光伏智能清掃機器人在高寒地區應用探索

王海明 高曉宇 郭俊志 石偉東

（內蒙古蒙東能源有限公司，呼倫貝爾 021000）

光伏發電會受到環境因素的影響，如樹葉、鳥類排泄物、灰塵等都可能堆積到光伏組件表面，從而降低光伏組件的發電量，破壞熱島效應。有研究顯示，大量的灰塵積累在光伏組件表面，會提高發電損耗功率。光伏電站一般在荒漠、高寒地區，惡劣的環境條件使得人工清洗效率較低，導致電站維護成本增加。因此，光伏組件的定期積灰清掃尤為重要。文章研究的光伏智能清掃機器人由控制部分和機械結構部分構成，通過對比分析進行清掃機器人的實驗驗證[1]。

1 清掃機器人的總體設計

機械式清掃不僅能夠提高清灰效率，還不會損傷光伏組件。為了提高除塵效率，文章設計了光伏智能清掃機器人。

1.1 電氣控制模塊

系統使用西門子S7-200 224XP PLC 設計系統作為傳動部位核心，與開發板結合，控制機械運動。此過程考慮西門子可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工作時的性能，如果在其他部位出現故障，要求機器人能夠正常工作。PLC 基于實時模式具有較快的運動速度，而且能夠通信，可以隨時隨地控制運行過程，從而提高運行質量、效率與安全性[2]。

清掃機器人使用Firefly-RK3399 開發板實現系統控制中心的設計，并控制和協調其他模板的正常工作。在處理完所收集畫面數據后，它會將相關數據上傳到區域后臺監控中心，用于檢測光伏電站的運行情況。利用小開源程度的嵌入式開發系統實現開發板的設計，能夠處理數據，適用于低功耗、高實時性的系統。開發板開源程度小，能夠降低產品可復制性，保護開發者的知識產權[3]。

1.2 外置充電設計

目前，清掃機器人充電是一個需要著重考慮的問題。如果單獨使用太陽能光伏組件，遭遇連續陰雨天氣則無法進行充電；如果單獨使用充電機構+220 V 外接供電，則遇到雪天或者結冰情景，也會影響充電接觸點的可靠性。為此，開發一種適應結冰場景的充電機構+太陽能光伏板組合式的太陽能光伏板充電系統。

清掃機器人充電系統包括清掃機器人（攜帶電池）、自供電太陽能板、充電轉接機構以及外部供電系統。清掃機器人可以清掃光伏組件。有陽光的情況下，自供電太陽能板可以獨立給電池充電。

充電轉接機構分成2 個部分：第1 部分設置在清掃機器人上，與電池電路連接；第2 部分與外部供電系統相連。在缺少陽光的陰雨天或者夜晚，當充電轉接機構的2 個部分接觸后，外部供電系統可以給電池充電。第1 部分包括機器側充電板和機器側絕緣板，機器側充電板與電池電路連接，機器側絕緣板起絕緣作用。第2 部分包括導電彈片、停機側絕緣板和加熱片。導電彈片由彈簧鋼制成，具有彈性變形能力。加熱片與外部供電系統相連，當處于低溫結冰情景下時，加熱片可以為導電彈片加熱，從而實現除冰。第1 部分和第2部分接觸時可導通電路，分離時斷開電路[4]。

1.3 電池加熱設計

電池加熱功能是保證機器人在低溫環境下正常運行的關鍵，如果電池的溫度過低，它會進入保護狀態且不能充放電。鋰電池加熱膜是一種三明治結構的全透明、半透明的金屬柔性電加熱膜，絕緣性能良好，其中電阻性電路通過特殊合金箔制作。使用聚酰亞胺薄膜實現鋰電池加熱膜絕緣層的設計，具有良好的熱傳導、抗電強度和絕緣性能。發熱體采用特殊的合金箔制成，具有優異的電阻穩定性。

電池加熱的邏輯流程，如圖1 所示。機器人和電池的通信要保持正常才能開啟加熱，否則直接關閉加熱，然后通過獲取的電池溫度判斷開啟或關閉加熱。若小于1 ℃，則打開加熱電路給電池加熱，待加熱到15 ℃以上時，關閉加熱電路，停止給電池加熱。

圖1 電池加熱的邏輯流程

1.4 清掃運行模塊

通過行走和清掃兩個驅動模塊構成清掃運行模塊。機器人系統電壓設置為24 V，最大輸出功率為1 000 W，因此行走裝置驅動模塊步進電機使用57HS222 兩相步進電機，具體參數如表1 所示。

表1 具體參數

DM542 步進電機驅動器的噪聲較低，能夠實現數字化。利用微分技術能夠在低細分時進行高細分，運行過程比較穩定。驅動器內部實現自動整定的功能，針對不同電機能夠自動合成最優化的運行參數，充分應用電機的功能[5]。

1.5 熱斑檢測模塊

日照時，光伏電站熱斑畫面的內部局部電阻較高，導致光伏組件出現熱板效應，提高了自身溫度，且高于其他正常部位的溫度。檢測模塊通過非接觸方式探測紅外能量，從而轉變為電信號，然后通過控制芯片生成熱圖像和溫度值，收集熱斑效應構成畫面。

1.6 電機驅動器

電機驅動器利用編碼器信號實現電機調速。電機驅動器除了能夠利用脈沖寬度調制進行調速，還能夠實現一些其他功能。第一，工作在位置模式、力矩模式、速度模式下。位置模式指的是驅動及控制電機運動的距離，通過求解速度計算距離。力矩模式為電機驅動轉矩進行旋轉，保證電機電流環的恒定輸出。速度模式為驅動器能夠通過編碼器以指定的位置速度計算電機實際的轉矩，調節實際轉速值和給定轉速值。第二，驅動電機運動。將24 V 鋰電池設置于清掃機器人，電壓設置為22.2 V，額定電壓設置為24 V，控制電機正常工作。第三，實現主控制器的通信。主控制器和驅動器通信，接收主控制器的指令，然后在主控制器中反饋信息。

清掃機器人能夠設置清掃電機和驅動電機。清掃電機發起啟停等命令，驅動電機控制機器人運行，并且交互主控制器數據。實驗樣機無須考慮實驗成本，利用驅動器實現，能夠在驅動過程中控制電機，然后進行主控制器中的數據交互。芯片工作電壓設置為3～12 V，輸出電流設置為43 A，滿足機器人的應用需求。

1.7 傳感器與顯示模塊

清掃機器人對光伏面板利用驅動和清潔系統進行清掃，利用其他傳感器控制機器人，主要包括機器人實時運行的狀態、電池電量和光伏面板邊界位置。在設計過程中使用MPU6050 檢測機器人運行過程，從而設置模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換器，使測量模擬量朝著可輸出數字量轉變，通過工作環境與運動狀態實現加速度計和傳感器陀螺儀范圍的設置。

由于電池板為黑色，將其設置到屋頂，能夠識別電池板機器人位置。利用SEN0147 灰度傳感器型號，在系統設計中應用開關模式或者數字模式，供電電壓設置為5 V。文章使用BT06 藍牙串口模塊進行無線通信，通過雙晶體管邏輯（Transistor-Transisitor Logic，TTL）電平接口實現通信，能夠支持通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口，滿足V3.0 藍牙規范需求。

1.8 除雪流程

通過與氣象站聯動感知當地氣象數據變化，針對極端惡劣天氣執行特定清掃任務。微氣象站監測到降雪后，清掃機器人自動執行持續往返清掃任務（用戶可設置是否開啟執行特定任務），以減少光伏組件的積雪厚度，將冬季惡劣天氣對光伏組件發電效率的影響降至最低。為應對冬季降雪對光伏發電的影響，智能光伏清掃系統集成了帶雪深檢測的氣象站。初雪時，光伏板表面只有一層浮雪或者積雪厚度較小，氣象站能夠及時檢測到，可以使用光伏清潔機器人進行清掃。下雪時，通過后臺控制機器人對光伏板進行多次反復清掃，可以及時有效清掃浮在光伏板上的雪，確保光伏板不會積雪或處于結冰的狀態，增加光伏電站冬季雪天的發電量。

2 清洗實驗對比

此電站除了1 MW 區，共有21 個區。每個1 MW區由2 臺500 kW 逆變器構成。在電站中設置多晶硅和薄膜兩種不同方式的組件。

2.1 電量分析

為了方便對比，分析收集的7—11 月的電量，分析21 區的電量。對比沒有安裝清掃機器人和已經安裝清掃機器人的情況，發現有兩種可能導致兩個相同0.5 MW 區域電量出現差別，分別是電氣設備缺陷和1 號機區域裝機超過1 MW。

2.2 實驗結果對比

清掃機器人在6 月12 日安裝2 號機，21 區1 號機和2 號機在同區域，因此發電小時數相同。6 月1—11 日，1 號機和2 號機的發電量分別為63 019 kW·h和30 049 kW·h。收集7 月1 日—11 月19 日的電量，對比結果顯示，實驗區清掃機器人在清掃后的光伏組件日發電量比沒有清掃前要高。

表2 為發電量對比情況，可見清掃后的月發電量有所增加。此電站安裝規格20 MW 的光伏電站組件，使用清掃機器人后7—11 月的發電量共增加671 萬kW·h。

表2 發電量對比

3 結語

根據光伏組件的特點與安裝規格，實現光伏組件智能清掃機器人的設計。通過光伏電站對比實驗可知，設計的清掃機器人結構合理、簡單，能夠實現智能化清掃，并且不會損傷光伏組件表面，增加清掃區域的發電量，避免對光伏電站造成損失。