太陽能板的自動(dòng)清掃裝置的研究

許昌電氣職業(yè)學(xué)院 李蓮英 張坤平

一、背景和意義

煤炭、石油、天然氣傳統(tǒng)的不可再生能源逐漸減少，無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，能源危機(jī)問題日漸突出。各個(gè)國家不得不竭盡全力去尋找其他的新型能源用來應(yīng)對(duì)其所面臨的能源問題，能否找到新的能源，處理好能源問題關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)能否健康穩(wěn)定發(fā)展。

大家都熟知的是太陽能發(fā)電站的電池板工作是需要長時(shí)間暴露在室外環(huán)境中，隨著暴漏在室外環(huán)境中時(shí)間的增長，會(huì)有許多的灰塵和污垢落在光伏組件的表面，這其中的主要成分是無機(jī)及有機(jī)物污染物，出現(xiàn)這一現(xiàn)象后，太陽能電池板對(duì)光線的吸收作用被大大降低，使得發(fā)電量會(huì)降低，并且因?yàn)椤盁釐u效應(yīng)”造成局部發(fā)熱而損壞。因此可見，因?yàn)楸砻婊覊m和污垢會(huì)引起的發(fā)電效率的降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致安全事故。人們不得不考慮如何降低這種影響。目前的形勢(shì)下，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速，基于對(duì)以上因素的考慮，人們開始從各個(gè)角度對(duì)光伏組件表面的積灰效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示太陽能板的發(fā)電效率與積灰量呈負(fù)相關(guān)變化，當(dāng)積灰量達(dá)到5.65g/m2時(shí)，其輸出功率損失達(dá)可以到15.2%。消除這種影響所帶來的經(jīng)濟(jì)效益要比在提高光伏材料的轉(zhuǎn)換效率上更加可觀。依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，太陽能電池板如果超過3個(gè)月沒有進(jìn)行表面清潔，那么將會(huì)有5%左右發(fā)電效率的損失，尤其是在較為惡劣的天氣環(huán)境下，如果超過20天沒有對(duì)其進(jìn)行清洗，其發(fā)電效率大約會(huì)損失超過12%?；谝陨线@些學(xué)者測試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能電池板表面的灰塵已經(jīng)對(duì)發(fā)電效率產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

面對(duì)此問題，如何對(duì)太陽能電池板進(jìn)行有效的清洗已成為擺在光伏產(chǎn)業(yè)面前急需解決的問題。傳統(tǒng)的清潔維護(hù)工作以人工擦拭和清水沖洗為主，但是多數(shù)太陽能電站建設(shè)在沙漠或戈壁，自然條件本身就十分惡劣，水資源缺乏，使得這種清潔方式難度大，成本高?；诖?，設(shè)計(jì)開發(fā)一種能夠有效清掃太陽能板表面灰塵的自動(dòng)化裝置變得十分必要。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.光伏組件清潔機(jī)器人及自動(dòng)清掃裝置研究現(xiàn)狀

目前具有代表性的有以下幾種：

日本的未來機(jī)械公司于2013推出的出免水清掃機(jī)器人，如圖1-1所示。設(shè)備自帶蓄電池，無需用水，適合在干旱缺水地區(qū)使用和推廣。

圖1-1 免水太陽能面板清掃機(jī)器人

2013年日本Sinfonia Technology公司推出自動(dòng)行走式機(jī)器人，如圖1-2所示。配備蓄電池，可以一邊移動(dòng)，一邊向外灑水，利用旋轉(zhuǎn)刷和刮板進(jìn)行清掃，清掃能力為每小時(shí)100m2。

圖1-2 自動(dòng)行走式清掃機(jī)器人

2015國際消費(fèi)電子展（CES）上，科沃斯推出了清潔機(jī)器人銳寶，其可以實(shí)現(xiàn)自主行走、路徑規(guī)劃，進(jìn)行自動(dòng)升降式清掃。

2.發(fā)展趨勢(shì)

以上提到的各種方法中，效率最低的是人工清洗，而且消耗的水量很大；利用納米材料和靜電技術(shù)的成本很高；種類繁多的小型機(jī)器人一方面因?yàn)槌杀驹?，一方面是他們?duì)環(huán)境要求高。目前來看，軌道式裝置具備比較明顯的優(yōu)點(diǎn)。是目前首選的發(fā)展方向。同時(shí)，需要考慮裝置所應(yīng)具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：安全性、響應(yīng)速度、低成本，節(jié)約水，操作簡單。

三、太陽能光伏板自動(dòng)清掃創(chuàng)新點(diǎn)

通過查閱資料、文獻(xiàn)、專利等對(duì)現(xiàn)有的太陽能板的清掃方式及清掃裝置的研究情況有一個(gè)較為全面的了解，在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)對(duì)光伏電站太陽能電池板清掃系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，并針三門峽鵬飛電子有限公司光伏電站的清掃情況的特點(diǎn)和存在的問題進(jìn)行調(diào)研。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，進(jìn)行一定的改進(jìn)，制作一款自動(dòng)清掃裝置。主要研究內(nèi)容及過程如下：

1.查閱各類資料，分析光伏電站對(duì)太陽能電池組件清掃系統(tǒng)的需求與現(xiàn)狀，現(xiàn)有情況以及使用的關(guān)鍵技術(shù)。

2.依據(jù)總體方案，細(xì)化設(shè)計(jì)要求，內(nèi)容包括機(jī)械結(jié)構(gòu)，可靠性和安全性。還有控制系統(tǒng)的要求，包括硬件和軟件設(shè)計(jì)。

3.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與樣機(jī)的加工制作。包括圖紙，控制板、軟件設(shè)計(jì)。

4.系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，搭建小型清掃裝置，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能。5.針對(duì)出現(xiàn)的問題對(duì)方案和細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修改完善，總結(jié)整個(gè)課題工作開展過程中的問題。

四、清掃裝置總體方案設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)場需求，考慮如下設(shè)計(jì)要求：

（1）無需用水。

（2）利用原有支架進(jìn)行改造，保證機(jī)構(gòu)的可靠性，便于維護(hù)更換。

（3）模塊化的設(shè)計(jì)，將裝置分為橫向行走部分，縱向行走部分，清掃部分。

（4）選擇合適的滾輪，保證運(yùn)動(dòng)過程不對(duì)組件表面造成破壞。

（5）安裝相應(yīng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)較為精確的自動(dòng)控制。

2.清掃裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述要求，首先進(jìn)行了機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。主要結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。行走部分所需的框架不需要另行設(shè)計(jì)，可以利用原有的太陽能陣列的邊框，考慮到其承載能力和系統(tǒng)的功耗。選用材料時(shí)，考慮的主要因素是材質(zhì)和強(qiáng)度。以質(zhì)量輕和合適的強(qiáng)度為要求。除了行走框架之外，主要包含有行走裝置、提升裝置、清掃部分。其組裝方式和工作原理為，將行走裝置通過滾輪卡在原有的矩形框架上，通過電機(jī)的帶動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)橫向的移動(dòng)，提升裝置安放在行走裝置上，可以實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)功能，清掃部分位于提升裝置下端的小車上，通過電機(jī)帶動(dòng)滾筒對(duì)太陽能電池板的表面進(jìn)行清掃。通過這種組合方式可以實(shí)現(xiàn)滾筒運(yùn)動(dòng)對(duì)光伏板表面的全覆蓋運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)清掃目的。

圖2-1 裝置結(jié)構(gòu)圖

（1）行走裝置

該部分的主要功能是能夠帶動(dòng)行走裝置包括位于其上的提升裝置和清掃裝置可以沿著原有框架做橫向運(yùn)動(dòng)。包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、傳動(dòng)帶和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。主要運(yùn)動(dòng)過程為，在不進(jìn)行清掃的時(shí)候，在整個(gè)光伏板框架的一邊為其提供一個(gè)靜止位置，當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)清掃功能是，行走裝置先檢測個(gè)位置信號(hào)是否到位，接著沿光伏組件的框架橫向移動(dòng)一段距離，該距離和裝置上的清掃小車一次可以清掃的寬度相同，這樣能夠保證在橫向移動(dòng)過程中能夠?qū)夥M件實(shí)現(xiàn)全部覆蓋。當(dāng)清掃裝置清掃完這一個(gè)幅面的組件后，行走裝置自動(dòng)移動(dòng)到下一個(gè)幅面。

（2）提升裝置

實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置中清掃小車的上拉和下放控制。由提升電機(jī)、滾筒、電纜軸、纜繩組成。依據(jù)清掃裝置的重量選擇合適的直流電機(jī)，能夠進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)拉和放的控制。當(dāng)行走裝置停留在一個(gè)幅面上時(shí)，提升裝置開始帶動(dòng)清掃小車從原始位置（下方）開始向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到上端時(shí)，停留一個(gè)時(shí)間間隔后接著向下運(yùn)動(dòng)，回到原始位置。上下的停留位置需要由限位開關(guān)給出信號(hào)，限位開關(guān)的安裝位置由光伏組件的上下邊緣和清掃刷能夠覆蓋到的位置決定。

（3）清掃裝置

通過電機(jī)帶動(dòng)清掃刷的運(yùn)動(dòng)去除組件表面的灰塵。該部分主要由電機(jī)、滾筒刷和用來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能的皮帶輪構(gòu)成。在提升裝置帶動(dòng)清掃車進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)的過程，清掃電機(jī)帶動(dòng)清掃刷轉(zhuǎn)動(dòng)，將灰塵掃去。該部分的運(yùn)動(dòng)較為簡單，在提升裝置帶動(dòng)小車上下運(yùn)動(dòng)的過程中，由電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)光伏組件表面的灰塵進(jìn)行清掃。此裝置的安裝高度是調(diào)試制作過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。高度適中能夠保證有效的清掃，同時(shí)降低對(duì)表面的磨損。

（4）其他輔助裝置

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，需要在部分位置安裝限位開關(guān)，需要設(shè)計(jì)給行走、提升機(jī)清掃裝置自供電系統(tǒng)。除此之外，可以根據(jù)需要安裝例如溫濕度傳感器，風(fēng)速儀等。用來檢測自然環(huán)境，可以根據(jù)這些條件來控制裝置何時(shí)運(yùn)行或停止。