC1 可按設(shè)定的時(shí)間周期間歇輸出方波信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)交替正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)清掃刷呈扇形擺動(dòng)，持續(xù)清掃太陽能電池板的表面。而RC0 可輸出脈沖信號(hào)，該信號(hào)上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一固定角度，可精確控制清掃刷擺動(dòng)的總角度。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 Circuit principle diagram of a stepper motor driver

3.2 濕度傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

濕度傳感器選用瑞士Sensirion 公司的SHT15，該傳感器還集成溫度傳感器，可輸出完全標(biāo)定好的數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)通過I2C 接口串行通訊。SHT15 功耗很低，且SMD 表貼封裝，其濕度精度±2.0%RH，溫度精度±0.3℃［7］，其測(cè)得的濕度信號(hào)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

如圖6 所示，PIC18F2520 的RC3 口提供串行時(shí)鐘信號(hào)給SHT15，RC4 口可與SHT15 進(jìn)行雙向通訊。設(shè)計(jì)SHT15 應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)做好散熱設(shè)計(jì)，保持清掃裝置的良好通風(fēng)。

圖6 濕度傳感器檢測(cè)電路原理圖Fig.6 Principle diagram of the detecting circuit of the humidity sensor

4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的太陽能電池板清掃裝置在特殊天氣條件下自動(dòng)響應(yīng)的工作性能，在恒溫19.6℃的實(shí)驗(yàn)室中，使用加濕器對(duì)空氣進(jìn)行加濕，并設(shè)定濕度上限閾值為65.0%RH。使用信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)RC0 口輸出的脈沖數(shù)，以驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的精確度及響應(yīng)時(shí)間;使用示波器檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)A、B 相驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間，以驗(yàn)證電機(jī)響應(yīng)起轉(zhuǎn)的時(shí)間。將太陽能電池板清掃裝置安裝于光伏太陽能照明燈桿頂部，太陽能電池板對(duì)路燈監(jiān)控終端進(jìn)行供電。通過遠(yuǎn)程GPRS 路燈監(jiān)控系統(tǒng)，可將太陽能電池板清掃裝置的功耗、太陽能電池板正常供電時(shí)間等數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程管理中心。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 太陽能電池板清掃裝置性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Performance experimental results of automatic cleaning device of a solar panel

續(xù)表1

由表1 可以看出，在加濕器持續(xù)加濕下，濕度由22.3%RH 逐漸上升，當(dāng)達(dá)到閾值65.0%RH 時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，正反轉(zhuǎn)步數(shù)在260～261，基本沒有丟步現(xiàn)象;電機(jī)正反轉(zhuǎn)響應(yīng)時(shí)間在137～152 ms，說明清掃裝置響應(yīng)迅速。電機(jī)開啟后，功耗由490 mW 左右最高上升到654 mW，表明裝置總體功耗較低。此外，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，不使用清掃裝置，太陽能電池板平均供電時(shí)間為172.18 h;而在戶外不使用清掃裝置，太陽能電池板應(yīng)用一周后，平均供電時(shí)間為156.67 h。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)證明，本太陽能電池板清掃裝置工作穩(wěn)定可靠。該裝置已應(yīng)用于市政道路照明、海上浮標(biāo)等領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用證明，該裝置可有效地維護(hù)太陽能電池板的工作效率，使太陽能電池板的正常供電時(shí)間長(zhǎng)期保持在170 h 以上。

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［3］ALAN CHERN.太陽能電池板效率計(jì)(Efficiency Meter)［J］.電子與電腦，2011(5):46 -48.

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［5］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［6］深圳市鼎拓機(jī)電有限公司.M415B 驅(qū)動(dòng)器說明書［EB/OL］.［2012 -11 -02］.http://www.dt -me.com/UploadFiles/M415B%E7%BB%86%E5%88%86%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E9%A9%B1%E5%8A%A8%E5%99%A8.pdf.

［7］The sensor company.技術(shù)手冊(cè)SHT1x (SHT10，SHT11，SHT15)［EB/OL］.［2011 -11 -02］.http://www.sensirion.com.cn/product/downimg/C-Datasheet_SHT1xV5.pdf.