基于蓄能基站供能的光伏電站智能運維機器人設(shè)計

收稿日期：2023-01-28

基金項目：江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)研究項目（2020SJA1629）、南通市科技局計劃項目（JC2021111）、南通理工學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計培育計劃項目（BS202205）

通信作者：盧衛(wèi)萍（1982—），女，碩士、副教授，主要從事新能源發(fā)電方面的研究。luweiping2610@126.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230128.01 文章編號：1003-0417（2024）02-64-12

摘 要：在全球傳統(tǒng)能源緊缺的背景和碳達峰、碳中和目標的指引下，中國光伏行業(yè)獲得迅速發(fā)展。而發(fā)展中存在的問題也突顯出來，其中，光伏組件的清潔及探傷難題尤為突出。為解決這些難題，提出并設(shè)計了一種基于蓄能基站供能的光伏電站智能運維機器人。該運維機器人由機器人主體結(jié)構(gòu)、移動系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)、供能系統(tǒng)5部分構(gòu)成，其可利用紅外熱成像技術(shù)對光伏組件的熱斑、隱裂等進行探測，并將數(shù)據(jù)傳輸至主控平臺；同時，針對光伏組件清潔問題，利用高溫蒸汽去除各類難以清除的污垢。經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的光伏電站智能運維機器人不僅達到了較好的清洗效果，且對光伏組件熱斑、隱裂的探測基本達到了預(yù)期設(shè)計目標，具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：光伏電站運維；機器人；蒸汽清洗；負壓吸附；紅外熱成像

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著全球傳統(tǒng)能源日益匱乏，世界各國對太陽能的利用迅速增長。在中國，由于政府的扶持和光伏行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大量光伏電站已投入使用。光伏行業(yè)高速發(fā)展的同時，光伏電站在運維時存在的問題也逐漸顯現(xiàn)出來。

現(xiàn)階段，中國各地區(qū)的光伏電站在多數(shù)情況下以人工清潔作為光伏組件表面灰塵處理的主要方式，這種方式具有勞動量大、清潔費用高、工作效率低等缺點[1]。而光伏組件積灰是影響其發(fā)電效率的重要因素，積灰越多發(fā)電效率越低[2]。若光伏組件表面的積灰未及時清洗，會使部分太陽電池受到遮擋而無法正常工作，且遮擋部位的溫升遠高于未被遮擋部位，導(dǎo)致熱斑產(chǎn)生，熱斑附近的溫度約比正常工作太陽電池的平均溫度高10 ℃。如果光伏組件在其表面積灰長時間未清洗時持續(xù)使用，不僅會降低其輸出功率，還易產(chǎn)生熱斑，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致其損壞，引發(fā)火災(zāi)[3]。另外，光伏組件的斷柵、隱裂等缺陷若缺乏及時檢測，也會嚴重影響光伏電站的發(fā)電量。因此，光伏行業(yè)迫切需要采用智能化程度更高的設(shè)備來解決這一系列難題，以提高光伏電站的發(fā)電效益。

本文提出并設(shè)計一種基于蓄能基站供能的光伏電站智能運維機器人（下文簡稱為“運維機器人”），其能夠有效減少水資源利用、污染物排放、人工支出，從而減少光伏電站的運維費用，提升經(jīng)濟效益[4]。運維機器人運用高壓蒸汽對光伏組件表面的油污及鳥糞等附著性強的遮擋物進行清洗、消除；同時，其尾部的毛刷可對光伏組件表面進行二次清潔，擦拭蒸汽清洗后的污漬。本設(shè)計將采用紅外熱成像對光伏組件表面進行熱斑檢測，通過被遮擋處與正常運行處的溫差檢測到熱斑形成的區(qū)域，實現(xiàn)清潔光伏組件的同時進行熱斑及隱裂的檢測，提高光伏電站運行的安全性。

1" 運維機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

運維機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括總體方案設(shè)計及各功能模塊設(shè)計。為保證該運維機器人在光伏組件上穩(wěn)定工作，必須對其主體結(jié)構(gòu)、移動、清潔、探傷和供能5個方面進行系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1" 總體設(shè)計方案

運維機器人由主體結(jié)構(gòu)、移動系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)、供能系統(tǒng)5部分構(gòu)成，其中主體結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪、電機等。本設(shè)計期望實現(xiàn)的功能是將機器人放置在光伏組件上，可人工遙控也可讓機器人智能自主清潔。本運維機器人的總體設(shè)計方案如圖1所示。

1.2" 移動系統(tǒng)設(shè)計

移動是運維機器人工作時的基礎(chǔ)功能，不僅要考慮其在光伏組件上的運行速度，還要考慮到光伏組件在不同地區(qū)、不同安裝傾角時對運維機器人運維工作的影響。因此運維機器人在光伏組件上工作時，還需要一定的吸附力來保障其平穩(wěn)工作。保證運維機器人在光伏組件上平穩(wěn)高效的移動需要從驅(qū)動、吸附和行走3個方面進行設(shè)計與分析。

1.2.1" 驅(qū)動方案

機器人的驅(qū)動方式主要有電機驅(qū)動、氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動等方式。由于運維機器人工作環(huán)境特殊且對其重量要求較高，氣動驅(qū)動系統(tǒng)不能滿足恒定氣壓源，并且氣動泵的重量大；液壓驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量大。相比之下，電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、體積小、工作效率高、重量輕、功率大、性價比高。采用電機驅(qū)動方式的電機分為直流減速電機和交流伺服電機2種類型。交流伺服電機本身較重，而且需要配備相應(yīng)的減速器才能供運維機器人使用，導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)重量過大。而直流減速電機的傳動比分級精細，可選擇的型號范圍廣，節(jié)能環(huán)保，性能優(yōu)越。綜合以上分析，采用直流減速電機作為驅(qū)動設(shè)備是最適宜的。

1.2.2" 吸附方案

運維機器人吸附采用真空負壓吸附的方式，本方案設(shè)計的真空吸盤結(jié)構(gòu)是在高鵬等[5]設(shè)計的玻璃幕墻吸盤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化而來，如圖2所示。

真空吸盤吸附的過程即為負壓產(chǎn)生的過程，隨著閥桿下壓復(fù)位彈簧受到擠壓發(fā)生彈性形變，從而對吸盤進行擠壓，將吸盤內(nèi)的氣體從吸盤中排出，使吸盤內(nèi)部壓力低于外部壓力，此時吸盤變成吸附狀態(tài)（如圖3所示），從而順利吸附在光伏組件上。此時，下壓的閥桿將氣孔阻塞防止外部空氣回流進吸盤，使吸盤失去吸附性。

吸盤需要泄壓時，閥桿受履帶傳動作用帶來的向上拉力，接著復(fù)位彈簧發(fā)揮作用給閥桿向上的作用力，促使閥桿不再阻塞氣孔，讓外部的空氣通過氣孔回流至吸盤內(nèi)部，使吸盤內(nèi)部氣壓與外界氣壓一致，吸盤就處于泄壓狀態(tài)，如圖4所示。

1.2.3" 行走方案

運維機器人在光伏組件上行走時需要著重考慮其是否會對光伏組件產(chǎn)生損傷，是否能適應(yīng)光伏組件的安裝傾角，以及能否在光伏組件表面平穩(wěn)、快速運行[6]。綜合以上因素，本運維機器人將采用雙履帶式行走機構(gòu)，相較于足式和輪式行走機構(gòu)，其運行時與光伏組件表面的接觸面大，能夠增大摩擦力，使運維機器人能適應(yīng)安裝傾角較大的光伏組件。

雙履帶式行走機構(gòu)主要包括內(nèi)外雙重履帶及加裝的真空吸盤，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。外層履帶負責(zé)運維機器人的正常行走和吸盤的固定，內(nèi)層履帶負責(zé)對吸盤閥桿起到傳動作用同時也能對吸盤起到一定的固定作用。當運維機器人運行時，履帶運轉(zhuǎn)帶動吸盤移動，實現(xiàn)吸盤的自動負壓吸附。

1.3" 清潔系統(tǒng)設(shè)計

運維機器人的清潔功能是其主要功能之一。

光伏組件表面易積存大量的灰塵，灰塵的清理較為輕松，而有些頑固污垢并不能輕易清理干凈，比如：鳥糞、油污和泥漬等，并且清理的同時還需避免對光伏組件表面玻璃造成損傷。

1.3.1" 清潔系統(tǒng)設(shè)計總體方案

高溫水蒸氣可以加速污垢表面分子移動，破壞其粘附性，從而將其清除。使用高溫高壓的飽和水蒸氣，不但能沖洗光伏組件表面玻璃上的油污，同時也能清除所有微小空隙和孔洞中的灰塵、污垢及殘余物質(zhì)，達到高效節(jié)水、降低成本的目的。因此，運維機器人的清潔系統(tǒng)是基于高溫高壓蒸汽系統(tǒng)設(shè)計的。

1.3.2" 清潔方案設(shè)計

運維機器人的高溫高壓蒸汽清潔系統(tǒng)具體工作過程為：運維機器人清潔工作開始時，清潔所用的水從貯水箱中經(jīng)過水管流入水質(zhì)軟化器，通過置換水中的鈣、鎂離子，可以避免產(chǎn)生碳酸鹽和硫酸鹽的結(jié)垢，從而保護蒸汽發(fā)生器。軟化后的清潔用水再由水泵輸送至蒸汽發(fā)生器，把水加熱成蒸汽狀態(tài)，隨后由增壓泵將水蒸氣增壓后輸送至蒸汽噴頭，最后蒸汽噴頭噴射水蒸氣對光伏組件表面進行清潔，該清潔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

高溫高壓蒸汽清潔系統(tǒng)包括蒸汽發(fā)生裝置和蒸汽清洗裝置。蒸汽發(fā)生裝置包括水箱、水管、水質(zhì)軟化器、水泵和蒸汽發(fā)生器。其中，水質(zhì)軟化器設(shè)計為小方盒形，有進水口、出水口、水管、鈉型樹脂、集水器、布水器、滲水孔、密封圈和封蓋組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。水從進水口進入，經(jīng)布水器和滲水孔由鈉型樹脂置換水中的鈣、鎂離子，再由集水器和滲水孔收集，最后從出水口流出。

蒸汽發(fā)生器由器壁、隔溫層、器內(nèi)水管、加熱管、蒸汽出口、進水口構(gòu)成。清潔用水從進水口進入，經(jīng)過連續(xù)彎折的器內(nèi)水管時，由加熱管加熱；水流出器內(nèi)水管后繼續(xù)受加熱管加熱，直至蒸發(fā)為水蒸氣，最后由蒸汽發(fā)生器頂部蒸汽出口排出。蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

蒸汽清洗裝置包括增壓泵和噴頭，從蒸汽發(fā)生器出來的水蒸氣經(jīng)過增壓泵加壓后，由噴頭噴灑而出對光伏組件表面進行清潔。

1.4" 探傷系統(tǒng)設(shè)計

探傷功能是運維機器人的另一個主要功能。由于樹葉、灰塵等對光伏組件造成的局部陰影遮擋，會導(dǎo)致光伏組件內(nèi)某些太陽電池的電流、電壓發(fā)生改變，從而引起局部電流和電壓的乘積增加，導(dǎo)致光伏組件局部溫度升高。還有一些太陽電池由于存在虛焊、自身缺陷等問題，也會使光伏組件在運行過程中產(chǎn)生局部發(fā)熱，產(chǎn)生熱斑，嚴重時會引發(fā)火災(zāi)，如圖9所示。除此之外，光伏組件受外力或高溫影響會產(chǎn)生隱裂。這些缺陷僅憑肉眼難以辨別，因此探傷功能主要針對光伏組件的這些缺陷進行檢測。

1.4.1" 光伏組件缺陷分析

本缺陷分析方法由周寧剛等[7]設(shè)計的光伏組件缺陷檢測方法改進而來，主要針對光伏組件的熱斑效應(yīng)和隱裂這兩大缺陷進行檢測。

造成光伏組件隱裂的原因多種多樣，光伏組件生產(chǎn)、運輸安裝、運行期間都可能產(chǎn)生隱裂，其中光伏組件受力不均勻及被強力振動是造成光伏組件隱裂的主要原因[8]。由于太陽電池本身的晶格結(jié)構(gòu)極易斷裂，在光伏組件封裝過程中，很多環(huán)節(jié)都會很容易使太陽電池出現(xiàn)裂紋，太陽電池隱裂照片如圖10所示。隱裂會導(dǎo)致太陽電池上出現(xiàn)細絲裂紋，從而導(dǎo)致主柵線失效，導(dǎo)致部分太陽電池或整個光伏組件受損，產(chǎn)生碎片、熱斑等，并導(dǎo)致光伏組件的輸出功率下降。

1.4.2" 探傷方案設(shè)計

運維機器人探測熱斑、隱裂缺陷是基于紅外熱成像技術(shù)，其利用紅外熱敏電荷耦合器（CCD）技術(shù)對物體進行圖像處理，實現(xiàn)物體表面溫度場的精確測量；然后通過紅外熱成像儀，可以將人眼不可見的物體表面溫度場轉(zhuǎn)換為人眼能直接觀察到的物體表面溫度場。采用紅外熱成像技術(shù)，在一定范圍內(nèi)可探測到高靈敏度的熱成像圖，因為真實對象的表面輻射量不同，其表面溫度和表面溫度場的分布也會有很大的差別，從而可直接發(fā)現(xiàn)缺陷，紅外熱成像儀工作電路如圖11所示。圖中：VCC為電路的供電電壓（代表參數(shù)時寫為VCC）；VDD為器件內(nèi)部的工作電壓；SCL為控制線；SCLEXT為控制線擴展；GND為電線接地端；SDA數(shù)據(jù)線；SDAEXT為數(shù)據(jù)線擴展。

1.4.3" 圖像識別技術(shù)

本方案的圖像識別技術(shù)是根據(jù)文獻[9-10]設(shè)計的光伏組件缺陷識別技術(shù)改進而來。圖像識別技術(shù)本質(zhì)上是通過圖像采集終端傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)文件，在數(shù)據(jù)預(yù)先處理過程中實現(xiàn)特征量類別劃分與預(yù)置特征標注，最終識別圖像特征的過程。當前，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行圖像辨識是一種新興方法，其將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)方法相結(jié)合，采用計算機進行圖像的非線性降維識別，是一種基于高維化的圖像識別技術(shù)，不管原始圖片分辨率如何，產(chǎn)生的圖像都具有多維特征。其中，最典型的圖像識別方法是將多層前饋（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合。

本設(shè)計采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別方法，能夠迅速、準確地進行圖像識別，具體實現(xiàn)方式如下：在圖像數(shù)據(jù)處理部分，主要包括信息獲取，信息預(yù)處理，特征抽取及選擇、設(shè)計分類器和分類決策。

紅外熱成像檢測熱斑、隱裂的具體過程為：1）光伏組件向外部輻射紅外線，光學(xué)系統(tǒng)探測器的感光面上集聚了紅外線，在收到紅外信號后，將會進行光能與電能的轉(zhuǎn)換；2）通過對光伏組件的紅外圖像的采集與分析就可以得到光伏組件不同的狀態(tài)信息；3）溫度轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換，通過圖像處理完成故障檢測[11]。具體如圖12所示。

隱裂檢測部分的實現(xiàn)過程：利用照像機對光伏組件進行照相，使光伏組件在充電時產(chǎn)生的近紅外光透過照相機的鏡面?zhèn)魉椭罜CD圖像傳感器，將其轉(zhuǎn)化為電荷，再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）晶片將其轉(zhuǎn)化為電子信號，再經(jīng)ADC晶片將該信號儲存為數(shù)碼信號，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，通過計算機對圖像進行過濾，得到了光伏組件的隱裂圖像。隱裂檢測電致發(fā)光（EL）成像過程如圖13所示。

1.5" 供能系統(tǒng)設(shè)計

運維機器人在進行運維工作時，其自身也在消耗能量，為此，必須合理、科學(xué)地規(guī)劃其能源供給，以降低能源消耗，從而達到節(jié)能和提高運維機器人效率的目的。運維機器人只由自身電池供能并不能長時間工作，另外考慮到運維機器人的蓄水箱容量有限，本設(shè)計還額外配備具有補水充電功能的蓄能基站。

考慮到動力、蓄電池、重量及節(jié)能減排等因素，可將蓄能基站安裝在光伏陣列的間隙或首尾端，以供運維機器人補給水量、電量和存放清潔用水使用。結(jié)合筆者的蓄能基站專利[12]，設(shè)計了一套具有補水、充電功能及實時監(jiān)視功能的蓄能基站。

該蓄能基站由光伏組件、存放倉、供水水箱倉、電線、出水口、蓄電池倉和抽水泵等構(gòu)成，以此實現(xiàn)基站對運維機器人的不間斷能源補給，提高運維機器人工作效率，節(jié)省依靠人力對機器人蓄電池進行充電、補充清潔用水的繁瑣操作時間，更加有利于提高機器人的工作效率[13]；當運維機器人停止工作時，可以自動存放在蓄能基站中。蓄能基站的結(jié)構(gòu)如圖14所示。

蓄能基站利用ATMEGA328P-au芯片作為主控單元，該芯片具有32 kB的閃存容量、2 kB的隨機存儲器（RAM）容量、1 kB的只讀存儲器（EEPROM）容量，能夠供蓄能基站的程序存儲及運行使用；嵌入式計算機RPi4B作為傳輸單元，實現(xiàn)對蓄電池電壓、蓄電池溫度、水箱水位的數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送至移動客戶端[11]。

2" 運維機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的運維機器人具有自主行走與手動控制兩種方式，需要上、下位機均具有通信能力。由于集中式光伏電站一般占地面積較大，所以選擇使用WiFi模塊進行通信[14]。當運維機器人移動到光伏組件邊緣時，必須對其進行實時監(jiān)測，因此，測距傳感器是不可或缺的。同時需要對運維機器人的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，所以還需要裝配測速傳感器。上位機的作用是為了在必要的時候控制運維機器人進行有目的的運動，因此，上、下位機均應(yīng)具有良好的通信能力，同時上機位能夠給下位機下發(fā)指令。運維機器人控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。

2.1" 主控系統(tǒng)設(shè)計

運維機器人主控系統(tǒng)采用ATMEGA328P-au作為其核心，ATMEGA328P-au是一種基于高速嵌入式（AVR）的精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）結(jié)構(gòu)的低功率CMOS 8位單片機。ATMEGA328P-au可以在1個單一的時鐘循環(huán)中完成一個強有力的指令，其可以達到1 MIPS/MHz的讀取和寫入，擁有32 kB的可編程閃存、1 kB的EEPROM容量、2 kB的靜態(tài)存儲器（SRAM）容量、23條I/O線路、32個通用工作寄存器，受到1整套程序和系統(tǒng)開發(fā)工具的支持，包括：C語言編譯器、宏匯編器、程序調(diào)試器/仿真器、在線仿真器和評估套件，其工作原理如圖16所示。

2.2" 驅(qū)動模塊設(shè)計

運維機器人采用的是雙履帶式行走機構(gòu)，為確保運維機器人的高效工作，驅(qū)動模塊將采用單履帶雙直流減速電機的驅(qū)動模式，選用型號為L298N直流減速電機驅(qū)動器，其驅(qū)動模塊電路是一種特殊的H橋型電路（如圖17所示，圖中：Q1～Q4為開關(guān)管；D1～D4為二極管），其電路構(gòu)造比較簡單，由4個可獨立控制的切換元件構(gòu)成，通常用于驅(qū)動高電流的負載。L298N電機驅(qū)動器的輸出電流為2 A，最大電流為4 A，工作電壓為50 V，可用于驅(qū)動直流減速電機、步進電機、電磁閥等感性負荷，特別是其輸入端由單片機進行控制。在直流減速電機的驅(qū)動下，可以直接控制步進電機，實現(xiàn)電機的正、反向旋轉(zhuǎn)，只需調(diào)節(jié)輸出的邏輯電平即可。在此基礎(chǔ)上，增加了光耦器，實現(xiàn)了光電絕緣，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，其驅(qū)動模塊原理如圖18所示。

2.3" 測距模塊設(shè)計

測距模塊采用超聲波測距，選用HY-SRF05型超聲波測距模塊，該模塊采用2～450 cm無接觸距離感應(yīng)，精度可達3 mm，包括超聲波發(fā)射機、接收機和控制線路，其控制電路圖如圖19所示。測距模塊通過I/O口輸入信號到控制端（TRIG）引腳觸發(fā)測距，輸出高達10 μs的高電平信號；該模塊能在8個40 kHz的方波中，對有無信號返回進行自動探測；在返回信號時，通過I/O端口的數(shù)據(jù)接收端（ECHO）引腳輸出高電平，該高電平持續(xù)期為超聲波從發(fā)出至返回的時間，可得到測試距離的計算式，即：

S=" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：S為測試距離；t為高電平時間；V為聲音在空氣中的傳播速度，本文取340 m/s。

該模塊參數(shù)為：工作電壓為DC 5 V；工作電流為15 mA；工作頻率為40 Hz；最遠射程為4.5 m；最近射程為2 cm；模塊的規(guī)格尺寸為45 mm×20 mm×15 mm。

2.4" 通信模塊設(shè)計

通信模塊設(shè)計主要分為兩部分，一部分是ATMEGA328P-au芯片與嵌入式計算機RPI4B通信，另一部分是嵌入式計算機RPi48B與移動客戶端的通信。嵌入式RPi4B是指樹莓派4B raspberry pi 4嵌入式計算機，其包括一個高性能64位4核處理器，通過1對micro-HDMI端口實現(xiàn)分辨率4 k雙顯示，以及4kp60、4 GB的硬件視頻解碼，具有雙波段2.4/5.0GHz無線局域網(wǎng)、藍牙5.0、千兆以太網(wǎng)、USB 3.0和以太網(wǎng)供電（PoE）能力。

2.4.1" ATMEGA328P-au芯片與嵌入式計算機RPi4B的通信

由于ATMEGA328P-au芯片很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳輸，因此采用ATMEGA328P-au芯片與嵌入式計算機RPi4B相結(jié)合的方法，能夠有效解決該問題。串口通信方式具有控制簡單、傳輸數(shù)據(jù)快的優(yōu)點，因此這部分通信方案采用串口通信方式，將ATMEGA328P-au芯片的RX引腳、TX引腳分別與嵌入式計算機RPi4B的TX引腳、RX引腳相連接。由此可以實現(xiàn)ATMEGA328P-au芯片中的數(shù)據(jù)與嵌入式計算機RPi4B中的數(shù)據(jù)相互交換，達到通信的目的。

2.4.2" 嵌入式計算機RPi4B與移動客戶端的通信

由于嵌入式計算機RPi4B與移動客戶端之間需要實現(xiàn)無線通信，所以需要搭建云服務(wù)器。具體通信流程為：首先搭建基于百度云支持的云服務(wù)器，將已接入局域網(wǎng)的嵌入式計算機RPi4B，通過采用快速反向代理（FRP）內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)與云服務(wù)器相連接，從而實現(xiàn)移動客戶端訪問云服務(wù)器，同時也實現(xiàn)了移動客戶端訪問嵌入式計算機RPi4B，如圖20所示。

3" 運維機器人的模型試驗

根據(jù)上文設(shè)計的運維機器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)制作了運維機器人模型樣機并進行了試驗，如圖21所示。

該樣機采用履帶式行走機構(gòu)移動系統(tǒng)，為了實現(xiàn)運維機器人能夠在傾斜的光伏組件表面行走，需要對比不同材質(zhì)和直徑的吸盤的使用效果，對比結(jié)果如表1所示，通過對比，選擇聚四氟橡膠。該運維機器人的行駛速度可以達到0.2 m/s，在無附加吸盤的狀態(tài)下，其在安裝傾角為35°的光伏組件表面可以正常穩(wěn)定行駛。

同時，該樣機搭載的基于紅外熱成像技術(shù)的光伏組件缺陷檢測系統(tǒng)基本實現(xiàn)了對光伏組件的缺陷檢測，其探測照片如圖22所示。通過該缺陷檢測系統(tǒng)，針對不同類型光伏組件檢測到的熱斑溫度數(shù)據(jù)，如表2所示。

多次試驗表明，本樣機上的高溫高壓清潔系統(tǒng)，可將光伏組件的積塵量從100 g/m2降至40 g/m2從而提升6.3%的年發(fā)電量，基本實現(xiàn)了清潔光伏組件的目的。鑒于樣機實際尺寸偏小沒有足夠空間放置所有部件，因此目前該樣機還未將高壓及高溫加熱部分和蓄能功能完善。

另外，此樣機的視頻傳輸系統(tǒng)基于云服務(wù)器傳輸，受網(wǎng)絡(luò)影響較大，但不受距離的影響。對于樣機的操控，在空曠地帶遙控距離可達1 km，在建筑物或遮擋物密集的環(huán)境下其遙控距離縮短至500 m左右。

4" 結(jié)論

本文提出并設(shè)計了一種基于蓄能基站供能的光伏電站智能運維機器人，主要對該運維機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，并對其進行了模型試驗。經(jīng)過試驗驗證分析，所設(shè)計的運維機器人不僅達到了較好的清洗效果，還能對光伏組件的熱斑、隱裂起到良好的探測功能，基本達到了預(yù)期的設(shè)計目標，具有較好的應(yīng)用價值，但目前還存在一些缺陷，下一步將繼續(xù)完善和優(yōu)化其功能，以期實現(xiàn)智能化的檢測，真正應(yīng)用到工程實際當中。

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DESIGN OF INTELLIGENT OPERATION AND MAINTENANCE ROBOT FOR PV POWER STATIONS BASED ON ENERGY

STORAGE BASE STATION

Sun Longjun1，Lu Weiping1，2，Song Qianwen1，Shen Feiqi1，Wu Meng1

（1. Nantong Institute of Technology，Nantong 226001，China；

2. Nantong Key Laboratory of Intelligent Control and Intelligent Computing，Nantong 226001，China）

Abstract：Against the backdrop of global traditional energy shortage and the guidance of emission peaking and carbon neutrality goal，China’s PV industry has developed rapidly. The problems existing in the development are also highlighted，among which，the cleaning and flaw detection problems of PV modules need to be solved urgently. To solve these problems，an intelligent operation and maintenance robot for PV power station based on energy storage base station is proposed and designed. This intelligent operation and maintenance robot consists of five parts：robot main body，drive system，cleaning system，flaw detection system and energy supply system. The robot can use infrared imaging technology to detect the heat spots and hidden cracks of PV modules，and transmit the data to the main control platform. At the same time，for the cleaning problem of PV modules，high-temperature steam is used to remove all kinds of dirt that is difficult to remove. After verification and analysis，the intelligent operation and maintenance robot for PV power station not only achieves a good cleaning effect，but also plays a good detection function for the thermal spots and hidden cracks of PV modules，basically achieves the expected design objectives，and has good application value.

Keywords：operation and maintenance of PV power station；robot；steam cleaning；negative pressure adsorption；infrared imaging