智能型光伏組件除塵裝置設(shè)計(jì)與控制研究

淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ■ 劉曉艷 張樓英 張守峰

0 引言

由于氣候、環(huán)境等因素的影響，長(zhǎng)期工作在室外的光伏組件表面容易積灰，灰塵是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的一個(gè)重要因素。灰塵沉積會(huì)對(duì)光伏組件產(chǎn)生遮擋、腐蝕及熱斑效應(yīng)等一系列負(fù)面影響，減少系統(tǒng)總輻射量，降低光電轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致光伏組件的發(fā)電量減少，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率[1]。據(jù)資料顯示，在我國(guó)大規(guī)模安裝光伏電站的地區(qū)，灰塵對(duì)組件的影響超過(guò)25%。在實(shí)際測(cè)量中，個(gè)別缺乏維護(hù)方式的電站，發(fā)電量損失高達(dá)40%。

及時(shí)清理光伏組件表面灰塵可有效提高系統(tǒng)發(fā)電量。中小型光伏電站一般采用人工擦拭、水槍清洗、噴淋系統(tǒng)等除塵方式，這些方式的清潔過(guò)程往往需要水，且需水量大、自動(dòng)化程度低。對(duì)于裝機(jī)容量10 MWp以上的大中型光伏電站，光伏組件單板尺寸較大、支墩較高，人工清潔難度較大，目前多采用以大型重載車(chē)輛為底盤(pán)+輥刷的方式，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)輥刷隨之一起運(yùn)動(dòng)，擦拭組件表面的灰塵。這種方式清洗速度快，清洗效果好，但清洗時(shí)所需的大型重載車(chē)輛租用成本較高，僅適用于組件前后間距較大、地勢(shì)較平坦的電站；且隨著車(chē)輛的非直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，組件表面承受壓力大小不均，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員操作。也有采用依附于組件陣列的軌道式除塵方式，但組件陣列之間有落差，取電、供水、安裝軌道等所需成本較高。

本文針對(duì)現(xiàn)有除塵方式的特點(diǎn)，從光伏組件表面灰塵吸附特性出發(fā)，依據(jù)輕便、高效原則，設(shè)計(jì)了一種智能型除塵裝置。該裝置能夠在不改變組件結(jié)構(gòu)及安裝方式的前提下，依附在組件表面行走，運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行除塵任務(wù)。裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行位置通過(guò)可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)智能控制。

1 灰塵吸附特性分析

在空氣流動(dòng)作用下，空氣中存在大量的塵埃顆粒物不斷遷徙和擴(kuò)散，一段時(shí)間后吸附在光伏組件表面，這是灰塵沉積的主要原因。

固體表面吸附有物理吸附和化學(xué)吸附兩種機(jī)制。物理吸附稱(chēng)為無(wú)選擇性吸附，是指大氣中懸浮的粒子靠近物體表面時(shí)被物體表面本身所產(chǎn)生的不平衡分子所吸引?；瘜W(xué)吸附稱(chēng)為有選擇性吸附，是指物體表面吸附具有特定化學(xué)性質(zhì)的粒子的現(xiàn)象[2]。

物體與灰塵顆粒間的吸附力主要表現(xiàn)為范德華力(Valderwaals)、靜電力、化學(xué)鍵力及毛細(xì)作用力等[3]?；覊m顆粒吸附在組件表面時(shí)可能受其中的一個(gè)力或幾個(gè)力相互作用，力的大小取決于粒子與物體表面所接觸面積的大小。

除了灰塵顆粒與組件表面的吸附力作用外，還需考慮顆粒的重力及顆粒之間存在的相互作用力。現(xiàn)假設(shè)灰塵顆粒為均勻分布的球形灰塵粒子，分析其在傾斜角度θ放置的光伏組件表面的受力模型。此球形顆粒受范德華力Fvd、支持力Fz和重力G的作用，達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 灰塵顆粒在光伏組件表面受力分析

灰塵顆粒受力平衡方程為：

其中：

式中，R為灰塵顆粒半徑；h?為L(zhǎng)ifshitz常數(shù)；z0為顆粒與光伏組件表面平均間距。根據(jù)式(2)即可求得外加作用力，以去除沉積在組件表面的灰塵。

2 清潔裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

除塵裝置硬件結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分、控制部分及清潔部分組成，組成框圖如圖2所示。其中，驅(qū)動(dòng)部分需要設(shè)計(jì)除塵裝置的行走機(jī)構(gòu)，使其能依附在組件表面，并選擇合適的電動(dòng)執(zhí)行元件，來(lái)驅(qū)動(dòng)裝置本體在組件表面運(yùn)動(dòng)；電動(dòng)執(zhí)行元件的啟/?？刂?、正反向運(yùn)行及停止位置等運(yùn)行狀態(tài)由控制部分完成，利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的自動(dòng)控制；除塵方式的選擇采用干擦和噴淋相結(jié)合，以有效清除光伏組件表面的灰塵與固體沉積物。

圖2 除塵裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 除塵方式選擇

由于光伏組件表面既有浮灰，也會(huì)有鳥(niǎo)糞等固體沉積物，通過(guò)常規(guī)的毛刷擦拭僅可去除組件表面的浮灰，減少灰塵的遮擋，但是毛刷擦拭難以清除固體沉積物，仍不能解決熱斑效應(yīng)的影響。因此，需采用噴淋系統(tǒng)向組件表面噴水，再配合毛刷擦拭，才可去除固體沉積物[4]。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，裝置能依附在組件表面自動(dòng)行走，行走過(guò)程中在擦除組件表面灰塵的同時(shí)進(jìn)行噴水，以達(dá)到清潔光伏組件表面的目的[5,6]。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

除塵裝置主體結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)鋁合金支架，可降低自身重量，減小對(duì)光伏組件的壓力。裝置上下頂端安裝固定軸承以固定除塵裝置，除塵裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邊界檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

圖3 智能除塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)光伏組件自身的結(jié)構(gòu)和安裝的特殊性，設(shè)計(jì)除塵裝置的寬度與光伏陣列的寬度相等，通過(guò)采用上下雙排滾輪，將除塵裝置卡在光伏組件上，實(shí)現(xiàn)在不改變組件的結(jié)構(gòu)及安裝方式的前提下，裝置能依附在組件表面。在電動(dòng)執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)除塵裝置在光伏組件邊沿的滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)除塵裝置在組件表面的行走。

2.3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

光伏組件自動(dòng)除塵裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由同步輪、軸承輪、軸及電機(jī)4個(gè)部分組裝而成。選用外徑大小相同的同步輪和軸承輪，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)1:2的同步輪以帶傳動(dòng)的方式使除塵裝置在光伏組件表面行走。

2.3.3 清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于除塵方式采用干擦與噴淋相結(jié)合，在除塵裝置運(yùn)動(dòng)方向的兩側(cè)分別安裝除塵毛刷，用于擦拭組件表面的灰塵；裝置上方的橫桿起固定支撐作用，橫桿上是直流水泵，水泵抽水通過(guò)噴頭噴灑到光伏組件表面。

2.3.4 邊界檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除塵裝置執(zhí)行完除塵任務(wù)后需離開(kāi)光伏組件表面，不能對(duì)組件造成遮擋或陰影。因此在實(shí)際安裝時(shí)，每排光伏陣列的一側(cè)都安裝了支架，用于除塵裝置未執(zhí)行任務(wù)時(shí)的停放。要實(shí)現(xiàn)除塵裝置準(zhǔn)確、平穩(wěn)的停到支架區(qū)域內(nèi)，不超越運(yùn)行極限位，需在支架上安裝行程開(kāi)關(guān)。

執(zhí)行除塵任務(wù)時(shí)，除塵裝置需在光伏組件上往復(fù)運(yùn)行，為防治裝置跌落，采用對(duì)射型光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)邊界檢測(cè)。發(fā)射器和接收器相對(duì)安裝在除塵裝置的邊界處，除塵裝置運(yùn)行到邊界處時(shí)，遮擋住發(fā)射器和接收器間的光線(xiàn)傳播，光電開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)反向，將信息傳輸給控制器，控制裝置反向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的邊界檢測(cè)。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除塵裝置的啟/?？刂啤⑼鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)控制均由PLC完成，結(jié)合按鈕、繼電器等低壓元器件構(gòu)成除塵裝置的PLC控制系統(tǒng)。

3.1 I/O地址分配

為了確保光伏組件自動(dòng)除塵裝置的準(zhǔn)確安全運(yùn)行，光伏組件自動(dòng)除塵裝置兩端有2個(gè)限位開(kāi)關(guān)和 1個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。除此之外，還要有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和指示燈等?？刂葡到y(tǒng)I/O分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 順序功能圖

根據(jù)光伏電站的除塵需求，PLC控制系統(tǒng)需控制除塵裝置的啟/停狀態(tài)、實(shí)時(shí)檢測(cè)邊界狀態(tài)及控制裝置的正/反轉(zhuǎn)切換，如圖4所示。

圖4 順序功能圖

4 除塵裝置清潔試驗(yàn)

為驗(yàn)證該裝置對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響，采集1 kWp光伏陣列除塵前/后的輸出電流，得到該光伏陣列的清潔效果對(duì)比曲線(xiàn)，如圖5所示。

由圖5可知，光伏組件表面灰塵及鳥(niǎo)糞等固體沉積物的存在，降低了組件發(fā)電量。采用除塵裝置對(duì)組件表面進(jìn)行清潔后，組件發(fā)電量迅速恢復(fù)到理想狀態(tài)；以累計(jì)5天未清潔的情況計(jì)算，清潔后，發(fā)電量平均提升約4%?；覊m沉積導(dǎo)致發(fā)電效率的降低，會(huì)對(duì)大中型光伏電站造成損失，因此，需加強(qiáng)對(duì)光伏組件的定期維護(hù)與清洗。

5 總結(jié)

圖5 1 kWp光伏陣列輸出電流的清潔效果對(duì)比曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)光伏組件清洗前后的發(fā)電量對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，該智能型除塵裝置對(duì)累積5天未清潔的光伏組件表面進(jìn)行清潔后，發(fā)電量提高4%以上有效提高發(fā)電收益；除塵裝置本體無(wú)須借助附加裝置，可依附在組件的豎直方向的上下邊沿，通過(guò)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在組件表面沿水平方向往復(fù)運(yùn)行；除塵裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程由PLC控制，可自動(dòng)識(shí)別邊界，智能切換運(yùn)行方向和除塵方式，自動(dòng)化程度高；裝置采用的噴淋系統(tǒng)耗水量小。

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