基于組件清洗模型的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

姜愛民 張巖 童正 高升

摘 要：為降低光伏組件因積灰產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，設(shè)計(jì)了一種基于組件清洗模型的智能機(jī)器人。機(jī)器人控制系統(tǒng)采用GD32F303為主控芯片，通過LORA實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)的通訊，SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并以清洗維護(hù)費(fèi)和電量損失費(fèi)之和最低為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而確定機(jī)器人最佳自主清洗周期，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏電站分布式光伏組件的低成本清洗。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人具有良好的清洗效果和較低的清洗成本，對(duì)積灰1、3、7 d的光伏組件分別提高其輸出功率3.95%、3.98%、4.02%。采用基于最佳周期清洗方式，清洗周期分別縮短了17.6、13.5 d，為16.5 d，年經(jīng)濟(jì)損失分別降低了74.18、70.74萬元，為112.83萬元，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：光伏電站；組件積灰；清洗機(jī)器人；組件清洗

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0137-04

Research on intelligent robot design based on component cleaning model

JIANG Aimin，ZHANG Yan，TONG Zeng，GAO Sheng

（Huadian Hubei New Energy Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China

）

Abstract：In order to reduce the economic loss of photovoltaic modules in photovoltaic power station due to ash deposition，a robot based on module cleaning model was designed.The robot control system uses GD32F303 as the main control chip，realizes the communication between the robot and the host computer through LORA，and the SCADA system conducts data processing.The goal function is to minimize the sum of cleaning maintenance costs and power loss costs，and then determine the optimal autonomous cleaning cycle of the robot，realizing low-cost cleaning of distributed photovoltaic modules in photovoltaic power plants.The test results showed that the designed robot had good cleaning effect and low cleaning cost，and the output power of photovoltaic modules with ash deposition for 1，3 and 7 days could be increased by 3.95%，3.98% and 4.02% respectively.The designed robot adopted the optimal cleaning cycle based on the optimal cleaning cycle model.The optimal cleaning cycle was shortened by 17.6 days and 13.5 days，respectively，to 16.5 days，and the annual economic loss was reduced by 741800 yuan and 707400 yuan，respectively，to 1128300 yuan，which has a high economy.

Key words：photovoltaic power station;ash accumulation on components;cleaning robot;component cleaning

目前，常用的光伏發(fā)電站組件除塵主要是利用人工進(jìn)行清洗。該清洗方式存在成本高、效率低的問題。有學(xué)者分析了干旱地區(qū)大型光伏電站的光伏組件除塵技術(shù)，并提出現(xiàn)階段光伏組件智能清洗機(jī)器人的研發(fā)基本原則和方向，為光伏組件除塵設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù)［1］。光伏組件表面積灰數(shù)學(xué)模型以及光伏電站安裝規(guī)格，采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用滾筒式毛刷作為清掃刷，設(shè)計(jì)一種光伏組件智能清掃機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主清掃，清掃覆蓋率為100%，可達(dá)到95%以上清潔度［2］。設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于山地光伏電站光伏電站的光伏組件清洗無人船系統(tǒng)。系統(tǒng)搭載噴淋系統(tǒng)、激光雷達(dá)、水體監(jiān)測(cè)傳感器等設(shè)備進(jìn)行清洗，可提升光伏陣列區(qū)發(fā)電量2%以上，具有一定的可靠性和可用性［3］。本試驗(yàn)研發(fā)出一款低成本智能清洗機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種基于組件清洗的機(jī)器人。

1 機(jī)器人整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于組件清洗模型的機(jī)器人控制系統(tǒng)的目的是利用組件清洗機(jī)器人的中樞，同時(shí)協(xié)調(diào)機(jī)器人的各個(gè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人清洗。因此，機(jī)器人整體控制系統(tǒng)應(yīng)具備自主清洗和清洗周期記錄等功能。

根據(jù)上述需求，將機(jī)器人整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1 主控芯片選擇

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)選用具有運(yùn)行速率快、接口豐富和抗干擾能力強(qiáng)的GD32F303作為主控芯片。該芯片CPU最大工作頻率為120 MHz，內(nèi)置512閃存和32 KB的SRAM，包含1個(gè)CAN 總線接口和USB 接口、2個(gè)I2C 總線接口和SPI 接口、3個(gè)12位ADC 、5個(gè)USART 接口［4］。

1.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主控芯片的最小系統(tǒng)主要包括電源、串口通訊、RTC時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換線路、記錄存儲(chǔ)芯片5個(gè)部分構(gòu)成。

1.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)上位機(jī)軟件分為客戶端、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和電站層5個(gè)部分。其中，客戶端負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)，并通過移動(dòng)端或PC端設(shè)置命令控制機(jī)器人；應(yīng)用層負(fù)責(zé)信息的傳輸，根據(jù)LORA通訊方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行加密傳輸?shù)絃ORA網(wǎng)關(guān)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器解析后轉(zhuǎn)化為機(jī)器人狀態(tài)信息分別存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)層通過SCADA系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并傳輸?shù)接脩艚K端進(jìn)行顯示；平臺(tái)層負(fù)責(zé)對(duì)云端服務(wù)器主機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；電站層負(fù)責(zé)采集機(jī)器人位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、通訊狀態(tài)等狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行緩存［5-6］。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)在湖北某電力公司內(nèi)進(jìn)行。該公司內(nèi)有2組各串聯(lián)20個(gè)光伏面板的光伏陣列。組件外形規(guī)格為（1 640×990×35）mm。為提高采光率，將組件朝向正南布置，并設(shè)置不可調(diào)節(jié)的23°安裝傾斜角度。組件下沿與上沿分別距離地面0.8、2.6 m。

3.2 參數(shù)設(shè)置

本次試驗(yàn)選用具有發(fā)電效率高和良好耐腐蝕的中電電氣CSUN260-60P光伏組件作為試驗(yàn)現(xiàn)場電池板，其性能參數(shù)為：組件效率16%、最大功率260 W、最大功率點(diǎn)工作電壓和電流分別為30.3 V和8.6 A、單元尺寸和組件尺寸分別為（156×156）mm和（1 640×990×35）mm，正公差功率輸出保證0%～3%，開路電壓和短路電流分別為37.7 V和9 A［14］。

將機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)設(shè)置為：行走速度5 m/min，行走最遠(yuǎn)距離800 m，滾刷轉(zhuǎn)速220 r/min，最長工作時(shí)間4 h。

3.3 清洗效果分析

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人清洗效果，試驗(yàn)分別設(shè)置積灰時(shí)間分別為1、3 d和7 d，并對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)條件下清洗陣列與未清洗陣列的輸出功率，結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，經(jīng)過一天自然積灰，未清洗陣列的發(fā)電效率下降了6.10%，清洗陣列的發(fā)電效率降低了2.03%，相較于未清洗陣列，清洗陣列電功率增長提升了3.95%。由圖2（b）可知，經(jīng)過3 d自然積灰，未清洗陣列的發(fā)電效率下降了8.44%，清洗陣列的發(fā)電效率降低了4.45%，相較于未清洗陣列，清洗陣列電功率增長提升了3.98%。由圖2（c）可知，經(jīng)過7 d自然積灰，未清洗陣列的發(fā)電效率下降了11.40%，清洗陣列的發(fā)電效率降低了8.37%，相較于未清洗陣列，清洗陣列電功率增長提升了4.02%。由此說明，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有良好的清洗效果，可提高電站的發(fā)電效率。

3.4 清洗成本分析

為分析所設(shè)計(jì)的機(jī)器人清洗成本，試驗(yàn)以某12 MW光伏電站的1 100個(gè)光伏陣列積灰清洗成本進(jìn)行研究，并將其與傳統(tǒng)人工水洗方式的成本進(jìn)行對(duì)比。

若機(jī)器人參數(shù)不變，則該光伏電站需要220個(gè)機(jī)器人完成清洗工作。若一臺(tái)機(jī)器人價(jià)格為1萬元，則Vd=220萬元，ηm=5%，nd=500，ηd=10%，CM=220元，CS=3 960元，則機(jī)器人完成一個(gè)12 MW光伏電站的單次清洗成本Cc=4 180元。

傳統(tǒng)人工水洗方式通常是根據(jù)電站光伏組件總面積進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)清洗費(fèi)為0.5元/m2，單位容量（MW）光伏組件面積為6 200 m2，則傳統(tǒng)人工完成一個(gè)12 MW光伏電站的單次清洗成本CZ=37 200元。

采用最佳清洗周期模型計(jì)算機(jī)器人清洗和人工清洗的最佳清洗周期，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，模型計(jì)算得到的機(jī)器人最佳清洗周期比人工最佳清洗周期縮短了17.6 d，為16.5 d。

圖4為1年時(shí)間內(nèi)1個(gè)12 MW光伏電站采用不同清洗方式與清洗次數(shù)對(duì)應(yīng)的清洗成本。由圖4可知，清洗成本與清洗次數(shù)正向相關(guān)；相較于人工清洗，無論清洗次數(shù)為多少次，機(jī)器人清洗成本均低于人工清洗成本；當(dāng)每年清洗36次，即每10 d清洗1次時(shí)，機(jī)器人清洗的費(fèi)用為15.05萬元，而人工清洗的費(fèi)用為133.92萬元，費(fèi)用差達(dá)到118.87萬元。由此說明，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人清洗成本更低，可降低光伏電站的清洗成本，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)比單次機(jī)器人清洗成本與傳統(tǒng)人工清洗成本可知，采用機(jī)器人進(jìn)行清洗大幅降低了光伏電站的清洗成本，下降了約88.77%。由此說明，所設(shè)計(jì)的基于組件清洗模型的機(jī)器人具有一定的有效性，可節(jié)約清洗成本。

3.5 經(jīng)濟(jì)性分析

為分析所設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性，研究對(duì)比了通過最佳清洗周期模型計(jì)算的人工最佳清洗周期和機(jī)器人最佳清洗周期，以及月度人工清洗3種清洗方式，用于12 MW光伏電站清洗的年經(jīng)濟(jì)損失，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，相較于傳統(tǒng)人工月度清洗方式，采用最佳清洗周期模型計(jì)算的最佳清洗周期人工清洗與最佳清洗周期機(jī)器人清洗的年總經(jīng)濟(jì)損失更低；相較于最佳清洗周期人工清洗，最佳清洗周期機(jī)器人清洗的年總經(jīng)濟(jì)損更低，為112.83萬元，降低了70.74萬元，有效降低了電站的經(jīng)濟(jì)損失。由此說明，采用最佳清洗周期模型計(jì)算的最佳清洗周期進(jìn)行機(jī)器人清洗，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，可降低光伏電站的年經(jīng)濟(jì)損失，提高電站的收益。

4 結(jié)語

綜上所述，采用GD32F303為主控芯片所設(shè)計(jì)的基于組件清洗模型的機(jī)器人，通過以清洗維護(hù)費(fèi)和電量損失費(fèi)之和最低為目標(biāo)函數(shù)，確定機(jī)器人最佳自主清洗周期，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站分布式光伏組件的低成本清洗，具有良好的清洗效果和較低的清洗成本，對(duì)積灰1、3、7 d的光伏組件可分別提高其輸出功率3.95%、3.98%、4.02%。相較于傳統(tǒng)人工清洗方式和基于最佳清洗周期模型計(jì)算的人工最佳清洗周期清洗方式，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用基于最佳清洗周期模型計(jì)算的機(jī)器人最佳清洗周期清洗方式，最佳清洗周期分別縮短了17.6、13.5 d，為16.5 d，年經(jīng)濟(jì)損失分別降低了74.18、70.74萬元，為112.83萬元，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

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