应用于光伏组件无水清洗的自贴合结构及其运动轨迹控制策略的研究

范旭浩++李子翰++李家靖++张宝元++欧香念

摘 要：随着我国光伏发电事业飞速发展，光伏电站装机容量急速扩张，提高光伏电站发电效率、增加光伏电站发电量成为值得探索研究的重要课题。本文讨论了一种新型光伏组件面板无水清灰结构和控制清洗装置在工作场内的寻迹追踪策略，无水清洁自贴合结构用于清洗光伏面板，寻迹追踪系统通过预设的行进轨迹进行对阵列式电站的往复清洗操作。

关键词：太阳能；无水清洗；循迹追踪

中图分类号：TP206+.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0079-02

1 研究背景

由于光伏场地风沙的原因导致尘土会直接覆盖光伏组件，严重影响光伏发电效率。随着使用时间的积累，光伏面板的迎光面会积累一层灰尘，既减弱了太阳能电池板对光的吸收，影响电池板的发电量，也容易因“热岛效应”造成电池局部发热而损坏。当板上布满灰尘时，对其转换功率影响十分巨大，其电能转换效率就会降低30%～40%，若长期不清洁，蓄电池就不能保持足够的电量，以至于被频繁充电，从而导致其寿命缩短，影响发电效率。

2 清洗除尘方案的设计与选择

粉尘的清洗方式一共可以分为三种，分别是拉伸方式、滑动分式、和关东方式。其中1、拉伸方式具体的拉力过程是：当去除力（Ff）验证吸附表面的方向施加时，并且大于吸附力（Fad）即可以将粉尘与吸附表面进行分离，即：Ff>Fad；2、滑动方式具体的拉力过程：当去除力（Ff）沿着吸附表面的方向，并且大于静摩擦（f）力，从而达到使粉尘与吸附表面分离去除的目的，即Ff>f=f（Fad）；3、滚动方式的具体实现过程：当施加于粉尘表面的清楚力矩（Mf）大于吸附于物体表面产生的阻抗力矩（Ma），从而达到清除粉尘的目的，即Mf>Ma。如图1所示为粉尘被清除的三种方式的示意图。

在分析了粉尘粘附机制和粉尘去除机制基础上，根据除尘动作和方式的需求，设计一种机械式光伏组件自动除尘装置，该装置在本身的运动过程中通过滑动方式和滚动方式对光伏组件的表面的灰尘进行清除。根据该装置的功能需求和运动要求，分别对组成该装置的几个部分进行设计。执行机构直接作用于光伏组件的表面，是除尘的关键部位。

3 无水清洁自贴合结构

通过利用无水清洗结构可自动贴合太阳能光伏发电面板，有效降低因道路不平、机械振动等原因对光伏清洗组件清洗效果造成的影响。该结构包括盘刷模块和滚刷模块。在盘刷模块中，其后部安装十字万向节用以增加盘刷的自由度，在十字万向节外部套有弹簧，当盘刷接触到光伏面板时，盘刷与光伏面板间的压力作用迫使弹簧发生形变、十字万向节转向，使盘刷表面调整至与光伏板平行的位置，从而提高了盘刷的有效清洁面积，两者间的压力作用使得清洗效果更好；在滚刷模块中，其后部两侧对称安装两弹簧杆，当滚刷与光伏板间有一定角度差时，滚刷与光伏板间的压力作用使弹簧杆伸缩。在弹簧杆的推力下，滚刷座旋转使滚刷始终贴合于光伏板上。

整体结构示意图如图2所示，盘刷部分包括：十字万向节、弹簧，该部分模仿剃须刀结构，在旋转毛刷后部安装十字万向节以增加旋转毛刷的自由度，在万向节和弹簧的配合作用下，实现了对不同角度的精确控制调节；滚刷部分包括：电机、毛刷、毛刷座和弹簧杆，通过电机的驱动带动毛刷高速旋转。在弹簧杆的推力下，毛刷座绕轴旋转，使毛刷始终贴合于光伏板上；调节装置部分包括：电动推杆、压力传感器，电动推杆在内部电机的驱动下沿直线运动，压力传感器将清洁装置与太阳能板的压力信息传递给主控芯片，使电动导轨沿轴旋转至与光伏板平行的位置。

4 寻迹追踪系统

本系统对轨迹形式的设计与红外传感器的布置问题进行研究，提出一种不同轨迹形式对应不同动作含义的轨迹识别引导加控制的方式，利用特殊的传感器布置方式识别不同形式的轨迹，利用算法判断识别的结果，并控制装置动作，以使装置在不同位置对应不同工作方式。该设计以轨迹设计以及算法的创新来代替有为引导作用而无控制作用的传统路面寻迹式轨迹控制，仅需对现有装置进行小规模变动即可实现新的性能，具有成本低廉、结构简单、易于布置等优点，克服了现有路面寻迹式轨迹控制装置功能单一的问题，很大限度地挖掘了路面寻迹式轨迹控制方式的应用潜力。

路面寻迹式轨迹控制是一种新型的装置自动行走引导方式，其实现方式可以运用红外技术或机器视觉技术，由于不需要在地面额外铺设装置，具有成本较小、适用于多种地面、工作范围宽等优点。在路面寻迹式轨迹控制系统的设计中，传感器的选用和算法设计是十分重要的。有些路面寻迹式轨迹控制系统设计欠妥，影响了其使用效果。路面寻迹式轨迹控制系统由路面轨迹传感器、中央控制芯片组成。利用轨迹与路面的色差，将红外线投射到地面后，感應路面反射的红外线强度，形成模拟信号传给主控芯片，并由主控芯片内置算法对信号进行处理。然而现阶段多数路面寻迹式轨迹控制系统只是简单控制轨迹，没有通过轨迹对装置动作进行控制，当装置在轨迹的一定位置需要做出一定动作时，用传统方式往往难以实现[4]。

本系统轨迹设计如图3（c）所示、传感器设计如图3（b）所示，传感器（1）分内圈（5）和外圈（6），内圈传感器主要用于感知黑色圆点（3），外圈传感器前后各5个用于对齐黑色引导线（2），侧向两个传感器（4）用于三条平行线（7）的感知。其中，内圈传感器只有在全部被触发时才有效，如图二所示，从而保证感应准确。当外圈前后5个感应到Y字型岔路口（8）时系统默认右转，随后感知到的黑色圆点每三个一周期，用于换行，在每一周期中：第一次感知到圆点时清洁装置停止工作，换行动作开始；第二次感知时行进方向反转；第三次感知时清洁装置重新开始工作，完成换行动作。

5 控制模块设计

光伏组件因长期累积灰尘，导致转换电能的效率降低，因而需要及时清除表面的灰尘，此次设计除尘的对象时48V、200W的光伏组件，根据所选择的电机，步进电机作为除尘系统最主要的负载，功耗也是最大的，单片机的IO不能直接驱动步进电机，因此需要相对应的2路步进电机驱动。

单片机从温湿度传感器采集到温度和湿度，综合判断后，发出指令给步进电机驱动，电机开始除尘。本装置除尘只针对光伏组件的面积，因此，必须增加2路限位开关来限定步进电机的行程。当电机运行至光伏组件的边缘时，触发限位开关，单片机发出指令步进电机反向运行。环境温度，湿度以及电机运行的实时状态，通过DTU无线传输给PC机或者PDA，可以实现远程监控。

6 结语

光伏组件的自动清洁装置给光伏组件清洁提供了一种新思路，特别是该装置将解决无水、缺水地区对光伏电站日常运维的困难，实现光伏组件日清日洁，为光伏电站高效工作提供保障。本作品创新之处主要体现在以下几个方面：

（1）机械机构通过多动作协调运动对光伏组件的表面进行清扫以达到清洁光伏组件表面的目的；（2）基于寻迹原理控制自动行走及工作，使用地面上画出的轨迹实现装置运动轨迹和装置动作的相对可控；（3）利用采样和传感器或者面板电流的方式来分析和评估组件的遮蔽情况，通过电流来评估组件的遮蔽情况。

限于实验条件，使用较小功率、较少数量的光伏组件进行试验，并对程序进行了适当的修改，只为检验系统的功能实现和清洁效果。选择英利集团生产的光伏组件，功率为25瓦，最大开路电压22V，最大短路电流1.6A，最大工作点电压17.5V，电流1.45A。结果表明，未清洁的光伏阵列发电效率随着灰尘的增多越来越小，清洁系统清洁的光伏阵列发电效率始终处在较高的数值，高出未清洁的发电效率超过20%。

参考文献

[1]庄大建，肖坚伟，邱速希，等.太阳能自行式光伏组件清洗装置：中国，201558822 U[P]. 2010.

[2]高扬.光伏组件清洁方法浅谈[J].太阳能，2013，（9）：63-64.

[3]郑建飞，陈坚.光伏组件清洗前后发电效率比较及效益分析[J].上海电力学院学报，2016，32（s1）.

[4]沈铖玮，杭鲁滨，卞怀强，等.面向光伏板清洗的单轨行走式机器人清洗器位姿研究[J].中国机械工程，2015，26（24）：3301-3306.endprint