太陽能電池板自動清掃裝置的研制

曲君樂，呂斌，吳承璇，劉杰，雷卓

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

太陽能電池作為全球普及的綠色能源已經得到了廣泛的應用。目前電力、煤炭和石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力［1］。太陽能電池板是由若干個太陽能電池組件按一定方式組裝在一塊板上的組裝件，是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉換成電能的裝置。當太陽能電池板布滿灰塵時，其電能轉換率就會下降30%～40%，若長期不清潔，蓄電池就不能保持足夠的電量，以致于被頻繁充電，從而導致其壽命縮短，影響其發電效率［2］。因此，亟需找到一種高智能、高自動化與可靠性、性價比高的清掃太陽能電池板的技術方案，以提高“綠色能源”轉換效率，滿足低碳社會經濟發展的需要。

目前，任何一種提高太陽能轉換率的方法，都需要在太陽能電池板或儀器表面保持清潔的基礎上才能實現，否則就會影響到應用效果。尤其當太陽能電池板表面有水露、濕氣時，灰塵和沙土更容易附著在其表面。目前國內有多種太陽能電池板清掃方法，一種是應用于航天領域的高端太陽能電池板清掃裝置，采用電化學方法清理表面附著的灰塵［3］，該方法成本很高不利于推廣;另一種方法是清潔工人使用高空作業工具進行人工清掃，不僅危險系數大，而且維護成本高。

基于上述原因，本文設計出一種功能完善、性價比高的太陽能電池板自動清掃裝置，可以實現對電池板的智能清掃，滿足太陽能電池板維護領域的市場需要。

1 總體設計

太陽能電池板自動清掃裝置主要用于維護露天使用的太陽能電池板，其系統總體設計主要包括機械結構設計與電控系統設計兩部分。該自動清掃裝置包括步進電機、四連桿機構、清掃刷、濕度傳感器、蓄電池、控制電路板及用于與電池板固定的基座等組成，可以對電池板進行扇形往復清掃，清掃時間可以根據具體環境設定。該裝置主要由用于固定在電池板邊框的基座固定部分及電機驅動、清掃、傳感器、電路控制等部分構成，其總體結構框圖如圖1 所示。

圖1 太陽能電池板自動清掃裝置總體結構框圖Fig.1 Total structure diagram of automatic cleaning device of a solar panel

正常使用時，太陽能電池板吸收太陽光，轉換成電能對蓄電池充電蓄能，進而利用蓄電池為電路控制板提供工作電源［4］。維護人員可以通過時間調節旋鈕設定清掃刷的定期清掃時間及頻率，例如將清掃周期設置為1、2、3 d等，每次動作時間5、10、15、30 s 等。控制板根據設定的時間和頻率，定時驅動步進電機運轉，進而驅動連桿機構帶動清掃刷自動清掃太陽能電池板上的灰塵、污垢或者雨水、積雪。清掃時，步進電機旋轉1 周，驅動擺桿旋轉1 周，進而帶動刷架以刷座為支點，先逆時針旋轉90°，再順時針旋轉90°，完成一個往復清掃動作過程。此外，當控制板根據濕度傳感器采集到的濕度數據，判斷遇到雨雪天氣時，就會驅動步進電機立即清掃太陽能電池板的采光面板，以達到最佳清掃效果。

圖2 太陽能電池板自動清掃裝置機械結構示意圖Fig.2 Mechanical structure illustration of automatic cleaning device of a solar panel

2 機械結構設計

太陽能電池板自動清掃裝置整體機械結構如圖2所示，主要包括固定基座、平行四連桿機構、清掃刷架和電控系統等部分。

2.1 太陽能電池板固定基座盒

太陽能電池板固定基座用于將清掃裝置與太陽能電池板進行固定，同時將刷座、步進電機、濕度傳感器和電路控制單元密封安裝在基座盒內。基座盒是太陽能電池板清掃裝置的控制箱，內部安裝的刷座與清掃電池板的刷架連接，作為清掃刷架與平行四連桿執行機構的支點。為了提高系統工作的可靠性，將電路控制板、步進電機和一個電位器內置于基座盒中，電機的轉軸穿出基座盒的上殼體與擺桿連接。濕度傳感器可以直接安裝在基座盒的殼體上，也可以僅將其感應觸頭露出基座盒殼體。

2.2 平行四連桿機構

通過固定在電機輸出軸上的擺桿、連桿及刷頭固定座組成平行四連桿機構，可以使太陽能電池板清掃裝置運行更平穩、輸出力更大。平行四連桿機構中可以設置刷架、擺桿以及鉸接在刷架與擺桿之間的連桿，將所述擺桿的一端與步進電機電機的轉軸固定連接，另一端與連桿相鉸接，即可以通過銷軸與連桿的一端鉸鏈連接;將連桿的另一端通過銷軸與刷架相鉸接［5］，如圖3 所示，優選鉸接在刷架的中間部位(這里的中間部位是指除刷架兩端的其余部位，需要根據擺桿和連桿的長度具體確定)，圖3 中15 指連桿和刷架之間用銷軸連接。將刷架的一端與刷座轉動連接，并將刷座固定安裝在基座盒上。在刷架上安裝清掃刷，當刷架移動時，便可以帶動清掃刷在太陽能電池板上移動，完成灰塵、雨雪等附著物的清掃工作。

圖3 連桿與刷架之間的鉸接結構圖Fig.3 Hinge structure between the rod and the brush holder

2.3 清掃刷架

清掃刷架由氯丁橡膠板條和毛刷組成，通過步進電機驅動四連桿機構對太陽能電池板受光面進行表面清掃。清掃刷優選安裝在刷架朝向太陽能電池板的采光面板的側面上，即圖2 所示的刷架與擺桿接觸的太陽能電池板表面。將基座盒固定安裝在太陽能電池板一側的端部，如電池板矩形長邊的端部，則刷架在初始位置應沿太陽能電池板的相鄰一側方向延伸，即向太陽能電池板的矩形寬邊方向延伸，且刷架的長邊以及其上安裝的清掃刷的長度最好與太陽能電池板的采光面板的寬邊長度相當，即等于或者略小于采光面板的寬邊長度。這樣，在刷架帶動清掃刷以刷座為支點轉動時，可以獲得最大的清掃范圍。

3 電控系統設計

太陽能電池板自動清掃裝置電控系統主要包括電路控制板、步進電機、濕度傳感器及時間調節旋鈕等部分，其電路原理框圖如圖4 所示。

圖4 太陽能電池板自動清掃裝置電路原理框圖Fig.4 Circuit principle diagram of automatic cleaning device of a solar panel

電路控制板作為整個系統的控制核心，分別與濕度傳感器和電機對應連接，當控制板檢測到通過濕度傳感器反饋的濕度檢測信號所對應的環境濕度值超過預先寫入的設定值時，則認為外界環境的濕度過大，可能出現雨雪天氣，進而輸出控制信號啟動電機運轉，驅動連桿機構帶動清掃刷執行清掃工作，對積聚在太陽能電池板的采光面板上的雨水或者積雪及時進行清理。

在其他天氣環境下，為了對積聚在采光面板上的灰塵進行定期清掃，可在基座盒上安裝時間調節旋鈕，連接所述的控制板，以方便維護人員根據不同地區的環境狀況，通過操作時間調節旋鈕改變定時清掃時間的設定值，并限定每次動作次數(為降低功耗，清掃刷每間隔3 min 動作1 次)。

電控系統設計方案中，時間調節旋鈕與1 電位器的旋鈕相連接，將電位器的供電端子連接直流電源，通過旋轉時間調節旋鈕來改變電位器的阻值，并通過控制板來檢測電位器的阻值變化，進而換算生成定時清掃時間的設定值保存下來，以便日后根據該設定值自動控制清掃刷對太陽能電池板進行定期清掃工作。

當然，也可以直接將定時清掃時間的設定值固化在系統的軟件程序中，控制板在運行過程中可以直接調用該設定值來確定清掃的周期和頻率，進而控制清掃刷進行定期的清掃工作。

對于清掃裝置中各用電負載所需的工作電源，可以直接由與太陽能電池板相連接的蓄電池轉換提供。在太陽能電池板工作期間，轉換生成的電能輸出至蓄電池，為蓄電池充電蓄能。經由蓄電池輸出的直流電源可以通過電壓轉換電路穩壓生成控制板、濕度傳感器、步進電機以及電位器所需要的工作電源，通過電源線為這些用電負載供電。

3.1 步進電機驅動電路設計

控制板處理器選用Microchip 公司的8 位單片機PIC18F2520，步進電機驅動器選用深圳鼎拓機電公司的M415B。M415B 性價比較高，可接24～40 V 直流電源，驅動電流可達1.5 A，細分精度64 細分可選，動態可改細分，20 kHz 斬波頻率，最高頻率為100 kHz［6］。如圖5 所示，PIC18F2520 的RC0、RC1、RC2 口分別與三極管構成開關電路，通過電機驅動器內置的光耦隔離電路，為驅動器提供脈沖、方向與使能信號。

當PIC18F2520 檢測的濕度值達到或超過上限閾值時，RC2 輸出低電平，使能M415B，驅動步進電機，使清掃刷開始工作。RC1 可按設定的時間周期間歇輸出方波信號，使步進電機交替正轉和反轉，帶動清掃刷呈扇形擺動，持續清掃太陽能電池板的表面。而RC0 可輸出脈沖信號，該信號上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機旋轉一固定角度，可精確控制清掃刷擺動的總角度。

圖5 步進電機驅動電路原理圖Fig.5 Circuit principle diagram of a stepper motor driver

3.2 濕度傳感器檢測電路設計

濕度傳感器選用瑞士Sensirion 公司的SHT15，該傳感器還集成溫度傳感器，可輸出完全標定好的數字信號，與單片機通過I2C 接口串行通訊。SHT15 功耗很低，且SMD 表貼封裝，其濕度精度±2.0%RH，溫度精度±0.3℃［7］，其測得的濕度信號需進行溫度補償。

如圖6 所示，PIC18F2520 的RC3 口提供串行時鐘信號給SHT15，RC4 口可與SHT15 進行雙向通訊。設計SHT15 應用電路時，應做好散熱設計，保持清掃裝置的良好通風。

圖6 濕度傳感器檢測電路原理圖Fig.6 Principle diagram of the detecting circuit of the humidity sensor

4 試驗結果

為驗證設計的太陽能電池板清掃裝置在特殊天氣條件下自動響應的工作性能，在恒溫19.6℃的實驗室中，使用加濕器對空氣進行加濕，并設定濕度上限閾值為65.0%RH。使用信號發生器檢測RC0 口輸出的脈沖數，以驗證步進電機正反轉的精確度及響應時間;使用示波器檢測步進電機A、B 相驅動電壓的上升時間，以驗證電機響應起轉的時間。將太陽能電池板清掃裝置安裝于光伏太陽能照明燈桿頂部，太陽能電池板對路燈監控終端進行供電。通過遠程GPRS 路燈監控系統，可將太陽能電池板清掃裝置的功耗、太陽能電池板正常供電時間等數據上傳給遠程管理中心。試驗數據如表1 所示。

表1 太陽能電池板清掃裝置性能試驗結果Table 1 Performance experimental results of automatic cleaning device of a solar panel

續表1

由表1 可以看出，在加濕器持續加濕下，濕度由22.3%RH 逐漸上升，當達到閾值65.0%RH 時，電機開始轉動，正反轉步數在260～261，基本沒有丟步現象;電機正反轉響應時間在137～152 ms，說明清掃裝置響應迅速。電機開啟后，功耗由490 mW 左右最高上升到654 mW，表明裝置總體功耗較低。此外，在實驗室測定，不使用清掃裝置，太陽能電池板平均供電時間為172.18 h;而在戶外不使用清掃裝置，太陽能電池板應用一周后，平均供電時間為156.67 h。

5 結論

通過試驗證明，本太陽能電池板清掃裝置工作穩定可靠。該裝置已應用于市政道路照明、海上浮標等領域。實際應用證明，該裝置可有效地維護太陽能電池板的工作效率，使太陽能電池板的正常供電時間長期保持在170 h 以上。

［1］高凌云.太陽能電池板除塵新技術［J］.現代物理知識，2010(5):52.

［2］李迅.太陽能光伏路燈應用技術初探［J］.城市建設理論研究，2012(3):20 -21.

［3］ALAN CHERN.太陽能電池板效率計(Efficiency Meter)［J］.電子與電腦，2011(5):46 -48.

［4］侯佳松，王侃宏，石鈺楊，等.邯鄲地區溫度和灰塵對獨立太陽能光伏發電系統的影響［J］.節能，2011(10):49 -52.

［5］成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，1997.

［6］深圳市鼎拓機電有限公司.M415B 驅動器說明書［EB/OL］.［2012 -11 -02］.http://www.dt -me.com/UploadFiles/M415B%E7%BB%86%E5%88%86%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E9%A9%B1%E5%8A%A8%E5%99%A8.pdf.

［7］The sensor company.技術手冊SHT1x (SHT10，SHT11，SHT15)［EB/OL］.［2011 -11 -02］.http://www.sensirion.com.cn/product/downimg/C-Datasheet_SHT1xV5.pdf.