王子文 李明濱 慕 松 王燕昌

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1,寧夏 銀川 750021；寧夏大學(xué)新能源研究中心2,寧夏 銀川 750021；寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院3，寧夏 銀川 750021)

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大型光伏電站光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)的設(shè)計(jì)

王子文1李明濱2慕 松12王燕昌3

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1,寧夏 銀川 750021；寧夏大學(xué)新能源研究中心2,寧夏 銀川 750021；寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院3，寧夏 銀川 750021)

針對(duì)光伏板發(fā)電量受其表面灰塵影響較大及大型光伏電站光伏板清洗難度大的現(xiàn)象，提出了新型光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。光伏組件均有一定的安裝角度，設(shè)計(jì)結(jié)合了真空吸附技術(shù)、履帶驅(qū)動(dòng)技術(shù)，保證清洗機(jī)能夠在傾斜的表面上自由移動(dòng)?？紤]到我國(guó)西北地區(qū)大型光伏電站所處風(fēng)沙較大、人力資源匱乏、干旱少雨等特殊環(huán)境，提出三步清洗法，保證清洗機(jī)高效地完成光伏組件的清洗任務(wù)。理論計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)是完全可以實(shí)現(xiàn)的，且在原理性驗(yàn)證試驗(yàn)中清洗效果較好，達(dá)到預(yù)定要求。

光伏組件 光伏發(fā)電 自動(dòng)清洗機(jī) 單片機(jī) 三步清洗法 真空吸附

Three-step cleaning method Vacuum adsorption

0 引言

太陽能以其來源廣泛、清潔、無污染，作為21世紀(jì)受歡迎的新型能源，日益受到世界各國(guó)的關(guān)注[1]。光伏發(fā)電是太陽能利用的主要方向之一。在大型光伏電站運(yùn)營(yíng)過程中，發(fā)電量是電站運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。除光伏陣列效率、逆變器轉(zhuǎn)換效率、并網(wǎng)效率等影響因素外，光伏組件表面積塵對(duì)發(fā)電量影響也較大。在對(duì)蚌埠2 MW非晶硅光伏電站的測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，20天的表面積塵使光伏組件串的發(fā)電功率降低24%[2-3]。張風(fēng)等人對(duì)TSM—DC01A.05進(jìn)行研究，在輻照度和溫度分別為1 000 W/m2和25°情況下，當(dāng)光伏組件灰塵濃度從0增加到5 g/m2時(shí)(增量為1)，組件輸出功率由192.3 W降至147.6 W，降幅為6.67%、11.96%、16.28%、20.07%和23.24%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，光伏組件表面積塵嚴(yán)重影響其發(fā)電效率。另外灰塵堆積會(huì)引起熱斑效應(yīng)，影響組件壽命，并造成安全隱患[4]。我國(guó)大型光伏電站主要集中于西部戈壁荒漠地區(qū)，干旱少水，交通較不方便，而且人工清洗光伏組件工作量較大，成本較高。因此研制一種新型大型光伏電站光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)是非常必要的，且擁有較大使用價(jià)值。

1 光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)概況

目前，常用的地面光伏陣列清洗方案主要有：管道清洗方案、無管道清洗方案和自清潔玻璃方案[5]。以上三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。管道清潔方案需在電站內(nèi)部鋪設(shè)輸水管道，同時(shí)結(jié)合人力資源完成清掃，對(duì)水資源、地質(zhì)施工條件有較高要求，且鋪設(shè)費(fèi)用較高；無管道清洗方案通過借助灑水車，將清潔用水運(yùn)至電站內(nèi)部，通過壓力噴頭進(jìn)行噴灑和清掃，本方案對(duì)水資源和光伏電站內(nèi)部道路有一定要求；自清潔玻璃方案，通過在光伏組件表面涂有特殊材料生成涂層，利用水和涂層的超強(qiáng)親和力，水接觸到玻璃材料后，迅速在其表面鋪展成均勻水膜，在水膜重力作用下帶走灰塵[6]。前兩種方案對(duì)水資源、電廠內(nèi)部施工條件或道路條件有較高要求，第三種方案則成本較高且對(duì)降水量有較高要求。由于我國(guó)西部地區(qū)屬于干旱少雨、風(fēng)沙頻發(fā)的自然環(huán)境，因此以上三種方案均不適用于我國(guó)西部大型光伏電站。目前我國(guó)西部大型光伏電站一般采用人工清洗法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，無法滿足大型光伏電廠對(duì)光伏組件的清洗要求，且清洗成本較高。

市場(chǎng)上常見自動(dòng)清洗機(jī)一般應(yīng)用于地面衛(wèi)生清掃和玻璃擦洗。地面衛(wèi)生自動(dòng)清掃機(jī)只能在水平地面上移動(dòng)，并清掃地面上的灰塵和體積較小的垃圾；玻璃自動(dòng)清洗機(jī)，可在豎直玻璃面上自由移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中完成對(duì)玻璃的擦洗任務(wù)。當(dāng)灰塵顆粒較大或灰塵較多時(shí)，玻璃自動(dòng)清洗機(jī)清洗效果較差。在大型光伏電站中，光伏組件均有一定安裝角度，且光伏組件表面灰塵積累量較大，上述兩種常見自動(dòng)清洗機(jī)均不適用。因此設(shè)計(jì)一種新型光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)是非常有必要的，且具有較大的實(shí)用價(jià)值。

2 工作原理

光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)以單片機(jī)為控制單元，控制各用電設(shè)備的工作情況；以超聲波測(cè)距模塊和陀螺儀感應(yīng)模塊作為測(cè)量元件，時(shí)刻檢測(cè)清洗機(jī)位置信息，并將信息傳至單片機(jī)供其運(yùn)算和判斷，然后控制運(yùn)動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)。清洗機(jī)工作時(shí)，需通過一定方式貼附到光伏板表面，不會(huì)滑落。當(dāng)清洗機(jī)機(jī)體穩(wěn)定貼附到光伏板表面時(shí)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)機(jī)體的直行和轉(zhuǎn)向。為提高清洗效率，設(shè)計(jì)要求在清洗機(jī)移動(dòng)的過程中完成光伏板面的清洗任務(wù)。針對(duì)我國(guó)西北大型光伏電站所處特殊地理環(huán)境特點(diǎn)，提出先掃灰、進(jìn)一步清洗、清洗收尾的三步清洗法，保證清洗機(jī)快速高效地清洗光伏板表面，且不會(huì)造成二次污染。圖1為自動(dòng)清洗機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 自動(dòng)清洗機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為一種新型光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)，本設(shè)備需能夠緊緊貼附到光伏板表面，且在驅(qū)動(dòng)力的作用下在光伏板表面自由移動(dòng)，并能夠時(shí)刻將機(jī)體位置信息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳遞給控制器，確保清洗任務(wù)的順利進(jìn)行。本文主要說明吸附機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三步清洗法的設(shè)計(jì)和計(jì)算，控制部分從略。

3.1 吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

我國(guó)西部大型光伏電站光伏組件一般采用固定式的安裝方式。為較大程度接收太陽光照，提高太陽能利用效率，光伏組件均有一定角度的傾斜角度[7]。若使清洗機(jī)能夠在傾斜斜面上自由移動(dòng)，必須設(shè)置貼附裝置。現(xiàn)有貼附方式一般有以下五種：磁吸附、真空吸附、推力吸附、機(jī)械硬接觸吸附、粘著劑材料吸附。磁吸附方式只適用于磁性壁面，永磁式磁吸附方式與壁面離合時(shí)需要較大的力，電磁式磁吸附需要消耗電能且電磁體本身較重；真空吸附方式通過真空泵為密閉容腔提供負(fù)壓，利用壓差使裝置貼附到壁面，對(duì)接觸面有較高要求；推力吸附方式不需考慮泄漏問題，對(duì)壁面和材質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，但其控制較為復(fù)雜，體積較大，效率較低，目前不夠成熟；機(jī)械硬接觸方式需事先在壁面上鋪設(shè)軌道，以軌道作為約束和引導(dǎo)方式，但改造困難較大，成本較高；粘著劑材料吸附具有較好的越障功能，對(duì)壁面材質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，但只適用于微小型爬壁機(jī)器人[8]。綜合考慮光伏電站施工問題、光伏板材質(zhì)問題，以及光伏板表面形狀特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用真空吸附式結(jié)構(gòu)。圖2為清洗機(jī)吸附至光伏板表面靜態(tài)受力分析簡(jiǎn)圖。

圖2 清洗機(jī)靜止時(shí)受力分析簡(jiǎn)圖

清洗機(jī)所受光伏板支持力為：

Fn=PAn+mgcosθ

(1)

式中：Fn為清洗機(jī)所受支撐力，N；P為微型真空泵提供真空度，MPa，取P=-0.08 MPa；A為密閉容腔截面面積，m2；n為密閉容腔個(gè)數(shù)；m為清洗機(jī)總質(zhì)量，kg，取m=20 kg；θ為光伏組件安裝角，(°)，取θ=60°。

由平衡條件得：

mgsinθ≤f=μFn

(2)

式中:μ為機(jī)體材料與光伏板表面間摩擦系數(shù)，取μ=0.3。

聯(lián)立式(1)和式(2),得：

(3)

當(dāng)密閉容腔截面面積A較大時(shí)，冗余度較小，一旦斷電或者出現(xiàn)真空泄漏情況，機(jī)體將喪失吸附能力從而滑落。通過增加真空容腔個(gè)數(shù)，適當(dāng)減小密閉容腔截面面積A，可提高真空吸附冗余度。本設(shè)計(jì)中，取容腔半徑為10 mm。通過計(jì)算，求得n≈19，取n=20。

3.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

常見的移動(dòng)方式有以下五種：輪式、履帶式、腿足式、框架式、輪腿式。輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高速高效的優(yōu)點(diǎn)，但由于車輪接觸面較小，壁面適應(yīng)性差，維持一定的摩擦力較困難；履帶式結(jié)構(gòu)著地面積大，承載能力強(qiáng)，壁面適應(yīng)性較強(qiáng)，且有一定越障能力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；腿足式結(jié)構(gòu)壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，且移動(dòng)速度較慢；框架式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但體積較大且運(yùn)動(dòng)速度低；輪腿式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁面適應(yīng)性強(qiáng)，控制容易，但其在高度方向有位移脈動(dòng)[9]?？紤]到光伏板表面玻璃較為平整光滑，且要求清洗機(jī)結(jié)構(gòu)小巧，清洗完成后對(duì)板面損傷較小，本設(shè)計(jì)采用履帶式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

自動(dòng)清洗機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中將按照既定軌跡沿斜面運(yùn)動(dòng)。在向上運(yùn)動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)力不僅需克服機(jī)體重力沿光伏板斜面方向的分力，還需克服摩擦力，此時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力最大。圖3為清洗機(jī)沿斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)受力分析簡(jiǎn)圖。

圖3 清洗機(jī)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)受力分析簡(jiǎn)圖

由圖3得清洗機(jī)所需最大驅(qū)動(dòng)力為：

F=μ(PAn+mgcosθ)+mgsinθ

(4)

由圖1分析整理得：

F=2mgsinθ=346.4 N

(5)

(6)

式中：a為履帶單元長(zhǎng)度，mm；b為履帶單元寬度，mm；A1為履帶單元接地面積，mm2；n1為每側(cè)需履帶單元個(gè)數(shù)。

通過選型，最終選用a=20 mm、b=30 mm規(guī)格的橡膠履帶單元。將數(shù)據(jù)代入式(6)計(jì)算得n1≥4。即每側(cè)接地端的履帶單元各需4個(gè)，兩側(cè)共8個(gè)。對(duì)上述計(jì)算進(jìn)行反求驗(yàn)算。當(dāng)q0=0.1 MPa時(shí)，橡膠履帶所受摩擦力為：

Ff=2q0abn1η

(7)

式中：η為橡膠與玻璃間摩擦系數(shù)，取0.8。

代入數(shù)據(jù)求得Ff=384 N>346.4 N，所以設(shè)計(jì)滿足要求。

根據(jù)以上履帶單元選型和計(jì)算結(jié)果，選用96 Txls型同步帶輪。在此情況下，由直流減速電機(jī)作為動(dòng)力源，每側(cè)所需扭矩為：

(8)

式中：W為驅(qū)動(dòng)履帶所需扭矩，N·m；Fq為履帶牽引力，N；r為同步帶輪半徑，m。

將數(shù)據(jù)代入式(6)求得W=4.2 N·m。即每側(cè)直流減速電機(jī)所能提供的扭矩至少為4.2 N·m。根據(jù)自動(dòng)清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)計(jì)要求，選用FB-77524v12000型減速直流電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速為18 r/min(實(shí)際工作轉(zhuǎn)速可通過PWM直流調(diào)速器調(diào)整)，工作扭矩為5 N·m。

3.3 三步清洗法的設(shè)計(jì)

我國(guó)西部大型光伏電站所處環(huán)境較為惡劣，干旱少水，風(fēng)沙較大，人力資源短缺。通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電站內(nèi)光伏板表面污垢絕大部分為沙塵，常見清洗方法無法滿足對(duì)光伏組件的清洗任務(wù)。針對(duì)上述情況，提出了機(jī)械集塵、靜態(tài)除塵、柔性清洗的三步清洗法。由于光伏板表面沙塵較大，必須先進(jìn)行掃灰處理，使板面露出，才可進(jìn)行下一步清洗。為避免被擊起的灰塵對(duì)光伏板造成二次污染，還需對(duì)擊起灰塵進(jìn)行收集。螺旋輸送器，俗稱攪龍，利用螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將物料向某一方向推移，在物料傳送過程中應(yīng)用廣泛[11]。本設(shè)計(jì)選用螺旋式結(jié)構(gòu)作為機(jī)械擊塵、集塵裝置。圖4為機(jī)械式螺旋集塵機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。

圖4 水平式螺旋輸送器示意圖

本設(shè)計(jì)中，利用螺旋掃刷將光伏組件表面灰塵擊起，并在螺旋面的作用下將灰塵聚集到某處，然后排至下步除塵裝置中。圖5為灰塵在螺旋面作用下的運(yùn)動(dòng)分析圖。由圖5看出，螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，灰塵在螺旋槽中既有軸向速度V1，又有圓周速度V2，其合速度為V，實(shí)現(xiàn)將灰塵擊起并聚集到某一處[12]。然后將聚集的灰塵排至水封除塵箱，利用灰塵和水的親和力，完成灰塵和空氣的分離，實(shí)現(xiàn)灰塵的收集。

圖5 灰塵在螺旋面作用下的運(yùn)動(dòng)分析圖

第一步螺旋集塵工序完成后，可除去大部分灰塵，但板面仍殘留少量灰塵。在此情況下，在螺旋掃灰機(jī)構(gòu)后設(shè)置一靜態(tài)除塵模塊，用濕潤(rùn)多孔柔性材料去除第一步殘留灰塵，使光伏板露出光潔表面。由于水和灰塵間有較強(qiáng)親和力，若靜態(tài)除塵工序完成之后，遺留板面水漬不進(jìn)行及時(shí)處理，會(huì)對(duì)板面造成熱斑效應(yīng)，并會(huì)引起二次污染，增加板面吸灰速度和下次清洗難度。因此在靜態(tài)除塵模塊后設(shè)置一柔性清洗模塊，用于除去上步殘留水漬。通過機(jī)械集塵、靜態(tài)除塵、柔性清洗三道清洗工序，即完成對(duì)光伏板表面的較為干凈的清掃。在驗(yàn)證性試驗(yàn)中，三步清洗法清洗效果較好，達(dá)到預(yù)期效果。

4 控制模塊簡(jiǎn)介

圖6為控制程序流程圖。

圖6 控制程序流程圖

清洗機(jī)主要由行走單元、清掃單元和控制單元組成。行走單元主要包括機(jī)體、直流減速電機(jī)、同步帶輪、履帶微型真空泵以及密閉容腔；清掃單元包括直流減速電機(jī)、機(jī)械集塵模塊、靜態(tài)除塵模塊和柔性清洗模塊；控制單元包括超聲波測(cè)距模塊、陀螺儀感應(yīng)模塊和單片機(jī)檢測(cè)控制模塊。清洗機(jī)工作時(shí)，將自動(dòng)清洗機(jī)平行于光伏板表面放置，并施加一定壓力，啟動(dòng)微型真空泵，為密閉容腔提供負(fù)壓，使機(jī)體吸附至光伏板表面。待機(jī)體牢固吸附至光伏板表面，單片機(jī)控制直流減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)同步帶輪和履帶運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)體直線和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)清掃單元工作。清洗機(jī)行進(jìn)過程中，超聲波測(cè)距模塊和陀螺儀感應(yīng)模塊時(shí)刻采集清洗機(jī)機(jī)體位置及姿態(tài)信息，傳至單片機(jī)檢測(cè)控制模塊，做出相應(yīng)判斷并及時(shí)調(diào)整清洗機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。

5 結(jié)束語

計(jì)算結(jié)果表明，新型光伏電站光伏組件自動(dòng)清洗機(jī)的設(shè)計(jì)是完全可行并且可以實(shí)現(xiàn)的。在原理性驗(yàn)證試驗(yàn)中，清洗效果較好，達(dá)到預(yù)期清洗效果。本設(shè)計(jì)能夠較好地適應(yīng)我國(guó)西北地區(qū)大型光伏電站所處的特殊環(huán)境，具有節(jié)約水資源、清洗效果好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。目前本設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成整機(jī)的概念設(shè)計(jì)，并正著手進(jìn)行實(shí)物制作，完善概念設(shè)計(jì)中的不足。

[10]邵賢林，王平.螺旋輸送器的設(shè)計(jì)計(jì)算及其在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用[J].中華紙業(yè),2013(10):44.

[11]王繼偉，于文娟.螺旋輸送器的類型及輸送機(jī)理分析[J].糧油加工,2010(7):159.

Design of the Automatic Cleaning Machine for PV Modules in Large Scale Photovoltaic Power Station

The generation capacity of the photovoltaic (PV) panels is influenced by dust on the surface,and it is difficult to clean the PV panels of large scale PV power station,thus the design concept of new type of automatic cleaning machine for PV modules is proposed.Due to PV modules are installing in certain angle,the design combines vacuum adsorption technology and crawler drive technology,to ensure the cleaning machine moving freely on inclined surfaces.Considering the particular environment in which the large scale PV power stations located,e.g.,heavy wind and sand,lack of human resources,and drought,etc.,the three-step cleaning method is proposed for ensuring the cleaning machine completes the cleaning task in high efficiency.The results of theoretical calculation show that the design is fully implemented,and the cleaning effect is better in verification test of principium,and reaches the predetermined requirements.

Photovoltaic module Photovoltaic power generation Automatic cleaning machine Sigle chip machine

TH12;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601018