光伏組件智能清潔機(jī)器人設(shè)計及其路徑規(guī)劃研究

引言

在國家大力推動"雙碳"戰(zhàn)略目標(biāo)落實,建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的背景下,光伏發(fā)電作為我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點,在國家政策的引導(dǎo)和扶持下正迅猛發(fā)展[l-2]。早期,光伏發(fā)電以沙漠光伏為主,主要集中在海拔較高、遮擋較少、光照條件優(yōu)越的西北部地區(qū)。后來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,在農(nóng)場、魚塘等地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等多種光伏形式。

然而,光伏組件經(jīng)常受到灰塵、樹葉、鳥糞等各種因素影響,光敏元件受到異物遮擋,太陽光不能有效利用,導(dǎo)致發(fā)電效率大幅下降,造成了巨大的能源浪費和經(jīng)濟(jì)損失。不僅如此,光伏組件上的異物積聚,還會造成局部熱斑效應(yīng),甚至?xí)p壞光伏組件。為解決這一問題,需要定期對光伏組件進(jìn)行清潔維護(hù),以保證其發(fā)電效率。

光伏組件的清潔方法主要有自然清潔、人工清潔、機(jī)械清潔等。自然清潔即依靠雨水沖刷來進(jìn)行清潔,但這種方法受制于氣候因素,尤其是在西北干旱地區(qū),降水量較少,不能進(jìn)行有效清潔。人工清潔是指依賴于人工,利用一定的工具,如拖把、高壓水槍等進(jìn)行清潔[6],此方法須耗費大量水資源,且清潔效率低下,人力成本過高。此外,工作過程中人員須暴露在強(qiáng)紫外線與灰塵環(huán)境中,嚴(yán)重威脅人體健康。機(jī)械清潔是借助機(jī)械設(shè)備如清潔機(jī)器人等,進(jìn)行自動或半自動清洗。目前,國內(nèi)外已經(jīng)研究出多種應(yīng)用于光伏組件清洗的機(jī)器人,但普及性并不高。

東北大學(xué)和波士頓大學(xué)共同研制出了一種清潔光伏組件的機(jī)器人,其由清潔頭設(shè)備和提供能量及水的裝置組成,對光伏組件的清潔效果顯著,但清掃作業(yè)中,仍需要大量輔助設(shè)備以及大量的水和清潔劑,并需在人工密切監(jiān)控和協(xié)助下完成工作。在國內(nèi),青島昱臣智能機(jī)器人企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)了國內(nèi)首個無水清潔光伏組件的智能機(jī)器人,但該機(jī)器人體型較大,在停放或維修時對場地要求高,因而大范圍推廣受到限制。

考慮到大部分光伏電站路面高低不平,如山地光伏、水面光伏,并不適合使用地面車載式機(jī)器人。對于西北干旱少雨地區(qū),噴水式清潔光伏組件,成本非常高,不符合應(yīng)用實際。針對上述問題,本文設(shè)計了一種光伏組件智能清潔機(jī)器人,可在組件面板上移動清洗,清掃裝置采用特殊材質(zhì)的毛刷,以提高機(jī)器人的清潔能力,在此基礎(chǔ)上對其路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究,以實現(xiàn)較小能耗下的光伏組件無死角全覆蓋清潔。

1光伏組件智能清潔機(jī)器人總體設(shè)計

光伏組件智能清潔機(jī)器人根據(jù)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計,主要分為電源模塊、核心控制模塊、信息采集模塊及運動控制模塊等,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

核心控制模塊由單片機(jī)進(jìn)行控制,根據(jù)信息采集模塊獲得的環(huán)境參數(shù),向運動控制模塊發(fā)送控制信號。

信息采集模塊由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)向單元、邊緣檢測器等組成,各傳感器獲得的環(huán)境參數(shù)提供給核心控制模塊,為其控制決策提供數(shù)據(jù)支持。

行進(jìn)單元及清掃單元由電機(jī)及其驅(qū)動器組成,根據(jù)核心控制模塊發(fā)送的控制信號進(jìn)行相應(yīng)動作。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1電源模塊

光伏組件智能清潔機(jī)器人采用蓄電池為電機(jī)驅(qū)動器和主控模塊供電。在本系統(tǒng)中,若主控電源直接用驅(qū)動器電源,會出現(xiàn)共地危害[11],因此,為可靠穩(wěn)定地給主控單片機(jī)提供電能,需要接入DC/DC隔離電源模塊,單獨為主控提供電能。本系統(tǒng)選用B1203s-1w型電源降壓隔離模塊。

2.2核心控制模塊

本系統(tǒng)選擇sTM32F103單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng),其實時性好,運行速度快,價格便宜,適合選用。系統(tǒng)運行時,限位開關(guān)、灰塵檢測裝置等完成信息采集后將數(shù)據(jù)上傳至主控模塊,主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編譯,并向驅(qū)動器下達(dá)指令,驅(qū)動器分別執(zhí)行行走電機(jī)驅(qū)動、清掃銀刷電機(jī)驅(qū)動。在清掃過程中,當(dāng)智能清潔機(jī)器人到達(dá)光伏組串邊緣時,限位開關(guān)向主控系統(tǒng)發(fā)出到達(dá)邊緣信號,主控單元根據(jù)灰塵檢測裝置的反饋值判定是否需要重復(fù)清掃,若需要重復(fù)清掃,則向驅(qū)動器發(fā)送反向運行指令,行走電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.3電機(jī)模塊

在本設(shè)計中,智能清潔機(jī)器人的拖動電機(jī)選用直流有刷電動機(jī)。有刷電動機(jī)采用機(jī)械換向,定子部分包括主磁極與電刷,轉(zhuǎn)子部分裝設(shè)電樞鐵芯及電樞線圈,電機(jī)工作時,換向器隨著電樞線圈旋轉(zhuǎn),電刷固定不動,換向時會產(chǎn)生一定的摩擦損耗,但其結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)成熟,有較大的啟動轉(zhuǎn)矩及良好的制動性能,運行平穩(wěn)。因此,本設(shè)計選用直流有刷電動機(jī),并選用可逆調(diào)速系統(tǒng),使得電機(jī)可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

2.4限位裝置

智能清潔機(jī)器人到達(dá)組串邊緣時,限位裝置給出動作信號?；魻柦咏_關(guān)可以在接近物體一定距離內(nèi)檢測有無物體靠近,它不像機(jī)械行程開關(guān)由物體的碰觸實現(xiàn)電路通斷的開關(guān),而是在接近設(shè)定距離后給出高電平或低電平的電信號。在本設(shè)計中,選用NPN常開型霍爾傳感器作為限位裝置,可以實現(xiàn)非接觸檢測,不影響機(jī)器人運行狀態(tài),無機(jī)械磨損,并且定位準(zhǔn)確度高,響應(yīng)迅速,適用于光伏陣列應(yīng)用場景。安裝時,磁極軸線與霍爾接近開關(guān)的軸線要在同一直線上,當(dāng)磁鐵隨著智能清潔機(jī)器人移動到距離霍爾接近開關(guān)幾毫米時,霍爾接近開關(guān)的輸出由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,機(jī)器人停止運動。其電路框圖如圖2所示。

2.5灰塵檢測裝置

為提高智能清潔機(jī)器人的清掃效率及效果,清掃方案設(shè)計為:光伏組串面板污染較輕時,只進(jìn)行單程清掃,而將積灰程度較重區(qū)域作為重點區(qū)域進(jìn)行反復(fù)清掃,從而更好地體現(xiàn)清潔機(jī)器人的智能化。因此,需要設(shè)置灰塵檢測裝置。

灰塵檢測可以通過消光法(又稱"濁度法")實現(xiàn),即光束穿過顆粒物時,顆粒物會吸收和散射一部分光,使得透射光強(qiáng)度減弱,其衰減量與顆粒大小、濃度相關(guān)。本設(shè)計選用光學(xué)灰塵傳感器來實現(xiàn)灰塵濃度檢測,其原理如圖3所示,傳感器由紅外發(fā)光二極管和紅外光敏晶體管組成,紅外發(fā)光二極管定向發(fā)射LED光線,若檢測室中有灰塵,則灰塵會吸收、散射一部分光,使得紅外光敏晶體管接收的光強(qiáng)發(fā)生變化,其輸出電信號也會相應(yīng)發(fā)生變化,即實現(xiàn)了將灰塵濃度轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕淖兓?再通過紅外光敏晶體管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?。其?紅外發(fā)光二極管激勵電流不采用連續(xù)直流電,而是采用中頻(40kHz)窄脈沖電流驅(qū)動,紅外光敏晶體管接收到的光信號也是同頻率的調(diào)制光脈沖,這樣可以有效防止燈光、太陽光等其他光線干擾,還可以減少發(fā)光二極管的功耗。

光電元件的輸出經(jīng)過信號處理電路后發(fā)送給單片機(jī),單片機(jī)將當(dāng)前檢測濃度與灰塵濃度設(shè)定值進(jìn)行對比,判斷下一步清掃動作。智能清潔系統(tǒng)啟動后,傳感器開始工作,若測得灰塵濃度大于預(yù)先設(shè)定值,單片機(jī)向驅(qū)動器發(fā)送繼續(xù)清掃的指令,到達(dá)組串邊緣時,行進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn),對該區(qū)域進(jìn)行重復(fù)清掃,直到檢測值小于設(shè)定值。若檢測到灰塵濃度小于設(shè)定值,則清潔系統(tǒng)只進(jìn)行單程清潔,到達(dá)組串邊緣后,若未接收到停機(jī)信號,則通過橋接支架進(jìn)入下一組串繼續(xù)進(jìn)行清掃。光學(xué)灰塵傳感器接線方式如表1所示。

3清潔方案設(shè)計

光伏組件排列方式多種多樣,以目前主流的3.15Mw方陣單元,光伏組件選用450w為例,通常由18塊組件構(gòu)成一個組串,每一個方陣單元由195個組串組成。實際應(yīng)用中,考慮到安裝支架長度、檢修通道等,同一排(行)組串與組串之間距離為0.5~1m,前后兩排間距5~8m,不同地區(qū)各不相同。為了使機(jī)器人能夠自動跨越這段距離,在橫向、縱向支架之間安裝一種橋接裝置,以提高光伏清潔機(jī)器人的利用率。

智能清潔機(jī)器人沿光伏面板上下邊緣行進(jìn),以組串為最小清潔單位,通過螺旋銀刷進(jìn)行無水清潔,其清潔過程如下:

(1)系統(tǒng)啟動時,先進(jìn)行上電自檢,檢測電池電量是否充足,若電量不足,則進(jìn)行充電:若電量充足,則進(jìn)行清掃工作。由當(dāng)前位置沿軌道向前行進(jìn)。

(2)行進(jìn)過程中通過灰塵檢測器檢測組串面板污染程度,檢測到灰塵濃度低于設(shè)定值時,只進(jìn)行一次單程清潔:灰塵濃度較高時,對重點區(qū)域進(jìn)行反復(fù)清潔。

(3)當(dāng)清潔機(jī)器人到達(dá)組串邊緣時,限位開關(guān)動作,根據(jù)控制系統(tǒng)信號,電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行往復(fù)清潔或通過橋接裝置移動至下一組串進(jìn)行清潔。

(4)當(dāng)接收到清潔完成信號或停機(jī)信號時,銀刷電機(jī)停轉(zhuǎn),系統(tǒng)停靠在停機(jī)位。

智能清潔機(jī)器人清潔流程如圖4所示。

4路徑規(guī)劃

智能清潔機(jī)器人研究的重點難點在于路徑規(guī)劃。對于光伏組件的清潔應(yīng)用場景而言,機(jī)器人的工作環(huán)境是已知的,在已知的靜態(tài)環(huán)境模型中,結(jié)合傳感器獲得實時的周圍環(huán)境信息,使智能清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃更加智能化,加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力。本文以智能清潔機(jī)器人消耗更少的能量,在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)全遍歷清掃作為研究目標(biāo)進(jìn)行路徑規(guī)劃。往返型遍歷路徑在一定的自由空間內(nèi),依靠傳感器感知周圍環(huán)境而作出判斷,進(jìn)行相應(yīng)的運動控制,且對區(qū)域空間大小的自由度較高,所以在全遍歷路徑規(guī)劃中最為常用[14-16],這里選擇"往返型"進(jìn)行分析。

在進(jìn)行路徑規(guī)劃時,首先需要對智能清潔機(jī)器人在不同工作狀態(tài)、不同路線下的能量消耗進(jìn)行分析。以圖5所示光伏陣列模型為例,分析智能清潔機(jī)器人單程清掃時的能量消耗。

以組串作為最小清潔單元,設(shè)總共有m行n列組串組成光伏陣列,E0表示清掃單個組串時所需要的能量,EH表示智能清潔機(jī)器人在橫向跨越不同列之間的組串時所消耗的能量,EV表示智能清潔機(jī)器人在縱向跨越不同行之間的組串時所消耗的能量。

現(xiàn)將智能清潔機(jī)器人沿不同方向的往返型遍歷路徑進(jìn)行對比,圖6(a)所示先橫向清掃、再縱向清掃的路徑所消耗的總能量用E1來表示,圖6(b)所示先縱向清掃、再橫向清掃的路徑所消耗的總能量用E2來表示,則針對兩種不同清掃路線,相應(yīng)的運動能量總消耗可以表示為:

比較兩種路線消耗的能量,化簡后可得:

由于(n一1)(m一1)≥0,因此,能耗大小取決于EH、EV的大小。當(dāng)EH<EV時,選擇圖6(a)清掃方案:當(dāng)EH>EV時,選擇圖6(b)清掃方案。

以3行6列的光伏陣列為例,即m=3,n=6,若采用圖6(a)路徑,則經(jīng)過橋接裝置時所需能耗為15EH＋2EV。若采用圖6(b)路徑,則需5EH＋12EV。當(dāng)EH>EV時,顯然,E1-E2=10EH-10EV,E1>E2,圖6(b)所示路徑耗能更少;反之應(yīng)選圖6(a)方案。

對已知的光伏陣列環(huán)境用往返型遍歷方法進(jìn)行清掃時,應(yīng)視不同方向的能耗大小進(jìn)行選擇,同時也需要考慮清潔時間。智能清潔機(jī)器人在遍歷路徑清掃路徑上所消耗的總能量,主要由機(jī)器人前進(jìn)清掃時的能量和通過橋接裝置換行換列時所消耗的能量組成。每個光伏組串內(nèi)的機(jī)器人遍歷路徑是一致的,需要消耗的能量E0是一定的,且通過橋接裝置時,機(jī)器人減速一橋接裝置調(diào)整接收角度一機(jī)器人加速通過橋接裝置一機(jī)器人減速進(jìn)入下一組串,過程耗時大于直行清潔時間。

在本文所應(yīng)用的環(huán)境案例中,相鄰兩列組串之間距離為0.5~1m,相鄰兩行間距5~8m;且為了最大化獲得太陽光能源利用率,光伏板在安裝時需向陽,有一定的角度。不同行之間的橋接裝置需要進(jìn)行角度調(diào)整,智能清潔機(jī)器人才能沿軌道通行。其消耗的時間和能量均大于換列時所需時間與能量,即EH<EV,因此選擇圖6(a)所示路徑進(jìn)行清掃。EH、EV相差的值越大,沿圖6(a)遍歷方式效率提升也就越多,此時耗能更少、時間更短,因此清掃效率也更高,整體提高了機(jī)器人遍歷清掃的效率。

5結(jié)語

為實現(xiàn)光伏電站的高效智能運維,本文設(shè)計了光伏組件智能清潔機(jī)器人。通過對機(jī)器人硬件系統(tǒng)、清潔方案的設(shè)計以及對機(jī)器人清潔路徑的規(guī)劃,有效解決了光伏組件智能清潔的問題,降低了光伏組件的清潔成本,提高了光伏組件的清潔效率,從而有效提高了光伏電站運維的智能化水平。