大型光伏電站光伏組件自動清洗機的設計

王子文 李明濱 慕 松 王燕昌

(寧夏大學機械工程學院1,寧夏 銀川 750021；寧夏大學新能源研究中心2,寧夏 銀川 750021；寧夏大學物理電氣信息學院3，寧夏 銀川 750021)

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大型光伏電站光伏組件自動清洗機的設計

王子文1李明濱2慕 松12王燕昌3

(寧夏大學機械工程學院1,寧夏 銀川 750021；寧夏大學新能源研究中心2,寧夏 銀川 750021；寧夏大學物理電氣信息學院3，寧夏 銀川 750021)

針對光伏板發電量受其表面灰塵影響較大及大型光伏電站光伏板清洗難度大的現象，提出了新型光伏組件自動清洗機的設計構想。光伏組件均有一定的安裝角度，設計結合了真空吸附技術、履帶驅動技術，保證清洗機能夠在傾斜的表面上自由移動。考慮到我國西北地區大型光伏電站所處風沙較大、人力資源匱乏、干旱少雨等特殊環境，提出三步清洗法，保證清洗機高效地完成光伏組件的清洗任務。理論計算結果表明該設計是完全可以實現的，且在原理性驗證試驗中清洗效果較好，達到預定要求。

光伏組件 光伏發電 自動清洗機 單片機 三步清洗法 真空吸附

Three-step cleaning method Vacuum adsorption

0 引言

太陽能以其來源廣泛、清潔、無污染，作為21世紀受歡迎的新型能源，日益受到世界各國的關注[1]。光伏發電是太陽能利用的主要方向之一。在大型光伏電站運營過程中，發電量是電站運行的重要指標之一。除光伏陣列效率、逆變器轉換效率、并網效率等影響因素外，光伏組件表面積塵對發電量影響也較大。在對蚌埠2 MW非晶硅光伏電站的測試結果中發現，20天的表面積塵使光伏組件串的發電功率降低24%[2-3]。張風等人對TSM—DC01A.05進行研究，在輻照度和溫度分別為1 000 W/m2和25°情況下，當光伏組件灰塵濃度從0增加到5 g/m2時(增量為1)，組件輸出功率由192.3 W降至147.6 W，降幅為6.67%、11.96%、16.28%、20.07%和23.24%。由以上數據可以看出，光伏組件表面積塵嚴重影響其發電效率。另外灰塵堆積會引起熱斑效應，影響組件壽命，并造成安全隱患[4]。我國大型光伏電站主要集中于西部戈壁荒漠地區，干旱少水，交通較不方便，而且人工清洗光伏組件工作量較大，成本較高。因此研制一種新型大型光伏電站光伏組件自動清洗機是非常必要的，且擁有較大使用價值。

1 光伏組件自動清洗機概況

目前，常用的地面光伏陣列清洗方案主要有：管道清洗方案、無管道清洗方案和自清潔玻璃方案[5]。以上三種方案各有優缺點。管道清潔方案需在電站內部鋪設輸水管道，同時結合人力資源完成清掃，對水資源、地質施工條件有較高要求，且鋪設費用較高；無管道清洗方案通過借助灑水車，將清潔用水運至電站內部，通過壓力噴頭進行噴灑和清掃，本方案對水資源和光伏電站內部道路有一定要求；自清潔玻璃方案，通過在光伏組件表面涂有特殊材料生成涂層，利用水和涂層的超強親和力，水接觸到玻璃材料后，迅速在其表面鋪展成均勻水膜，在水膜重力作用下帶走灰塵[6]。前兩種方案對水資源、電廠內部施工條件或道路條件有較高要求，第三種方案則成本較高且對降水量有較高要求。由于我國西部地區屬于干旱少雨、風沙頻發的自然環境，因此以上三種方案均不適用于我國西部大型光伏電站。目前我國西部大型光伏電站一般采用人工清洗法，勞動強度大，工作效率低，無法滿足大型光伏電廠對光伏組件的清洗要求，且清洗成本較高。

市場上常見自動清洗機一般應用于地面衛生清掃和玻璃擦洗。地面衛生自動清掃機只能在水平地面上移動，并清掃地面上的灰塵和體積較小的垃圾；玻璃自動清洗機，可在豎直玻璃面上自由移動，并在移動過程中完成對玻璃的擦洗任務。當灰塵顆粒較大或灰塵較多時，玻璃自動清洗機清洗效果較差。在大型光伏電站中，光伏組件均有一定安裝角度，且光伏組件表面灰塵積累量較大，上述兩種常見自動清洗機均不適用。因此設計一種新型光伏組件自動清洗機是非常有必要的，且具有較大的實用價值。

2 工作原理

光伏組件自動清洗機以單片機為控制單元，控制各用電設備的工作情況；以超聲波測距模塊和陀螺儀感應模塊作為測量元件，時刻檢測清洗機位置信息，并將信息傳至單片機供其運算和判斷，然后控制運動組件運動。清洗機工作時，需通過一定方式貼附到光伏板表面，不會滑落。當清洗機機體穩定貼附到光伏板表面時，在電機的驅動下，實現機體的直行和轉向。為提高清洗效率，設計要求在清洗機移動的過程中完成光伏板面的清洗任務。針對我國西北大型光伏電站所處特殊地理環境特點，提出先掃灰、進一步清洗、清洗收尾的三步清洗法，保證清洗機快速高效地清洗光伏板表面，且不會造成二次污染。圖1為自動清洗機結構圖。

圖1 自動清洗機結構圖

3 光伏組件自動清洗機結構設計

作為一種新型光伏組件自動清洗機，本設備需能夠緊緊貼附到光伏板表面，且在驅動力的作用下在光伏板表面自由移動，并能夠時刻將機體位置信息和運動狀態傳遞給控制器，確保清洗任務的順利進行。本文主要說明吸附機構、驅動機構和三步清洗法的設計和計算，控制部分從略。

3.1 吸附機構的設計

我國西部大型光伏電站光伏組件一般采用固定式的安裝方式。為較大程度接收太陽光照，提高太陽能利用效率，光伏組件均有一定角度的傾斜角度[7]。若使清洗機能夠在傾斜斜面上自由移動，必須設置貼附裝置。現有貼附方式一般有以下五種：磁吸附、真空吸附、推力吸附、機械硬接觸吸附、粘著劑材料吸附。磁吸附方式只適用于磁性壁面，永磁式磁吸附方式與壁面離合時需要較大的力，電磁式磁吸附需要消耗電能且電磁體本身較重；真空吸附方式通過真空泵為密閉容腔提供負壓，利用壓差使裝置貼附到壁面，對接觸面有較高要求；推力吸附方式不需考慮泄漏問題，對壁面和材質適應性較強，但其控制較為復雜，體積較大，效率較低，目前不夠成熟；機械硬接觸方式需事先在壁面上鋪設軌道，以軌道作為約束和引導方式，但改造困難較大，成本較高；粘著劑材料吸附具有較好的越障功能，對壁面材質適應性較強，但只適用于微小型爬壁機器人[8]。綜合考慮光伏電站施工問題、光伏板材質問題，以及光伏板表面形狀特點，本設計采用真空吸附式結構。圖2為清洗機吸附至光伏板表面靜態受力分析簡圖。

圖2 清洗機靜止時受力分析簡圖

清洗機所受光伏板支持力為：

Fn=PAn+mgcosθ

(1)

式中：Fn為清洗機所受支撐力，N；P為微型真空泵提供真空度，MPa，取P=-0.08 MPa；A為密閉容腔截面面積，m2；n為密閉容腔個數；m為清洗機總質量，kg，取m=20 kg；θ為光伏組件安裝角，(°)，取θ=60°。

由平衡條件得：

mgsinθ≤f=μFn

(2)

式中:μ為機體材料與光伏板表面間摩擦系數，取μ=0.3。

聯立式(1)和式(2),得：

(3)

當密閉容腔截面面積A較大時，冗余度較小，一旦斷電或者出現真空泄漏情況，機體將喪失吸附能力從而滑落。通過增加真空容腔個數，適當減小密閉容腔截面面積A，可提高真空吸附冗余度。本設計中，取容腔半徑為10 mm。通過計算，求得n≈19，取n=20。

3.2 驅動結構的設計計算

常見的移動方式有以下五種：輪式、履帶式、腿足式、框架式、輪腿式。輪式結構簡單，具有高速高效的優點，但由于車輪接觸面較小，壁面適應性差，維持一定的摩擦力較困難；履帶式結構著地面積大，承載能力強，壁面適應性較強，且有一定越障能力，但結構復雜；腿足式結構壁面適應能力強，但其結構復雜，控制難度大，且移動速度較慢；框架式結構簡單，但體積較大且運動速度低；輪腿式結構簡單，壁面適應性強，控制容易，但其在高度方向有位移脈動[9]。考慮到光伏板表面玻璃較為平整光滑，且要求清洗機結構小巧，清洗完成后對板面損傷較小，本設計采用履帶式驅動機構。

自動清洗機在運動過程中將按照既定軌跡沿斜面運動。在向上運動過程中，驅動力不僅需克服機體重力沿光伏板斜面方向的分力，還需克服摩擦力，此時所需驅動力最大。圖3為清洗機沿斜面向上運動時受力分析簡圖。

圖3 清洗機向上運動時受力分析簡圖

由圖3得清洗機所需最大驅動力為：

F=μ(PAn+mgcosθ)+mgsinθ

(4)

由圖1分析整理得：

F=2mgsinθ=346.4 N

(5)

(6)

式中：a為履帶單元長度，mm；b為履帶單元寬度，mm；A1為履帶單元接地面積，mm2；n1為每側需履帶單元個數。

通過選型，最終選用a=20 mm、b=30 mm規格的橡膠履帶單元。將數據代入式(6)計算得n1≥4。即每側接地端的履帶單元各需4個，兩側共8個。對上述計算進行反求驗算。當q0=0.1 MPa時，橡膠履帶所受摩擦力為：

Ff=2q0abn1η

(7)

式中：η為橡膠與玻璃間摩擦系數，取0.8。

代入數據求得Ff=384 N>346.4 N，所以設計滿足要求。

根據以上履帶單元選型和計算結果，選用96 Txls型同步帶輪。在此情況下，由直流減速電機作為動力源，每側所需扭矩為：

(8)

式中：W為驅動履帶所需扭矩，N·m；Fq為履帶牽引力，N；r為同步帶輪半徑，m。

將數據代入式(6)求得W=4.2 N·m。即每側直流減速電機所能提供的扭矩至少為4.2 N·m。根據自動清洗機運動速度設計要求，選用FB-77524v12000型減速直流電機，輸出轉速為18 r/min(實際工作轉速可通過PWM直流調速器調整)，工作扭矩為5 N·m。

3.3 三步清洗法的設計

我國西部大型光伏電站所處環境較為惡劣，干旱少水，風沙較大，人力資源短缺。通過實地調查發現，電站內光伏板表面污垢絕大部分為沙塵，常見清洗方法無法滿足對光伏組件的清洗任務。針對上述情況，提出了機械集塵、靜態除塵、柔性清洗的三步清洗法。由于光伏板表面沙塵較大，必須先進行掃灰處理，使板面露出，才可進行下一步清洗。為避免被擊起的灰塵對光伏板造成二次污染，還需對擊起灰塵進行收集。螺旋輸送器，俗稱攪龍，利用螺旋葉片的旋轉運動，將物料向某一方向推移，在物料傳送過程中應用廣泛[11]。本設計選用螺旋式結構作為機械擊塵、集塵裝置。圖4為機械式螺旋集塵機構示意簡圖。

圖4 水平式螺旋輸送器示意圖

本設計中，利用螺旋掃刷將光伏組件表面灰塵擊起，并在螺旋面的作用下將灰塵聚集到某處，然后排至下步除塵裝置中。圖5為灰塵在螺旋面作用下的運動分析圖。由圖5看出，螺旋結構轉動時，灰塵在螺旋槽中既有軸向速度V1，又有圓周速度V2，其合速度為V，實現將灰塵擊起并聚集到某一處[12]。然后將聚集的灰塵排至水封除塵箱，利用灰塵和水的親和力，完成灰塵和空氣的分離，實現灰塵的收集。

圖5 灰塵在螺旋面作用下的運動分析圖

第一步螺旋集塵工序完成后，可除去大部分灰塵，但板面仍殘留少量灰塵。在此情況下，在螺旋掃灰機構后設置一靜態除塵模塊，用濕潤多孔柔性材料去除第一步殘留灰塵，使光伏板露出光潔表面。由于水和灰塵間有較強親和力，若靜態除塵工序完成之后，遺留板面水漬不進行及時處理，會對板面造成熱斑效應，并會引起二次污染，增加板面吸灰速度和下次清洗難度。因此在靜態除塵模塊后設置一柔性清洗模塊，用于除去上步殘留水漬。通過機械集塵、靜態除塵、柔性清洗三道清洗工序，即完成對光伏板表面的較為干凈的清掃。在驗證性試驗中，三步清洗法清洗效果較好，達到預期效果。

4 控制模塊簡介

圖6為控制程序流程圖。

圖6 控制程序流程圖

清洗機主要由行走單元、清掃單元和控制單元組成。行走單元主要包括機體、直流減速電機、同步帶輪、履帶微型真空泵以及密閉容腔；清掃單元包括直流減速電機、機械集塵模塊、靜態除塵模塊和柔性清洗模塊；控制單元包括超聲波測距模塊、陀螺儀感應模塊和單片機檢測控制模塊。清洗機工作時，將自動清洗機平行于光伏板表面放置，并施加一定壓力，啟動微型真空泵，為密閉容腔提供負壓，使機體吸附至光伏板表面。待機體牢固吸附至光伏板表面，單片機控制直流減速電機運動，帶動同步帶輪和履帶運動，實現機體直線和轉向運動，同時清掃單元工作。清洗機行進過程中，超聲波測距模塊和陀螺儀感應模塊時刻采集清洗機機體位置及姿態信息，傳至單片機檢測控制模塊，做出相應判斷并及時調整清洗機的運動情況。

5 結束語

計算結果表明，新型光伏電站光伏組件自動清洗機的設計是完全可行并且可以實現的。在原理性驗證試驗中，清洗效果較好，達到預期清洗效果。本設計能夠較好地適應我國西北地區大型光伏電站所處的特殊環境，具有節約水資源、清洗效果好、成本較低等優點。目前本設計團隊已經完成整機的概念設計，并正著手進行實物制作，完善概念設計中的不足。

[10]邵賢林，王平.螺旋輸送器的設計計算及其在制漿造紙工業的應用[J].中華紙業,2013(10):44.

[11]王繼偉，于文娟.螺旋輸送器的類型及輸送機理分析[J].糧油加工,2010(7):159.

Design of the Automatic Cleaning Machine for PV Modules in Large Scale Photovoltaic Power Station

The generation capacity of the photovoltaic (PV) panels is influenced by dust on the surface,and it is difficult to clean the PV panels of large scale PV power station,thus the design concept of new type of automatic cleaning machine for PV modules is proposed.Due to PV modules are installing in certain angle,the design combines vacuum adsorption technology and crawler drive technology,to ensure the cleaning machine moving freely on inclined surfaces.Considering the particular environment in which the large scale PV power stations located,e.g.,heavy wind and sand,lack of human resources,and drought,etc.,the three-step cleaning method is proposed for ensuring the cleaning machine completes the cleaning task in high efficiency.The results of theoretical calculation show that the design is fully implemented,and the cleaning effect is better in verification test of principium,and reaches the predetermined requirements.

Photovoltaic module Photovoltaic power generation Automatic cleaning machine Sigle chip machine

TH12;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601018