范旭浩++李子翰++李家靖++張寶元++歐香念

摘 要：隨著我國(guó)光伏發(fā)電事業(yè)飛速發(fā)展，光伏電站裝機(jī)容量急速擴(kuò)張，提高光伏電站發(fā)電效率、增加光伏電站發(fā)電量成為值得探索研究的重要課題。本文討論了一種新型光伏組件面板無(wú)水清灰結(jié)構(gòu)和控制清洗裝置在工作場(chǎng)內(nèi)的尋跡追蹤策略，無(wú)水清潔自貼合結(jié)構(gòu)用于清洗光伏面板，尋跡追蹤系統(tǒng)通過(guò)預(yù)設(shè)的行進(jìn)軌跡進(jìn)行對(duì)陣列式電站的往復(fù)清洗操作。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；無(wú)水清洗；循跡追蹤

中圖分類號(hào)：TP206+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）19-0079-02

1 研究背景

由于光伏場(chǎng)地風(fēng)沙的原因?qū)е聣m土?xí)苯痈采w光伏組件，嚴(yán)重影響光伏發(fā)電效率。隨著使用時(shí)間的積累，光伏面板的迎光面會(huì)積累一層灰塵，既減弱了太陽(yáng)能電池板對(duì)光的吸收，影響電池板的發(fā)電量，也容易因“熱島效應(yīng)”造成電池局部發(fā)熱而損壞。當(dāng)板上布滿灰塵時(shí)，對(duì)其轉(zhuǎn)換功率影響十分巨大，其電能轉(zhuǎn)換效率就會(huì)降低30%～40%，若長(zhǎng)期不清潔，蓄電池就不能保持足夠的電量，以至于被頻繁充電，從而導(dǎo)致其壽命縮短，影響發(fā)電效率。

2 清洗除塵方案的設(shè)計(jì)與選擇

粉塵的清洗方式一共可以分為三種，分別是拉伸方式、滑動(dòng)分式、和關(guān)東方式。其中1、拉伸方式具體的拉力過(guò)程是：當(dāng)去除力（Ff）驗(yàn)證吸附表面的方向施加時(shí)，并且大于吸附力（Fad）即可以將粉塵與吸附表面進(jìn)行分離，即：Ff>Fad；2、滑動(dòng)方式具體的拉力過(guò)程：當(dāng)去除力（Ff）沿著吸附表面的方向，并且大于靜摩擦（f）力，從而達(dá)到使粉塵與吸附表面分離去除的目的，即Ff>f=f（Fad）；3、滾動(dòng)方式的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：當(dāng)施加于粉塵表面的清楚力矩（Mf）大于吸附于物體表面產(chǎn)生的阻抗力矩（Ma），從而達(dá)到清除粉塵的目的，即Mf>Ma。如圖1所示為粉塵被清除的三種方式的示意圖。

在分析了粉塵粘附機(jī)制和粉塵去除機(jī)制基礎(chǔ)上，根據(jù)除塵動(dòng)作和方式的需求，設(shè)計(jì)一種機(jī)械式光伏組件自動(dòng)除塵裝置，該裝置在本身的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)滑動(dòng)方式和滾動(dòng)方式對(duì)光伏組件的表面的灰塵進(jìn)行清除。根據(jù)該裝置的功能需求和運(yùn)動(dòng)要求，分別對(duì)組成該裝置的幾個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于光伏組件的表面，是除塵的關(guān)鍵部位。

3 無(wú)水清潔自貼合結(jié)構(gòu)

通過(guò)利用無(wú)水清洗結(jié)構(gòu)可自動(dòng)貼合太陽(yáng)能光伏發(fā)電面板，有效降低因道路不平、機(jī)械振動(dòng)等原因?qū)夥逑唇M件清洗效果造成的影響。該結(jié)構(gòu)包括盤(pán)刷模塊和滾刷模塊。在盤(pán)刷模塊中，其后部安裝十字萬(wàn)向節(jié)用以增加盤(pán)刷的自由度，在十字萬(wàn)向節(jié)外部套有彈簧，當(dāng)盤(pán)刷接觸到光伏面板時(shí)，盤(pán)刷與光伏面板間的壓力作用迫使彈簧發(fā)生形變、十字萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)向，使盤(pán)刷表面調(diào)整至與光伏板平行的位置，從而提高了盤(pán)刷的有效清潔面積，兩者間的壓力作用使得清洗效果更好；在滾刷模塊中，其后部?jī)蓚?cè)對(duì)稱安裝兩彈簧桿，當(dāng)滾刷與光伏板間有一定角度差時(shí)，滾刷與光伏板間的壓力作用使彈簧桿伸縮。在彈簧桿的推力下，滾刷座旋轉(zhuǎn)使?jié)L刷始終貼合于光伏板上。

整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，盤(pán)刷部分包括：十字萬(wàn)向節(jié)、彈簧，該部分模仿剃須刀結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)毛刷后部安裝十字萬(wàn)向節(jié)以增加旋轉(zhuǎn)毛刷的自由度，在萬(wàn)向節(jié)和彈簧的配合作用下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同角度的精確控制調(diào)節(jié)；滾刷部分包括：電機(jī)、毛刷、毛刷座和彈簧桿，通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)毛刷高速旋轉(zhuǎn)。在彈簧桿的推力下，毛刷座繞軸旋轉(zhuǎn)，使毛刷始終貼合于光伏板上；調(diào)節(jié)裝置部分包括：電動(dòng)推桿、壓力傳感器，電動(dòng)推桿在內(nèi)部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿直線運(yùn)動(dòng)，壓力傳感器將清潔裝置與太陽(yáng)能板的壓力信息傳遞給主控芯片，使電動(dòng)導(dǎo)軌沿軸旋轉(zhuǎn)至與光伏板平行的位置。

4 尋跡追蹤系統(tǒng)

本系統(tǒng)對(duì)軌跡形式的設(shè)計(jì)與紅外傳感器的布置問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種不同軌跡形式對(duì)應(yīng)不同動(dòng)作含義的軌跡識(shí)別引導(dǎo)加控制的方式，利用特殊的傳感器布置方式識(shí)別不同形式的軌跡，利用算法判斷識(shí)別的結(jié)果，并控制裝置動(dòng)作，以使裝置在不同位置對(duì)應(yīng)不同工作方式。該設(shè)計(jì)以軌跡設(shè)計(jì)以及算法的創(chuàng)新來(lái)代替有為引導(dǎo)作用而無(wú)控制作用的傳統(tǒng)路面尋跡式軌跡控制，僅需對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行小規(guī)模變動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)新的性能，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有路面尋跡式軌跡控制裝置功能單一的問(wèn)題，很大限度地挖掘了路面尋跡式軌跡控制方式的應(yīng)用潛力。

路面尋跡式軌跡控制是一種新型的裝置自動(dòng)行走引導(dǎo)方式，其實(shí)現(xiàn)方式可以運(yùn)用紅外技術(shù)或機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，由于不需要在地面額外鋪設(shè)裝置，具有成本較小、適用于多種地面、工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。在路面尋跡式軌跡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，傳感器的選用和算法設(shè)計(jì)是十分重要的。有些路面尋跡式軌跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，影響了其使用效果。路面尋跡式軌跡控制系統(tǒng)由路面軌跡傳感器、中央控制芯片組成。利用軌跡與路面的色差，將紅外線投射到地面后，感應(yīng)路面反射的紅外線強(qiáng)度，形成模擬信號(hào)傳給主控芯片，并由主控芯片內(nèi)置算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。然而現(xiàn)階段多數(shù)路面尋跡式軌跡控制系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單控制軌跡，沒(méi)有通過(guò)軌跡對(duì)裝置動(dòng)作進(jìn)行控制，當(dāng)裝置在軌跡的一定位置需要做出一定動(dòng)作時(shí)，用傳統(tǒng)方式往往難以實(shí)現(xiàn)[4]。

本系統(tǒng)軌跡設(shè)計(jì)如圖3（c）所示、傳感器設(shè)計(jì)如圖3（b）所示，傳感器（1）分內(nèi)圈（5）和外圈（6），內(nèi)圈傳感器主要用于感知黑色圓點(diǎn)（3），外圈傳感器前后各5個(gè)用于對(duì)齊黑色引導(dǎo)線（2），側(cè)向兩個(gè)傳感器（4）用于三條平行線（7）的感知。其中，內(nèi)圈傳感器只有在全部被觸發(fā)時(shí)才有效，如圖二所示，從而保證感應(yīng)準(zhǔn)確。當(dāng)外圈前后5個(gè)感應(yīng)到Y(jié)字型岔路口（8）時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)右轉(zhuǎn)，隨后感知到的黑色圓點(diǎn)每三個(gè)一周期，用于換行，在每一周期中：第一次感知到圓點(diǎn)時(shí)清潔裝置停止工作，換行動(dòng)作開(kāi)始；第二次感知時(shí)行進(jìn)方向反轉(zhuǎn)；第三次感知時(shí)清潔裝置重新開(kāi)始工作，完成換行動(dòng)作。

5 控制模塊設(shè)計(jì)

光伏組件因長(zhǎng)期累積灰塵，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電能的效率降低，因而需要及時(shí)清除表面的灰塵，此次設(shè)計(jì)除塵的對(duì)象時(shí)48V、200W的光伏組件，根據(jù)所選擇的電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)作為除塵系統(tǒng)最主要的負(fù)載，功耗也是最大的，單片機(jī)的IO不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此需要相對(duì)應(yīng)的2路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

單片機(jī)從溫濕度傳感器采集到溫度和濕度，綜合判斷后，發(fā)出指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)開(kāi)始除塵。本裝置除塵只針對(duì)光伏組件的面積，因此，必須增加2路限位開(kāi)關(guān)來(lái)限定步進(jìn)電機(jī)的行程。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行至光伏組件的邊緣時(shí)，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，單片機(jī)發(fā)出指令步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行。環(huán)境溫度，濕度以及電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)DTU無(wú)線傳輸給PC機(jī)或者PDA，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6 結(jié)語(yǔ)

光伏組件的自動(dòng)清潔裝置給光伏組件清潔提供了一種新思路，特別是該裝置將解決無(wú)水、缺水地區(qū)對(duì)光伏電站日常運(yùn)維的困難，實(shí)現(xiàn)光伏組件日清日潔，為光伏電站高效工作提供保障。本作品創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)械機(jī)構(gòu)通過(guò)多動(dòng)作協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)對(duì)光伏組件的表面進(jìn)行清掃以達(dá)到清潔光伏組件表面的目的；（2）基于尋跡原理控制自動(dòng)行走及工作，使用地面上畫(huà)出的軌跡實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)動(dòng)軌跡和裝置動(dòng)作的相對(duì)可控；（3）利用采樣和傳感器或者面板電流的方式來(lái)分析和評(píng)估組件的遮蔽情況，通過(guò)電流來(lái)評(píng)估組件的遮蔽情況。

限于實(shí)驗(yàn)條件，使用較小功率、較少數(shù)量的光伏組件進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)程序進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷?，只為檢驗(yàn)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和清潔效果。選擇英利集團(tuán)生產(chǎn)的光伏組件，功率為25瓦，最大開(kāi)路電壓22V，最大短路電流1.6A，最大工作點(diǎn)電壓17.5V，電流1.45A。結(jié)果表明，未清潔的光伏陣列發(fā)電效率隨著灰塵的增多越來(lái)越小，清潔系統(tǒng)清潔的光伏陣列發(fā)電效率始終處在較高的數(shù)值，高出未清潔的發(fā)電效率超過(guò)20%。

參考文獻(xiàn)

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