光伏智能清扫机器人在高寒地区应用探索

2024-01-17王海明高晓宇郭俊志石伟东

现代制造技术与装备 2023年11期

王海明高晓宇郭俊志石伟东

（内蒙古蒙东能源有限公司，呼伦贝尔 021000）

光伏发电会受到环境因素的影响，如树叶、鸟类排泄物、灰尘等都可能堆积到光伏组件表面，从而降低光伏组件的发电量，破坏热岛效应。有研究显示，大量的灰尘积累在光伏组件表面，会提高发电损耗功率。光伏电站一般在荒漠、高寒地区，恶劣的环境条件使得人工清洗效率较低，导致电站维护成本增加。因此，光伏组件的定期积灰清扫尤为重要。文章研究的光伏智能清扫机器人由控制部分和机械结构部分构成，通过对比分析进行清扫机器人的实验验证[1]。

1 清扫机器人的总体设计

机械式清扫不仅能够提高清灰效率，还不会损伤光伏组件。为了提高除尘效率，文章设计了光伏智能清扫机器人。

1.1 电气控制模块

系统使用西门子S7-200 224XP PLC 设计系统作为传动部位核心，与开发板结合，控制机械运动。此过程考虑西门子可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工作时的性能，如果在其他部位出现故障，要求机器人能够正常工作。PLC 基于实时模式具有较快的运动速度，而且能够通信，可以随时随地控制运行过程，从而提高运行质量、效率与安全性[2]。

清扫机器人使用Firefly-RK3399 开发板实现系统控制中心的设计，并控制和协调其他模板的正常工作。在处理完所收集画面数据后，它会将相关数据上传到区域后台监控中心，用于检测光伏电站的运行情况。利用小开源程度的嵌入式开发系统实现开发板的设计，能够处理数据，适用于低功耗、高实时性的系统。开发板开源程度小，能够降低产品可复制性，保护开发者的知识产权[3]。

1.2 外置充电设计

目前，清扫机器人充电是一个需要着重考虑的问题。如果单独使用太阳能光伏组件，遭遇连续阴雨天气则无法进行充电；如果单独使用充电机构+220 V 外接供电，则遇到雪天或者结冰情景，也会影响充电接触点的可靠性。为此，开发一种适应结冰场景的充电机构+太阳能光伏板组合式的太阳能光伏板充电系统。

清扫机器人充电系统包括清扫机器人（携带电池）、自供电太阳能板、充电转接机构以及外部供电系统。清扫机器人可以清扫光伏组件。有阳光的情况下，自供电太阳能板可以独立给电池充电。

充电转接机构分成2 个部分：第1 部分设置在清扫机器人上，与电池电路连接；第2 部分与外部供电系统相连。在缺少阳光的阴雨天或者夜晚，当充电转接机构的2 个部分接触后，外部供电系统可以给电池充电。第1 部分包括机器侧充电板和机器侧绝缘板，机器侧充电板与电池电路连接，机器侧绝缘板起绝缘作用。第2 部分包括导电弹片、停机侧绝缘板和加热片。导电弹片由弹簧钢制成，具有弹性变形能力。加热片与外部供电系统相连，当处于低温结冰情景下时，加热片可以为导电弹片加热，从而实现除冰。第1 部分和第2部分接触时可导通电路，分离时断开电路[4]。

1.3 电池加热设计

电池加热功能是保证机器人在低温环境下正常运行的关键，如果电池的温度过低，它会进入保护状态且不能充放电。锂电池加热膜是一种三明治结构的全透明、半透明的金属柔性电加热膜，绝缘性能良好，其中电阻性电路通过特殊合金箔制作。使用聚酰亚胺薄膜实现锂电池加热膜绝缘层的设计，具有良好的热传导、抗电强度和绝缘性能。发热体采用特殊的合金箔制成，具有优异的电阻稳定性。

电池加热的逻辑流程，如图1 所示。机器人和电池的通信要保持正常才能开启加热，否则直接关闭加热，然后通过获取的电池温度判断开启或关闭加热。若小于1 ℃，则打开加热电路给电池加热，待加热到15 ℃以上时，关闭加热电路，停止给电池加热。

图1 电池加热的逻辑流程

1.4 清扫运行模块

通过行走和清扫两个驱动模块构成清扫运行模块。机器人系统电压设置为24 V，最大输出功率为1 000 W，因此行走装置驱动模块步进电机使用57HS222 两相步进电机，具体参数如表1 所示。

表1 具体参数

DM542 步进电机驱动器的噪声较低，能够实现数字化。利用微分技术能够在低细分时进行高细分，运行过程比较稳定。驱动器内部实现自动整定的功能，针对不同电机能够自动合成最优化的运行参数，充分应用电机的功能[5]。

1.5 热斑检测模块

日照时，光伏电站热斑画面的内部局部电阻较高，导致光伏组件出现热板效应，提高了自身温度，且高于其他正常部位的温度。检测模块通过非接触方式探测红外能量，从而转变为电信号，然后通过控制芯片生成热图像和温度值，收集热斑效应构成画面。

1.6 电机驱动器

电机驱动器利用编码器信号实现电机调速。电机驱动器除了能够利用脉冲宽度调制进行调速，还能够实现一些其他功能。第一，工作在位置模式、力矩模式、速度模式下。位置模式指的是驱动及控制电机运动的距离，通过求解速度计算距离。力矩模式为电机驱动转矩进行旋转，保证电机电流环的恒定输出。速度模式为驱动器能够通过编码器以指定的位置速度计算电机实际的转矩，调节实际转速值和给定转速值。第二，驱动电机运动。将24 V 锂电池设置于清扫机器人，电压设置为22.2 V，额定电压设置为24 V，控制电机正常工作。第三，实现主控制器的通信。主控制器和驱动器通信，接收主控制器的指令，然后在主控制器中反馈信息。

清扫机器人能够设置清扫电机和驱动电机。清扫电机发起启停等命令，驱动电机控制机器人运行，并且交互主控制器数据。实验样机无须考虑实验成本，利用驱动器实现，能够在驱动过程中控制电机，然后进行主控制器中的数据交互。芯片工作电压设置为3～12 V，输出电流设置为43 A，满足机器人的应用需求。

1.7 传感器与显示模块

清扫机器人对光伏面板利用驱动和清洁系统进行清扫，利用其他传感器控制机器人，主要包括机器人实时运行的状态、电池电量和光伏面板边界位置。在设计过程中使用MPU6050 检测机器人运行过程，从而设置模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换器，使测量模拟量朝着可输出数字量转变，通过工作环境与运动状态实现加速度计和传感器陀螺仪范围的设置。

由于电池板为黑色，将其设置到屋顶，能够识别电池板机器人位置。利用SEN0147 灰度传感器型号，在系统设计中应用开关模式或者数字模式，供电电压设置为5 V。文章使用BT06 蓝牙串口模块进行无线通信，通过双晶体管逻辑（Transistor-Transisitor Logic，TTL）电平接口实现通信，能够支持通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口，满足V3.0 蓝牙规范需求。

1.8 除雪流程

通过与气象站联动感知当地气象数据变化，针对极端恶劣天气执行特定清扫任务。微气象站监测到降雪后，清扫机器人自动执行持续往返清扫任务（用户可设置是否开启执行特定任务），以减少光伏组件的积雪厚度，将冬季恶劣天气对光伏组件发电效率的影响降至最低。为应对冬季降雪对光伏发电的影响，智能光伏清扫系统集成了带雪深检测的气象站。初雪时，光伏板表面只有一层浮雪或者积雪厚度较小，气象站能够及时检测到，可以使用光伏清洁机器人进行清扫。下雪时，通过后台控制机器人对光伏板进行多次反复清扫，可以及时有效清扫浮在光伏板上的雪，确保光伏板不会积雪或处于结冰的状态，增加光伏电站冬季雪天的发电量。

2 清洗实验对比

此电站除了1 MW 区，共有21 个区。每个1 MW区由2 台500 kW 逆变器构成。在电站中设置多晶硅和薄膜两种不同方式的组件。

2.1 电量分析

为了方便对比，分析收集的7—11 月的电量，分析21 区的电量。对比没有安装清扫机器人和已经安装清扫机器人的情况，发现有两种可能导致两个相同0.5 MW 区域电量出现差别，分别是电气设备缺陷和1 号机区域装机超过1 MW。

2.2 实验结果对比

清扫机器人在6 月12 日安装2 号机，21 区1 号机和2 号机在同区域，因此发电小时数相同。6 月1—11 日，1 号机和2 号机的发电量分别为63 019 kW·h和30 049 kW·h。收集7 月1 日—11 月19 日的电量，对比结果显示，实验区清扫机器人在清扫后的光伏组件日发电量比没有清扫前要高。

表2 为发电量对比情况，可见清扫后的月发电量有所增加。此电站安装规格20 MW 的光伏电站组件，使用清扫机器人后7—11 月的发电量共增加671 万kW·h。