智能型光伏組件除塵裝置設計與控制研究

淮安信息職業技術學院 ■ 劉曉艷 張樓英 張守峰

0 引言

由于氣候、環境等因素的影響，長期工作在室外的光伏組件表面容易積灰，灰塵是影響光伏發電系統效率的一個重要因素。灰塵沉積會對光伏組件產生遮擋、腐蝕及熱斑效應等一系列負面影響，減少系統總輻射量，降低光電轉換效率，導致光伏組件的發電量減少，降低光伏發電系統的利用率[1]。據資料顯示，在我國大規模安裝光伏電站的地區，灰塵對組件的影響超過25%。在實際測量中，個別缺乏維護方式的電站，發電量損失高達40%。

及時清理光伏組件表面灰塵可有效提高系統發電量。中小型光伏電站一般采用人工擦拭、水槍清洗、噴淋系統等除塵方式，這些方式的清潔過程往往需要水，且需水量大、自動化程度低。對于裝機容量10 MWp以上的大中型光伏電站，光伏組件單板尺寸較大、支墩較高，人工清潔難度較大，目前多采用以大型重載車輛為底盤+輥刷的方式，車輛運行時輥刷隨之一起運動，擦拭組件表面的灰塵。這種方式清洗速度快，清洗效果好，但清洗時所需的大型重載車輛租用成本較高，僅適用于組件前后間距較大、地勢較平坦的電站；且隨著車輛的非直線運動，組件表面承受壓力大小不均，需要專業的技術人員操作。也有采用依附于組件陣列的軌道式除塵方式，但組件陣列之間有落差，取電、供水、安裝軌道等所需成本較高。

本文針對現有除塵方式的特點，從光伏組件表面灰塵吸附特性出發，依據輕便、高效原則，設計了一種智能型除塵裝置。該裝置能夠在不改變組件結構及安裝方式的前提下，依附在組件表面行走，運行過程中執行除塵任務。裝置的運動狀態、運行位置通過可編程控制器(PLC)實現智能控制。

1 灰塵吸附特性分析

在空氣流動作用下，空氣中存在大量的塵埃顆粒物不斷遷徙和擴散，一段時間后吸附在光伏組件表面，這是灰塵沉積的主要原因。

固體表面吸附有物理吸附和化學吸附兩種機制。物理吸附稱為無選擇性吸附，是指大氣中懸浮的粒子靠近物體表面時被物體表面本身所產生的不平衡分子所吸引。化學吸附稱為有選擇性吸附，是指物體表面吸附具有特定化學性質的粒子的現象[2]。

物體與灰塵顆粒間的吸附力主要表現為范德華力(Valderwaals)、靜電力、化學鍵力及毛細作用力等[3]。灰塵顆粒吸附在組件表面時可能受其中的一個力或幾個力相互作用，力的大小取決于粒子與物體表面所接觸面積的大小。

除了灰塵顆粒與組件表面的吸附力作用外，還需考慮顆粒的重力及顆粒之間存在的相互作用力。現假設灰塵顆粒為均勻分布的球形灰塵粒子，分析其在傾斜角度θ放置的光伏組件表面的受力模型。此球形顆粒受范德華力Fvd、支持力Fz和重力G的作用，達到平衡狀態，如圖1所示。

圖1 灰塵顆粒在光伏組件表面受力分析

灰塵顆粒受力平衡方程為：

其中：

式中，R為灰塵顆粒半徑；h?為Lifshitz常數；z0為顆粒與光伏組件表面平均間距。根據式(2)即可求得外加作用力，以去除沉積在組件表面的灰塵。

2 清潔裝置硬件設計

2.1 系統總體方案

除塵裝置硬件結構由驅動部分、控制部分及清潔部分組成，組成框圖如圖2所示。其中，驅動部分需要設計除塵裝置的行走機構，使其能依附在組件表面，并選擇合適的電動執行元件，來驅動裝置本體在組件表面運動；電動執行元件的啟/停控制、正反向運行及停止位置等運行狀態由控制部分完成，利用PLC實現對執行元件的自動控制；除塵方式的選擇采用干擦和噴淋相結合，以有效清除光伏組件表面的灰塵與固體沉積物。

圖2 除塵裝置硬件結構框圖

2.2 除塵方式選擇

由于光伏組件表面既有浮灰，也會有鳥糞等固體沉積物，通過常規的毛刷擦拭僅可去除組件表面的浮灰，減少灰塵的遮擋，但是毛刷擦拭難以清除固體沉積物，仍不能解決熱斑效應的影響。因此，需采用噴淋系統向組件表面噴水，再配合毛刷擦拭，才可去除固體沉積物[4]。

2.3 硬件結構設計

根據設計方案，裝置能依附在組件表面自動行走，行走過程中在擦除組件表面灰塵的同時進行噴水，以達到清潔光伏組件表面的目的[5,6]。硬件結構示意圖如圖3所示。

除塵裝置主體結構采用輕質鋁合金支架，可降低自身重量，減小對光伏組件的壓力。裝置上下頂端安裝固定軸承以固定除塵裝置，除塵裝置的硬件結構設計包括行走機構設計、傳動機構設計、清潔系統設計、邊界檢測系統設計等。

圖3 智能除塵裝置結構示意圖

2.3.1 行走機構設計

根據光伏組件自身的結構和安裝的特殊性，設計除塵裝置的寬度與光伏陣列的寬度相等，通過采用上下雙排滾輪，將除塵裝置卡在光伏組件上，實現在不改變組件的結構及安裝方式的前提下，裝置能依附在組件表面。在電動執行元件的驅動下，推動除塵裝置在光伏組件邊沿的滾動，實現除塵裝置在組件表面的行走。

2.3.2 傳動機構設計

光伏組件自動除塵裝置的傳動機構由同步輪、軸承輪、軸及電機4個部分組裝而成。選用外徑大小相同的同步輪和軸承輪，電機的轉動通過1:2的同步輪以帶傳動的方式使除塵裝置在光伏組件表面行走。

2.3.3 清潔系統設計

由于除塵方式采用干擦與噴淋相結合，在除塵裝置運動方向的兩側分別安裝除塵毛刷，用于擦拭組件表面的灰塵；裝置上方的橫桿起固定支撐作用，橫桿上是直流水泵，水泵抽水通過噴頭噴灑到光伏組件表面。

2.3.4 邊界檢測系統設計

除塵裝置執行完除塵任務后需離開光伏組件表面，不能對組件造成遮擋或陰影。因此在實際安裝時，每排光伏陣列的一側都安裝了支架，用于除塵裝置未執行任務時的停放。要實現除塵裝置準確、平穩的停到支架區域內，不超越運行極限位，需在支架上安裝行程開關。

執行除塵任務時，除塵裝置需在光伏組件上往復運行，為防治裝置跌落，采用對射型光電開關實現邊界檢測。發射器和接收器相對安裝在除塵裝置的邊界處，除塵裝置運行到邊界處時，遮擋住發射器和接收器間的光線傳播，光電開關輸出信號反向，將信息傳輸給控制器，控制裝置反向運行，實現對光伏組件的邊界檢測。

3 PLC控制系統設計

除塵裝置的啟/停控制、往復運動的狀態控制均由PLC完成，結合按鈕、繼電器等低壓元器件構成除塵裝置的PLC控制系統。

3.1 I/O地址分配

為了確保光伏組件自動除塵裝置的準確安全運行，光伏組件自動除塵裝置兩端有2個限位開關和 1個對射式光電開關。除此之外，還要有啟動按鈕、停止按鈕、手動/自動轉換開關和指示燈等。控制系統I/O分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 順序功能圖

根據光伏電站的除塵需求，PLC控制系統需控制除塵裝置的啟/停狀態、實時檢測邊界狀態及控制裝置的正/反轉切換，如圖4所示。

圖4 順序功能圖

4 除塵裝置清潔試驗

為驗證該裝置對光伏組件發電量的影響，采集1 kWp光伏陣列除塵前/后的輸出電流，得到該光伏陣列的清潔效果對比曲線，如圖5所示。

由圖5可知，光伏組件表面灰塵及鳥糞等固體沉積物的存在，降低了組件發電量。采用除塵裝置對組件表面進行清潔后，組件發電量迅速恢復到理想狀態；以累計5天未清潔的情況計算，清潔后，發電量平均提升約4%。灰塵沉積導致發電效率的降低，會對大中型光伏電站造成損失，因此，需加強對光伏組件的定期維護與清洗。

5 總結

圖5 1 kWp光伏陣列輸出電流的清潔效果對比曲線

通過對光伏組件清洗前后的發電量對比后發現，該智能型除塵裝置對累積5天未清潔的光伏組件表面進行清潔后，發電量提高4%以上有效提高發電收益；除塵裝置本體無須借助附加裝置，可依附在組件的豎直方向的上下邊沿，通過執行電機驅動，在組件表面沿水平方向往復運行；除塵裝置的運動過程由PLC控制，可自動識別邊界，智能切換運行方向和除塵方式，自動化程度高；裝置采用的噴淋系統耗水量小。

[1]巫江,龔恒翔,朱新才,等.光伏組件自動除塵裝置設計與研究[J].重慶理工大學學報(自然科學),2014,11(3):92－97.

[2]李明.固體微顆粒粘附與清除的機理及表面保潔技術的研究[D].長沙:中南大學,2010．

[3]Bowling R A.An analysis of particle adhesion on semiconductor surfaces[J].Journal of the Electrochemical Society,1985,132(9):2208－2214.

[4]張海洪．壁面自動清洗機器人清洗工藝分析[J].機電一體化,2001,2(1):10－14.

[5]劉曉艷,龔希賓,鄭榮,等.光伏組件智能除塵裝置設計與研究[J].太陽能,2016,(02):29－31.

[6]王鳳皋.基于新型太陽能光伏組件清潔系統的思考[J].硅谷,2012,12(2):180－181.