孫衛(wèi)紅 覃劍戈 岳云濤

(北京建筑大學(xué)，北京市西城區(qū)，100044)

1 前言

隨著人類社會(huì)對(duì)煤炭等能源的渴求，大量開采已成為趨勢(shì)，地面塌陷等災(zāi)害也隨之而來(lái)。后期出現(xiàn)的治理困難和治理費(fèi)用高等問(wèn)題使得更多開采后的土地被閑置，從而造成資源上的浪費(fèi)。根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于煤炭行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》的基本原則：市場(chǎng)倒逼與政府支持相結(jié)合，化解產(chǎn)能與轉(zhuǎn)型升級(jí)相結(jié)合，整體推進(jìn)與重點(diǎn)突破相結(jié)合，從2016年開始，用3～5年的時(shí)間，再退出產(chǎn)能5億t左右，減量重組5億t左右，較大幅度壓縮煤炭產(chǎn)能，適度減少煤礦數(shù)量，煤炭行業(yè)過(guò)剩產(chǎn)能得到有效化解，市場(chǎng)供需基本平衡，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，轉(zhuǎn)型升級(jí)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。《意見》提出，促進(jìn)行業(yè)調(diào)整轉(zhuǎn)型，鼓勵(lì)利用廢棄的煤礦工業(yè)廣場(chǎng)及其周邊地區(qū)，發(fā)展風(fēng)電、光伏發(fā)電和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。盤活土地資源，支持退出煤礦用好存量土地，促進(jìn)礦區(qū)更新改造和土地再開發(fā)利用等多項(xiàng)措施。因此在煤礦塌陷區(qū)建立光伏電站能夠很好地化解煤炭產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題。煤礦塌陷區(qū)光伏發(fā)電站如圖1所示。

大型的光伏電站太陽(yáng)能電池板都是在戶外，而沉陷區(qū)內(nèi)礦體表層土壤剝除，地表植被遭到嚴(yán)重破壞，水土流失和土壤沙化嚴(yán)重加劇使得空氣中出現(xiàn)很多灰塵，當(dāng)光伏組件表面附著積灰時(shí)，灰塵顆粒會(huì)對(duì)入射的太陽(yáng)光進(jìn)行吸收和散射，導(dǎo)致照射到光伏組件面板上的有效面積減小以及透光率降低，并使部分入射太陽(yáng)光在鋼化玻璃中的傳播均勻性發(fā)生改變，從而使發(fā)電效率降低，發(fā)電量減少。相關(guān)研究表明，積灰的沉積濃度越大，光伏組件的實(shí)際透光率越低，輸出功率越低。

圖1 煤礦塌陷區(qū)光伏發(fā)電站

目前，由于市面上還沒(méi)有合適的自動(dòng)化清潔設(shè)備，大多數(shù)光伏電站采用定期人工清洗的方式來(lái)清潔光伏組件，但是大型光伏發(fā)電工程往往處于缺水地區(qū)，而且人工清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高，同時(shí)，對(duì)于光電建筑一體化項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，人工清洗存在一定的安全問(wèn)題，所以亟需一種機(jī)械化方法來(lái)解決此問(wèn)題，而采用清潔機(jī)器人清洗則可以大大提高工作效率。太陽(yáng)能電池板定期人工清洗如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能電池板定期人工清洗

2 清洗機(jī)器人灰塵清除原理

灰塵在落到太陽(yáng)能電池板上后，一部分會(huì)自動(dòng)掉落，另一部分會(huì)吸附在板面上。將塵土的單個(gè)粒子視為一個(gè)圓球形，對(duì)單個(gè)粒子的受力進(jìn)行分析。由于每個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)能電池板的架設(shè)角度不同，在此將其傾斜角視作90°，與地面垂直。粒子受到重力、支持力、范德華力(分子間作用力)的共同作用時(shí)受力平衡，平衡方程見式(1)：

(1)

式中：Fz——支持力，N；

G——重力，N；

Fvdw——范德華力，N。

范德華力見式(2)：

(2)

式中：h——基于物質(zhì)屬性利夫茨范德華常數(shù)，J；

r——顆粒半徑，m；

z——分子中心與接觸表面的距離，m。

假設(shè)塵埃分子與太陽(yáng)能電池板的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 塵埃分子受力示意圖

灰塵顆粒的清除方式有滑動(dòng)方式、滾動(dòng)方式和拉伸方式，清洗機(jī)器人選用滑動(dòng)方式?；瑒?dòng)方式的原理是使滑動(dòng)的去除力大于太陽(yáng)能電池板面與灰塵粒子的靜摩擦力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將灰塵從太陽(yáng)能電池板板面去除?；瑒?dòng)運(yùn)動(dòng)方式如圖4所示。

圖4 滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式

3 清洗機(jī)器人自動(dòng)控制研究

3.1 清潔機(jī)器人控制流程圖

太陽(yáng)能電池板清洗機(jī)器人自動(dòng)控制包括清掃控制、發(fā)電量自動(dòng)檢測(cè)和環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)。清掃控制首先驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常啟動(dòng)，清掃機(jī)器人沿著太陽(yáng)能電池板做直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，清掃電機(jī)帶動(dòng)清掃刷部分的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)子使其在太陽(yáng)能電池板表面旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)清潔的目的。清掃控制的工作流程如圖5所示。

圖5 清掃控制工作流程圖

第一次清掃完成后進(jìn)行發(fā)電量自動(dòng)檢測(cè)，若太陽(yáng)能電池板發(fā)電量提高3%，則停止清掃，否則繼續(xù)進(jìn)行清掃，直到達(dá)到要求。發(fā)電量自動(dòng)檢測(cè)控制流程如圖6所示。

圖6 發(fā)電量自動(dòng)檢測(cè)控制流程圖

環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)根據(jù)光照量和溫度判斷是否進(jìn)行清潔工作，如果光照量和溫度較低，清掃機(jī)器人不動(dòng)作，直到光照量和溫度達(dá)到要求，機(jī)器人開始動(dòng)作。環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)流程如圖7所示。

圖7 環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制流程圖

3.2 自動(dòng)控制算法研究

目前常用的控制技術(shù)有PID控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)。PID控制技術(shù)的原理較為簡(jiǎn)單，控制效果好，適應(yīng)性強(qiáng)。本項(xiàng)目采用PID控制技術(shù)。PID的控制規(guī)律見式(3)：

(3)

式中：u(t)——PID控制器的輸出；

Kp——比例常數(shù)；

e(t)——PID控制器輸出紙盒給定值偏差信號(hào)；

Ti——積分時(shí)間常數(shù)；

Td——微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制器輸出紙盒給定值偏差信號(hào)e(t)見式(4)：

e(t)=r(t)-c(t)

(4)

式中：r(t)——輸入信號(hào)；

c(t)——輸出信號(hào)。

圖8 執(zhí)行子系統(tǒng)控制流程圖

執(zhí)行子系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)，由于對(duì)直流伺服電機(jī)控制時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)量幅值變化較大的情況和電機(jī)的啟停狀況，這兩種情況可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出量變化較大的狀況，進(jìn)而PID控制在進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)會(huì)發(fā)生異常，計(jì)算得出的輸出值會(huì)與實(shí)際值有較大的誤差，產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象，超調(diào)將導(dǎo)致清掃裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)實(shí)際的路徑與規(guī)劃的路徑不一致，清掃部分也不在正常工作模式，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)失去穩(wěn)態(tài)，對(duì)清掃裝置和太陽(yáng)能電池板造成損壞。以上的情況是要盡量避免發(fā)生的，這就要求PID算法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)要盡可能的準(zhǔn)確。

本文采用積分分離混合積分修正系數(shù)的PID控制算法，當(dāng)最初設(shè)定的輸入常數(shù)和被控制量的實(shí)際值有一些偏差時(shí)，比例單元單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，其他兩部分不發(fā)揮任何功能。通過(guò)這種方法，積分單元的誤動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響會(huì)相對(duì)減小，使系統(tǒng)平穩(wěn)地工作在一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)態(tài)；當(dāng)最開始給定的值和被控制量的實(shí)際值無(wú)明顯偏差時(shí)，利用積分單元可以降低最后的誤差。上述兩條可以保證整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的控制策略之中。PID控制器在工作狀態(tài)時(shí)，通常會(huì)通過(guò)限幅值來(lái)計(jì)算控制量。積分功能會(huì)被忽略，因此，通常會(huì)加上一個(gè)積分修正系數(shù)，在輸出的被控制量比限幅值大時(shí)，積分修正系數(shù)開始發(fā)揮作用。在控制系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)，修正功能顯得更為重要，起到了關(guān)鍵性的作用，它不僅在過(guò)渡時(shí)間的層面上起著關(guān)鍵性作用，而且可以使超調(diào)量一直保持在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)。通過(guò)上述的調(diào)節(jié)方法，整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)能力得到了明顯的提升。

4 清洗機(jī)器人路徑規(guī)劃

由于光伏電站太陽(yáng)能電池板是由很多小塊拼成一大塊來(lái)集中使用發(fā)電，所以本項(xiàng)目考慮將清洗電池板的單位設(shè)置為一塊太陽(yáng)能電池板為一個(gè)清洗單元，電池板之間拼接的溝壑為單元與單元之間界線，進(jìn)而采用優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法使清洗機(jī)器人能在太陽(yáng)能電池板上做往復(fù)運(yùn)行達(dá)到清洗電池板的目的。

對(duì)清洗機(jī)器人進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)方向選擇的設(shè)定。由于太陽(yáng)能電池板上不存在不可踩踏的框架或膠條障礙物，所以能自由的設(shè)定清洗機(jī)器人的主運(yùn)動(dòng)方向。本項(xiàng)目選擇豎直方向?yàn)橹鬟\(yùn)動(dòng)方向。

在清洗機(jī)器人工作過(guò)程中需要判斷下一塊清洗的單元是否已清洗過(guò)，所以還要對(duì)機(jī)器人工作的空間分解成一系列具有二值信息的柵格網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)目中根據(jù)太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)模型，將已清洗單元記為“0”，未清洗單元記為“1”存于計(jì)算機(jī)中。太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)模型如圖9所示，工作空間二值信息柵格網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

圖9 太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)模型

4.1 優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法

機(jī)器人主運(yùn)動(dòng)方向確定并完成工作空間的二值賦值后，采用優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法來(lái)完成清洗機(jī)器人的路徑規(guī)劃。對(duì)二值柵格網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)柵格來(lái)說(shuō)，下一個(gè)可被擴(kuò)展的柵格是這個(gè)柵格的上、下、左、右4個(gè)單元格。對(duì)于本項(xiàng)目中以豎直方向?yàn)橹鬟\(yùn)動(dòng)方向的太陽(yáng)能電池板清洗機(jī)器人來(lái)說(shuō)，優(yōu)先級(jí)定義順序依次為：左柵格、下柵格、上柵格、右柵格。以縱向?yàn)橹鬟\(yùn)動(dòng)方向的優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法路徑規(guī)劃圖如圖11所示。

圖10 工作空間二值信息柵格網(wǎng)絡(luò)

圖11 以縱向?yàn)橹鬟\(yùn)動(dòng)方向的優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法路徑規(guī)劃圖

由圖11可以看出，假設(shè)當(dāng)前柵格為p，首先檢測(cè)到i，記為“0”，表示已清洗柵格；然后檢測(cè)到q，記為“1”，是未清洗柵格，則清洗機(jī)器人下一步遍歷到q，被遍歷的柵格用0表示。當(dāng)清洗機(jī)器人遍歷到電池板邊緣時(shí)，假設(shè)當(dāng)前柵格為r，首先檢測(cè)到g，從圖中可知，g為“0”，為已清洗柵格；然后檢測(cè)下柵格，因?yàn)橄聳鸥裨陔姵匕宸秶饷嫠蕴^(guò)，接著檢測(cè)到q，為“0”，已清洗，最后檢測(cè)到s，為“1”是未清洗柵格，則清洗機(jī)器人下一步遍歷到s，被遍歷的柵格用0表示，然后以1為當(dāng)前柵格，繼續(xù)遵循上述優(yōu)先級(jí)遍歷規(guī)則進(jìn)行新一輪的判斷。

4.2 路徑規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，用矩陣的形式對(duì)已知的機(jī)器人工作空間進(jìn)行二值賦值如圖12所示。

圖12 工作空間二值賦值的矩陣形式

圖12中“0”表示已清洗，“1”表示未清洗，工作空間仿真圖像如圖13所示。

圖13 工作空間仿真圖像

由圖13可以看出，黑色部分表示還沒(méi)有清洗，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法仿真程序得到的仿真圖如圖14所示。

圖14 優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法在工作空間中仿真圖

由圖14可以看出，圖13中未清洗部分已經(jīng)被清洗，且得到清洗機(jī)器人運(yùn)行路徑如圖15所示。

圖15 清洗機(jī)器人運(yùn)行路徑

清洗路徑為沿縱向自上而下單向清洗，完成一列電池板的清洗后，橫向移動(dòng)一格到未清洗板面，再向上遍歷到工作區(qū)域頂端，然后重復(fù)上述過(guò)程直到所有板面清洗完成。圖上的箭頭表示清洗的路徑方向，起點(diǎn)和終點(diǎn)可根據(jù)算法設(shè)置。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦塌陷區(qū)的光伏電站太陽(yáng)能電池板都是搭建在沙漠化嚴(yán)重的土地中，空氣中大量的灰塵堆積在太陽(yáng)能電池板上會(huì)影響光伏板的發(fā)電效率，所以太陽(yáng)能電池板的定期清潔工作非常重要。采用清潔機(jī)器人完成清潔可以大大提高工作效率，本文分析了其清潔原理，進(jìn)行了自動(dòng)控制、路徑規(guī)劃的研究，解決了太陽(yáng)能電池板的清潔難題，對(duì)煤炭行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能有積極作用。

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