光伏組件智能清潔機器人設(shè)計及其路徑規(guī)劃研究

刁艷美 劉頌 陳美玲

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇南京 210000）

0 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[1-2]。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、漁光互補等多種光伏形式。

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行清潔維護，以保證其發(fā)電效率[3-4]。

光伏組件的清潔方法主要有自然清潔、人工清潔、機械清潔等[5]。自然清潔即依靠雨水沖刷來進行清潔，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紫外線與灰塵環(huán)境中，嚴(yán)重威脅人體健康。機械清潔是借助機械設(shè)備如清潔機器人等，進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器人，但普及性并不高[7-8]。

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器人[9]，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器人，但該機器人體型較大，在停放或維修時對場地要求高，因而大范圍推廣受到限制[10]。

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，以提高機器人的清潔能力，在此基礎(chǔ)上對其路徑規(guī)劃進行了研究，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器人總體設(shè)計

光伏組件智能清潔機器人根據(jù)功能進行模塊化設(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。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

核心控制模塊由單片機進行控制，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。

行進單元及清掃單元由電機及其驅(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器人采用蓄電池為電機驅(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B 1203S-1W 型電源降壓隔離模塊。

2.2 核心控制模塊

本系統(tǒng)選擇STM 32F103單片機作為核心控制系統(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，主控模塊進行數(shù)據(jù)處理、編譯，并向驅(qū)動器下達指令，驅(qū)動器分別執(zhí)行行走電機驅(qū)動、清掃輥刷電機驅(qū)動。在清掃過程中，當(dāng)智能清潔機器人到達光伏組串邊緣時，限位開關(guān)向主控系統(tǒng)發(fā)出到達邊緣信號，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，行走電機反轉(zhuǎn)。

2.3 電機模塊

在本設(shè)計中，智能清潔機器人的拖動電機選用直流有刷電動機。有刷電動機采用機械換向，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，并選用可逆調(diào)速系統(tǒng)，使得電機可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

2.4 限位裝置

智能清潔機器人到達組串邊緣時，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，不影響機器人運行狀態(tài)，無機械磨損，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，機器人停止運動。其電路框圖如圖2所示。

圖2 NPN 型霍爾開關(guān)電路框圖

2.5 灰塵檢測裝置

為提高智能清潔機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，只進行單程清掃，而將積灰程度較重區(qū)域作為重點區(qū)域進行反復(fù)清掃，從而更好地體現(xiàn)清潔機器人的智能化。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，使得透射光強度減弱，其衰減量與顆粒大小、濃度相關(guān)[12]。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?。其中，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（40 kHz）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。

圖3 光學(xué)灰塵傳感器原理框圖

光電元件的輸出經(jīng)過信號處理電路后發(fā)送給單片機，單片機將當(dāng)前檢測濃度與灰塵濃度設(shè)定值進行對比，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，單片機向驅(qū)動器發(fā)送繼續(xù)清掃的指令，到達組串邊緣時，行進電機反轉(zhuǎn)，對該區(qū)域進行重復(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)只進行單程清潔，到達組串邊緣后，若未接收到停機信號，則通過橋接支架進入下一組串繼續(xù)進行清掃。光學(xué)灰塵傳感器接線方式如表1所示。

表1 光學(xué)灰塵傳感器接線方式

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3.15 MW方陣單元，光伏組件選用450 W 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0.5～1 m，前后兩排間距5～8 m，不同地區(qū)各不相同。為了使機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，以提高光伏清潔機器人的利用率。

智能清潔機器人沿光伏面板上下邊緣行進，以組串為最小清潔單位，通過螺旋輥刷進行無水清潔，其清潔過程如下：

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

（2）行進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，只進行一次單程清潔；灰塵濃度較高時，對重點區(qū)域進行反復(fù)清潔。

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

（4）當(dāng)接收到清潔完成信號或停機信號時，輥刷電機停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)?？吭谕C位。

智能清潔機器人清潔流程如圖4所示。

4 路徑規(guī)劃

智能清潔機器人研究的重點難點在于路徑規(guī)劃[13]。對于光伏組件的清潔應(yīng)用場景而言，機器人的工作環(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，使智能清潔機器人的路徑規(guī)劃更加智能化，加強環(huán)境適應(yīng)能力。本文以智能清潔機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”進行分析。

在進行路徑規(guī)劃時，首先需要對智能清潔機器人在不同工作狀態(tài)、不同路線下的能量消耗進行分析[17]。以圖5所示光伏陣列模型為例，分析智能清潔機器人單程清掃時的能量消耗。

圖5 光伏陣列模型

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)將智能清潔機器人沿不同方向的往返型遍歷路徑進行對比，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：

圖6 往返型遍歷路徑

比較兩種路線消耗的能量，化簡后可得：

由于（n-1）（m-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行清掃時，應(yīng)視不同方向的能耗大小進行選擇，同時也需要考慮清潔時間。智能清潔機器人在遍歷路徑清掃路徑上所消耗的總能量，主要由機器人前進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，機器人減速—橋接裝置調(diào)整接收角度—機器人加速通過橋接裝置—機器人減速進入下一組串，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0.5～1 m，相鄰兩行間距5～8 m；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行角度調(diào)整，智能清潔機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器人。通過對機器人硬件系統(tǒng)、清潔方案的設(shè)計以及對機器人清潔路徑的規(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。