一種太陽能光伏板清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)

侯凡博 姬鵬飛 張修太 王程陽

摘 要： 針對光伏板表面的積灰情況和清掃特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種智能清掃機(jī)器人。該清掃機(jī)器人以STC51單片機(jī)為控制核心，按照清掃工序順序動作，在光伏板表面進(jìn)行自動清掃和吸塵。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，該清掃機(jī)器人能夠自主完成對光伏組件的智能清潔，滿足光伏電站實(shí)際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 光伏板;清掃機(jī)器人;智能

1 緒論

隨著傳統(tǒng)不可再生能源的逐漸減少，能源危機(jī)問題日益突出。光伏發(fā)電作為主要綠色能源之一，越來越多的得到應(yīng)用，太陽能發(fā)電的規(guī)模也達(dá)到了前所未有的程度。然而在實(shí)際使用過程中，空氣中的微小顆粒容易積聚在光伏板表面形成積灰，導(dǎo)致光伏組件發(fā)電效率降低，同時(shí)也會給光伏企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，太陽能光伏板的清潔成了新的研究課題。

傳統(tǒng)的清潔方式以人工擦拭和清水清洗為主，效率較低且成本較高，而且受到環(huán)境和地域限制。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出了一些用于光伏板清洗的機(jī)器人，如以色列開發(fā)的機(jī)器人Ecoppia E4和日本未來機(jī)械公司研制的太陽能電池板清掃機(jī)器人，雖然都可以應(yīng)用于太陽能光伏板的清掃，但是價(jià)格昂貴，普及型不高[1]。國內(nèi)開發(fā)的車載式清掃機(jī)器人利用滾刷和吸塵系統(tǒng)對光伏組件進(jìn)行無水清洗，不利于山區(qū)或沙漠地區(qū)使用。

針對目前存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種太陽能光伏板清掃機(jī)器人。該清掃機(jī)器人是一種智能化的光伏電池板清掃裝置，可實(shí)現(xiàn)對光伏板表面灰塵自動清掃，功能集成性好、工作效率高，能有效應(yīng)用于多種光伏發(fā)電場所。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括：矩形框架、行走機(jī)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)。矩形框架用于支撐整個機(jī)器人的形狀，為各種機(jī)構(gòu)提高安裝位置。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

具體工作過程是：行走機(jī)構(gòu)帶動清掃機(jī)器人在光伏組件上沿水平方向向前行走，行走的同時(shí)由清掃機(jī)構(gòu)對光伏板表面進(jìn)行清掃;當(dāng)走到光伏組件盡頭時(shí)，位置傳感器檢測到光伏組件邊緣，機(jī)器人停止前進(jìn)和清掃，由爬升機(jī)構(gòu)將機(jī)器人向上提升一個工位;向上爬行結(jié)束后，機(jī)器人會朝反方向水平前進(jìn)，前進(jìn)的同時(shí)光伏板表面進(jìn)行清掃;當(dāng)走到光伏組件另一側(cè)邊緣時(shí)，再次停止前進(jìn)和清掃，向上爬升一個工位[2]。整個過程可以分為水平行走、清掃和爬升三個部分，整個清掃過程都是這三個部分的循環(huán)。整個光伏組件清掃完畢或電量過低時(shí)，機(jī)器人會回到初始位置。整個工作過程示意圖如圖2所示。

3 清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

清掃機(jī)器人的各項(xiàng)功能需要控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和調(diào)配下才能順利完成。根據(jù)清掃機(jī)器人所需實(shí)現(xiàn)的功能，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示：

運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件平臺主要有微控制器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、傳感器、直流電機(jī)、電源等組成。

3.1 控制模塊

選用STC51單片機(jī)作為主控芯片，通過單片機(jī)的PWM脈寬調(diào)制對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)行走、爬升和清掃部分的功能，并利用感知部分的信號作為控制的反饋信號和控制信號。STC51單片機(jī)正常工作需要復(fù)位電路和晶振電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，如圖4所示。

單片機(jī)下載程序時(shí)采用內(nèi)部UART實(shí)現(xiàn)串口通信，單片機(jī)正常工作時(shí)采用藍(lán)牙通信與手機(jī)端APP進(jìn)行通信，如圖5所示。

3.2 行走模塊

由2個步進(jìn)電機(jī)和2個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成。驅(qū)動器接收到單片機(jī)的控制指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的水平行走，如圖6所示。

3.3 爬升模塊

由1個步進(jìn)電機(jī)、1個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、1個推桿升降電機(jī)、2個吸盤和1個真空泵構(gòu)成。當(dāng)需要進(jìn)行爬升時(shí)，推桿升降電機(jī)向下運(yùn)動，將吸盤接觸到光伏板表面的同時(shí)，矩形框架被整體提升懸空，隨后真空泵開始抽氣，吸盤會牢牢固定在光伏板表面，爬行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的橫向移動，控制電路如圖7、8、9所示。

3.4 清掃模塊

由2個直流電機(jī)和一個吸塵泵構(gòu)成。每個電機(jī)帶動一個清掃毛輥，在清掃機(jī)器人向前行走時(shí)進(jìn)行光伏表面的清掃，同時(shí)吸塵泵開始工作，將灰塵吸進(jìn)收納裝置。

3.5 感知部分

由接近開關(guān)、光電開關(guān)、編碼器等構(gòu)成。單片機(jī)通過讀取傳感器、編碼器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人在行走和爬升過程中位置的精確控制[3]。

3.6 電源部分

選取24V鋰電池作為整個系統(tǒng)的電源，通過電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)5V電壓輸入。

4 清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)清掃工作流程和硬件電路開發(fā)控制程序。控制程序系統(tǒng)流程如圖12所示：

5 現(xiàn)場運(yùn)行分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和合理性，分別在實(shí)驗(yàn)室和學(xué)校屋頂光伏陣列進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。現(xiàn)場運(yùn)行表明，本文所設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人能夠在整個光伏陣列實(shí)現(xiàn)自動清掃，清掃范圍能夠覆蓋整個光伏陣列，清掃效果理想。同時(shí)，機(jī)器人可在晚間工作，會光伏板白天發(fā)電影響更小。整體樣機(jī)如下：

6 結(jié)論

本論文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一種智能清掃機(jī)器人，用于對光伏組件表面的積灰進(jìn)行清掃[4]。該清掃機(jī)器人具有自動清掃、爬升、避障、路徑規(guī)劃等功能，可完成光伏組件表面自動清掃。仿真及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果均表明，該清掃機(jī)器人清掃效果良好，可有效降低人力成本，提高清掃效率，可應(yīng)用于大規(guī)模光伏電站。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧曙光.一種太陽能電池板全天候移動清洗裝置的研制[D].蘇州大學(xué)，2015.

[2]于晨.光伏面板清掃機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2018.

[3]李園，趙熙，汪貴平.光伏電池板智能清潔系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2018，33（10）：41-44+98.

[4]王軍.光伏組件清掃機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].安徽大學(xué)，2016.

項(xiàng)目來源： 安陽市科技攻關(guān)項(xiàng)目-光伏發(fā)電站太陽能電池板清掃機(jī)器人（40088902）