光伏電站除塵清潔系統

揚州職業大學電子工程學院 劉冬梅 方小坤

光伏電站除塵清潔系統

揚州職業大學電子工程學院 劉冬梅 方小坤

光伏電站清潔系統是以灰塵傳感器為主要傳感器檢測器件，以步進電機作為系統機械動力機來源，實現系統對光伏組件灰塵自主檢測和智能清潔。應用超聲波檢測技術實現對光伏組件的邊緣檢測，為單片機建立光伏組件二維坐標系，實現系統防跌落功能。

灰塵傳感器；超聲波檢測；步進電機

引言

近年來，光伏組件的生產成本的大幅下降以及國家產業政策支持使得光伏發電迅速變成最具潛力的新能源產業。太陽能組件的發電效率受環境溫度、光強、電池片與電池片互聯方式以及灰塵的影響。其中，灰塵對電池組件的影響較大。當灰塵不均勻覆蓋光伏組件表面時，光伏組件的輸出U-P特性曲線呈現為多峰值特性曲線，將大大影響最大功率點位置。因此，定期對太陽能電池組件清潔維護，是一種快速提高光伏電站發電效率的有效途徑。

1 光伏電站除塵清潔系統設計方案

光伏電站除塵清潔系統是以單片機為系統控制核心，以灰塵傳感器為主要傳感器檢測器件，以步進電機作為系統機械動力機來源，實現系統對光伏組件灰塵自主檢測和智能清潔。同時，應用超聲波檢測技術實現對光伏組件的邊緣檢測，為單片機建立光伏組件二維坐標系，實現系統防跌落功能。為實現人機友好交互，加入了數碼管動態顯示電路。

硬件系統以AT89S52單片機最小系統作為控制中心，結合灰塵檢測模塊、超聲波邊緣檢測、數碼管動態顯示、電機驅動以及按鍵七個部分組成。硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

如圖1單片機P0口為數碼管動態顯示段碼輸出口；P1口為步進電機控制脈沖輸出口；P2^0、P2^1為A/D轉換PCF8591通信口；P2^2為GP2Y1010的控制口；P2^3～P2^5為數碼管位選碼輸出口與74LS138譯碼器相連；P2^6、P2^7分別為超聲波測距模塊HC-SR04的控制口可接收口；獨立按鍵與單片機外中斷口P3^2和P3^3相接。P3^6為電機選擇輸出端。

2 光伏電站除塵清潔系統關鍵電路設計

2.1 灰塵檢測電路設計

灰塵是處于分割狀態的微小固體顆粒。灰塵濃度的測量可以采用消光法測定。光束穿過一含有顆粒的介質時，由于受到顆粒的散射和吸收，使得穿過介質后的透射光強度衰減，其衰減量與顆粒濃度相關。使用紅外發射管發射一定強度的紅外光，用紅外光電接收管測得透射光強度。由此，將灰塵濃度轉換為光信號，由光信號轉化為模擬電信號。單片機系統不能直接識別模擬信號，與采用集成組合邏輯電路A/D轉換器將模擬信號轉化為數字信號，供單片機計算處理。

本設計灰塵檢測功能采用的GP2Y1010AUF傳感器與A/D轉換器PCF8591兩部分電路相結合方式。灰塵檢測硬件電路如圖3所示。

圖2 灰塵檢測硬件電路圖

圖3 電機驅動硬件電路圖

2.2 超聲波邊緣電路設計

高頻率、波長短的超聲波衍射能力很差，因此在空氣中能夠定向直線傳播方向性好，能量易集中。在不同的介質中能傳播足夠遠的距離。聲音在空氣中傳播速度可測，約為340m/s。

HC-SR04為壓電式超聲測距模塊。壓電式超聲測距利用壓電晶體的諧振工作。從發射超聲波開始啟動定時器，當接收到障礙物反射波關閉定時器。當單片機P2^6口給超聲波測距模塊的控制引腳Trig發送一個10us以上的高電平，模塊內部電路循環發送8個40KHz的脈沖，Echo口輸出高電平。當單片機檢測到P2^7引腳有高電平輸入，開啟定時/計數中斷。當此口變為低電平時就可以讀定時器的值t。根據公式s=340t/2，可測得系統到光伏板的距離。當超過設定值，單片機便發送檢測到邊緣的信號改變電機的運動狀態，實現防跌落功能。

2.3 步進電機驅動電路設計

電機驅動硬件電路圖3中，ULN2803集成芯片U1和U2的11～14引腳對應連接直行電機和轉向電機的藍、粉、黃、橙四根引線，他們對應輸入端引腳5～8引腳同時公用連接AT89S52單片機P1^4～P1^7四個I/O口。三極管Q1和Q2作為電機選擇控制開關，集電極與+5電源相連，發射極連電機公共端COM，Q1的基極直接與單片機P3^6口相連，Q2的基極連反相器輸出后接單片機P3^6口。當P3^6口為高電平時轉向電機與電源接通轉動，當P3^6口為低電平時直行電機與電源接通轉動。電阻R1和R2為限流電阻。清潔電機藍、粉、黃、橙引線與U1的15～18四引腳相連，15～18引腳對應的輸入腳與單片機P1^0～P1^3四個I/O口連接。

3 結論

整個系統能夠實現光伏組件上灰塵檢測；能夠自主運行；系統要能自我保護，達到防跌落的功能。實驗數據表明定期對光伏組件除塵可以提高電站5%的發電量，提高組件工作壽命。

[1]鮑官軍,張林威,等.光伏面板積灰及除塵清潔技術研究綜述[J].電機工程,2013,30(8):909-912.

[2]王小雷,王衛星,等.光伏陣列特性仿真及其在光伏并網逆變器測試系統中的應用[J].電力系統保護與控制,2011,39(10):70-73.

[3]邱純,蔡濤,等.任意輻射強度與溫度下硅光伏電池模型參數的計算方法[J].太陽能學報,2013,34(9):1626-1631.

[4]孫航,杜海江,等.適用不同尺度光伏陣列的數值建模方法[J].電力系統自動化,2014,38(16):35-39.

劉冬梅（1978—），女，江蘇揚州人，東南大學碩士畢業，講師，研究方向：電子信息技術。