光伏電池板智能清潔系統(tǒng)

李 園，趙 熙，汪貴平

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710064）

太陽能光伏發(fā)電作為一種重要的可再生能源方式[1]，越來越得到國際社會的重視。作為我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點，太陽能光伏發(fā)電站在國家政策引導(dǎo)和扶持下正在如火如荼地修建[2]。我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的主要集中地區(qū)是青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地區(qū)[3]，但由于風(fēng)沙較大，自然條件惡劣，光伏組件經(jīng)常受到積灰等因素影響，導(dǎo)致發(fā)電效率大幅下降，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)在主流的清潔方式為人工清潔，清潔的成本比較高[4]。針對上述情況，多家研究機構(gòu)已經(jīng)設(shè)計出了相應(yīng)的太陽能電池板清掃裝置，來解決光伏組件表面積灰清潔的問題[5]。意大利UEMME公司推出的MANTASOLAR清潔機械，其載體是履帶車，操作人員在駕駛車體同時要不停地調(diào)整各個操作臂的位姿以清潔工作，這對于操作人員的操作要求太高[6]。新疆電科院與新疆大學(xué)聯(lián)合研制的光伏組件清掃機器人在鄭善光伏電站成功試運行，該機器人采用橫向清掃的方式對光伏組件表面的積灰進(jìn)行無水清掃，采用多段清掃刷交錯、緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)，清掃效果好，但是其缺少相應(yīng)的管理方案[7]。綜上所述，市面上現(xiàn)有的清潔設(shè)備都存在清掃效率較低、清掃效果不理想、環(huán)境適應(yīng)能力差、不能實現(xiàn)完全自動的清掃過程等問題[8]。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種光伏電池板智能清潔系統(tǒng)。其中移動清潔機器人是一種智能化的光伏電池板清潔裝置，提高了光伏發(fā)電效率，減少了能源損耗；上位機實現(xiàn)對多臺清潔機器人的統(tǒng)一管理；移動設(shè)備實時顯示清潔信息并可遠(yuǎn)程控制清潔機器人運行。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)、Web技術(shù)及APP技術(shù)彌補了現(xiàn)有清潔機器的多處不足。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文所設(shè)計的系統(tǒng)包括移動清潔機器人、移動終端（手機APP）以及上位機三部分，其整體設(shè)計方案如圖1所示。機器人通過采集光照強度信號來識別太陽能板的灰塵度信息，根據(jù)污染程度決定是否進(jìn)行清掃，在清掃過程中機器人通過攝像頭采集到光伏電池板的信息，將清掃環(huán)境、清潔效果及其自身的電池信息、位置信息通過無線模塊發(fā)送至顯示終端；上位機負(fù)責(zé)實時監(jiān)控機器人的電量、清潔進(jìn)度、故障等信息，將控制信號發(fā)送給機器人，遠(yuǎn)程控制其完成作業(yè)；同時將數(shù)據(jù)傳送給移動終端手機APP，可使用手機APP對機器人的狀態(tài)信息進(jìn)行實時監(jiān)控，避免工作人員死守崗位。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案Fig.1 System overall design scheme

2 清潔機器人設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 導(dǎo)軌設(shè)計

導(dǎo)軌是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，清潔機器人附著于導(dǎo)軌上，根據(jù)自身檢測和導(dǎo)軌控制清掃路徑。它由兩橫梁和兩立梁構(gòu)成，左右立梁采用現(xiàn)有的鋼導(dǎo)軌，并將清掃機構(gòu)固定在該導(dǎo)軌上，控制器通過對機器人的控制實現(xiàn)清掃機構(gòu)自動上下移動，不會被導(dǎo)軌固定模式阻攔。本設(shè)計采用一塊飛思卡爾MC9S12XSDT256作為控制器，用于控制導(dǎo)軌上的步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，邊緣配備有紅外檢測裝置，可以判斷機器人清掃的位置，防止機器人觸碰到邊緣和跌落太陽能光伏電板的的情況發(fā)生。同時，通過控制器串口接口連接到組態(tài)屏，利用組態(tài)屏按鍵對導(dǎo)軌進(jìn)行控制以及上位機通過無線方式對控制信息和顯示信息的下放，完成人機交互。

2.1.2 清潔機器人設(shè)計

清潔機器人是該系統(tǒng)的主要組成部分，也是執(zhí)行部分，代替操作者去現(xiàn)場完成作業(yè)。其運動控制系統(tǒng)硬件平臺主要由微控制器、電機驅(qū)動電路、傳感器、直流電機、監(jiān)控軟件、電源等組成。如圖2所示，處于控制系統(tǒng)核心部件的微控制器將輸出的控制信號送至直流電機驅(qū)動電路，從而完成對上下端行走機器人直流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制機器人行走。直流電機驅(qū)動電路由蓄電池供電，小型太陽能光伏電板提供給蓄電池充電；通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)機器人與上位機的連接，最終實現(xiàn)上位機對機器人運行情況的監(jiān)測與控制。

圖2 移動清潔機器人模塊圖Fig.2 Module diagram of mobile cleaning robot

（1）控制模塊

選用飛思卡爾單片機MC9S12XDT256作為主控芯片，通過單片機的PWM脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)對電機的控制。為了提高整體控制的精確度，本文選用步進(jìn)電機控制清掃機器人的整體左右移動，通過主控制器發(fā)出PWM脈沖信號控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動進(jìn)而控制機器人的整體移動；同時在上下清掃過程中，電機驅(qū)動控制直流電機帶動清掃刷的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽能光伏電板的清掃，最終實現(xiàn)智能清潔。

（2）通信與顯示模塊

通信模塊選用工業(yè)級串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，將清潔裝置上的機器人編號、實時位置、電量以及光伏電板上的污染信息實時傳輸給后臺上位機，操作者通過顯示終端能夠清楚地看到清潔機器人的信息。采用威綸通組態(tài)屏顯示清潔機器人信息，組態(tài)屏上顯示機器人的的清掃進(jìn)程、以及控制機器人啟停、清掃模式等信息，同時可通過屏幕選擇清掃模式，達(dá)到對太陽能光伏電板不同程度的清潔目的。

（3）清掃模塊

通過控制器驅(qū)動直流電機實現(xiàn)對光伏電板的清掃。在光伏電板清掃過程中，首先使用兩端清掃刷對電板進(jìn)行初步清掃，當(dāng)清掃完成以后，通過清潔機器人中間清潔棉模塊對太陽能光伏電板進(jìn)行擦拭，最終完成對太陽能光伏電板的清潔功能。

（4）檢測模塊

主要由接近開關(guān)、光電開關(guān)、編碼器等構(gòu)成。單片機控制器通過讀取傳感器、編碼器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對清掃機器人的精確控制，使整個清掃機器人運動控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。紅外光電開關(guān)對邊緣進(jìn)行檢測；紅外非接觸溫度測量傳感器測量太陽能光伏電板上的溫度，將溫度信息通過無線傳輸傳送至上位機；光照傳感器將采集到的光照強度數(shù)據(jù)通過模擬I2C數(shù)據(jù)接口傳送到控制器中，根據(jù)無污染情況下采集到的光照強度與發(fā)電的電壓值進(jìn)行對比，繪制相應(yīng)的比例曲線，對比二者在一定的光照強度下的發(fā)電量，實現(xiàn)對太陽能光伏電板的自動清掃。為了避開白天情況下清掃太陽能光伏電板對發(fā)電量的影響，故將在上位機終端設(shè)置特定的時間段進(jìn)行清洗，有效地避開在不同的時間點上對整個太陽能光伏電板發(fā)電量的影響。

（5）電源模塊

本設(shè)計選取蓄電池作為整個系統(tǒng)的儲能模塊，微型太陽能光伏發(fā)電板作為蓄電池的能量來源。蓄電池有12 V和24 V兩種輸出電能方式，為整個光伏清潔機器人提供電能。

2.2 軟件設(shè)計

清潔機器人工作軟件流程如圖3所示。導(dǎo)軌控制器需要通過傳感器采集信息，控制機器人的移動。機器人接收到清潔指令后，首先浸濕清潔棉，然后通過控制各個清潔刷的正反轉(zhuǎn)動與啟停，實現(xiàn)對光伏電板的整體清潔。

3 管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 機器人工作軟件流程Fig.3 Software flow chart of robot working

WCF是由微軟公司推出的一系列支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序框架。清潔機器人服務(wù)平臺的基本架構(gòu)為C/S架構(gòu)[10]，并采用基于WCF的面向服務(wù)構(gòu)架（SOA）的開發(fā)方式[9，12]。 移動終端即手機 APP，它是在基于Java的可擴展開發(fā)平臺Eclipse環(huán)境下開發(fā)完成，通過HTTP接口與后臺服務(wù)傳輸JSON數(shù)據(jù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[13]。本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)端、Windows上位機和Android移動終端四部分，系統(tǒng)服務(wù)的用戶對象主要是系統(tǒng)管理人員。管理人員使用的是上位機，現(xiàn)場值班人員使用的是移動終端，另外整個系統(tǒng)需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和存儲中心，包括服務(wù)端和數(shù)據(jù)服庫。清潔機器人服務(wù)平臺是多平臺、分布式[12]系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of management system

3.2 客戶端設(shè)計

光伏電池板智能清潔系統(tǒng)可實現(xiàn)接收多臺清潔機器人的狀態(tài)信息，實時監(jiān)控機器人的位置、故障等信息。通過上位機軟件設(shè)定清掃時間、選擇清掃模式等，同時根據(jù)現(xiàn)場機器人的清掃狀態(tài)遠(yuǎn)程控制清潔機器人完成作業(yè)；通過手機APP進(jìn)行實時監(jiān)控。上位機主要實現(xiàn)的功能有：

（1）機器人編號、型號、位置信息的錄入、修改以及刪除；

（2）顯示所有機器人的總體狀態(tài)，如在役、工作以及故障機器人的數(shù)目，查詢具體機器人狀態(tài)信息，顯示其工作模式、清掃進(jìn)程、機器人故障、以及各個模塊信息；

（3）遠(yuǎn)程操控機器人如清掃預(yù)約等；

（4）機器人清掃歷史查詢?nèi)缜鍜呷掌?、清掃開始以及結(jié)束時間和清掃所耗時等。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，搭建了驗證性實驗平臺并進(jìn)行測試。清潔機器人如圖5所示，能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏電池板的清潔。如圖6所示為上位機設(shè)計的人機交互界面，其狀態(tài)監(jiān)控界面顯示了當(dāng)前機器人的工作信息。

圖5 清潔機器人實物Fig.5 Mobile cleaning robot

圖6 人機交互界面Fig.6 Human-computer interactive interface

手機APP實時監(jiān)控上位機收到的各種信息，如圖7所示為移動清潔機器人當(dāng)前工作狀態(tài)顯示界面以及查詢編號001清潔機器人的清掃歷史界面，包括其當(dāng)時的清掃模式、清掃進(jìn)程和所用電量等。

圖7 移動終端顯示界面Fig.7 Displaying interface of mobile terminal

經(jīng)驗證可知，該機器人能有效完成對光伏組件表面的清潔，管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄機器人的清潔數(shù)據(jù)并實現(xiàn)對機器人的遠(yuǎn)程操控。

5 結(jié)語

通過分析市面上光伏組件清潔裝置的不足，本文設(shè)計了一種光伏電池板智能清潔系統(tǒng)。該系統(tǒng)既實現(xiàn)了對光伏組件的智能清潔，同時管理系統(tǒng)記錄了機器人清潔歷史，并完成無人值守和多臺機器人的人機交互，從根本上改善了工作人員的工作環(huán)境，降低了光伏電站的運營成本，為新能源的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。