淺析光伏電站清潔機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

董伯先

(中民新科(北京)能源技術(shù)研究院有限公司，北京 100089)

0 引言

研究發(fā)現(xiàn)，地表顆粒及人類活動帶來的積灰是影響光伏電站發(fā)電量的重要因素[1-5]。采用清潔機(jī)器人對濰坊市某分布式光伏電站的組件進(jìn)行清潔，對比清潔前后的效果可以發(fā)現(xiàn)：大氣環(huán)境良好時，該電站的日發(fā)電量可提升近20%；大氣污染嚴(yán)重時，電站日發(fā)電量提升近40%。由此可見，組件的清潔度對發(fā)電量的影響至關(guān)重要。

我國自2012年開始對組件清潔技術(shù)展開研究，將國外先進(jìn)技術(shù)與國內(nèi)光伏電站相結(jié)合，研發(fā)出了多種機(jī)械式清潔技術(shù)。目前，機(jī)械式清潔(也稱為“清潔機(jī)器人”)主要包括單排清潔、跨排清潔和便攜式清潔3種技術(shù)路線，而跨排清潔和便攜式清潔均由單排清潔技術(shù)演變而來。

本文對上述3種清潔機(jī)器人技術(shù)路線進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述，并對其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 清潔機(jī)器人的3種技術(shù)路線

1.1 單排清潔技術(shù)

單排清潔技術(shù)是指清潔機(jī)器人僅能完成一排光伏組件的清潔，不能越排。國內(nèi)對該技術(shù)的研究最為深入，成果也較多，其中，高校和科研院所的研究主要集中在清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)等方面。巫江等[6]研究了一種采用新型凸輪式清掃機(jī)構(gòu)的自動除塵裝置，朱趙慧娟[7]提出了一種絞纜式自動養(yǎng)護(hù)機(jī)器人；馬磊等[8]研究了清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并提出了電源、角度、位置等模塊的控制原理；孫衛(wèi)紅等[9]、李園等[10]研究了清潔機(jī)器人的控制原理、組成及邏輯算法；王龍等[11]研究了清潔機(jī)器人的零部件的輕量化設(shè)計。

目前，采用單排清潔技術(shù)并已得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品主要分為3個方向，分別以南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司(以下簡稱“南京天創(chuàng)”)、以色列的Ecoppia Scientific Ltd.(以下簡稱“Ecoppia公司”)、南京索能多思智能科技有限公司(以下簡稱“南京索能多思”)等公司的產(chǎn)品為代表。

1)以南京天創(chuàng)的產(chǎn)品為代表的清潔機(jī)器人目前應(yīng)用最為廣泛。生產(chǎn)該類產(chǎn)品的代表公司還有上海安軒自動化科技有限公司(以下簡稱“上海安軒”)、山東豪沃電氣有限公司(以下簡稱“山東豪沃”)、北京中電博順智能設(shè)備技術(shù)有限公司(以下簡稱“中電博順”)等。該類產(chǎn)品由行走系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、電池和控制系統(tǒng)組成。其中，行走系統(tǒng)的4個行走輪對稱布置在產(chǎn)品的上、下位置，用于完成前進(jìn)和后退，4個行走輪可共用1臺電機(jī)或每2個行走輪共用1臺電機(jī)，中電博順已實現(xiàn)“單輪單控”；導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品的限位和導(dǎo)向，防止因速度過快而使產(chǎn)品超出組件邊框。

該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時，清潔機(jī)器人的行走輪沿組件邊框行走，用于清潔的毛刷高速轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動方向與行走輪的行進(jìn)方向相反；毛刷在轉(zhuǎn)動過程中，先將積灰從組件表面撣起，然后在毛刷的沖擊和旋轉(zhuǎn)氣流的共同作用下將積灰驅(qū)趕至組件縫隙處脫落。

該類產(chǎn)品的優(yōu)點在于可實時感知自身所在位置及電機(jī)、電池等核心部件的工作狀態(tài)，人機(jī)交互功能良好，也可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。但其最大的缺點在于行走系統(tǒng)對光伏組件安裝精度要求苛刻，一旦組件出現(xiàn)高低落差、傾斜安裝的情況，清潔機(jī)器人的行走輪很容易因行走不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致“自鎖”。各廠家都在探索解決該問題的方式，但目前仍未完美解決。比如，上海安軒研發(fā)了履帶式清潔機(jī)器人，但履帶的壽命及上、下履帶的協(xié)調(diào)性并不理想；南京天創(chuàng)試圖在安裝清潔機(jī)器人之前先對組件進(jìn)行調(diào)整，但因前期工程費用太高而無法進(jìn)行推廣；中電博順的“單輪單控”技術(shù)提高了清潔機(jī)器人的越障能力，基本解決了“自鎖”問題，但性價比不高。

圖1 單排清潔機(jī)器人Fig.1 Single-row cleaning robot

2)以Ecoppia公司生產(chǎn)的Ecoppia清潔機(jī)器人[12]為代表。該清潔機(jī)器人是由橫向行走輪、主體框架、縱向清潔裝置、拖曳電機(jī)、電池和控制系統(tǒng)組成，典型特點是行走方向與清潔方向為正交，清潔機(jī)器人在行走方向上斷續(xù)進(jìn)行。

該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時，清潔機(jī)器人的橫向行走輪沿專用導(dǎo)軌行走至未清潔的組件時停車；然后縱向清潔裝置啟動，通過超細(xì)纖維毛刷旋轉(zhuǎn)并輔以氣流吹掃，自上而下對積灰進(jìn)行清潔；清潔完畢后，清潔機(jī)器人行走至其他未清潔的組件。

該產(chǎn)品在沙塵較大的中東沙漠地區(qū)應(yīng)用廣泛，但由于其需要在橫向行走路徑上全程鋪設(shè)導(dǎo)軌，價格昂貴，因此性價比不高。

圖2 Ecoppia清潔機(jī)器人Fig.2 Ecoppia cleaning robot

3)以南京索能多思的產(chǎn)品為代表。該類產(chǎn)品設(shè)計方案獨特，由驅(qū)動與傳感系統(tǒng)、輸導(dǎo)裝置、臨時停車臺、清潔裝置組成。該產(chǎn)品的典型特色有2點：一是清潔裝置無需自主轉(zhuǎn)動，僅依靠輸導(dǎo)裝置的鋼絲繩拖動前行；二是整套設(shè)備僅使用1臺驅(qū)動電機(jī)，且驅(qū)動電機(jī)的電源取自其所在光伏陣列，并固定在陣列的某一端。

該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時，驅(qū)動電機(jī)帶動鋼絲繩拖曳著清潔裝置的毛刷和刮塵橡膠板將積灰向前推行，至組件間的縫隙時推落；當(dāng)傳感計數(shù)器達(dá)到閾值時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動進(jìn)入散熱狀態(tài)，此時設(shè)備正好到達(dá)停車臺；散熱結(jié)束后，驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)，設(shè)備進(jìn)入“返回清潔”模式。由于單次清潔效果不明顯，在一個清潔周期內(nèi)通常需要多次清潔。

圖3 南京索能多思生產(chǎn)的清潔機(jī)器人Fig.3 Cleaning robot produced by Nanjing Solenergy

該產(chǎn)品在多數(shù)應(yīng)用場景下具有較大優(yōu)勢，尤其是在大幅面光伏電站，如建于農(nóng)業(yè)大棚上的光伏電站。目前，南京索能多思正在開展智能化、遠(yuǎn)程監(jiān)控、閉環(huán)診斷等方面的研究，力圖解決產(chǎn)品在行走打滑、由于預(yù)緊力丟失造成的行走不協(xié)調(diào)甚至鋼絲繩斷裂等方面的技術(shù)難題。

1.2 跨排清潔技術(shù)

已進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用的跨排清潔技術(shù)主要有車載清潔式和擺渡車式2種。

1)車載清潔式機(jī)器人多采用有水清潔，清潔裝置安裝在工程車上，由工程車實現(xiàn)前后的跨排清潔。該類產(chǎn)品的代表廠家為青島昱臣智能機(jī)器人有限公司、重慶太初新能源有限公司等[13-14]。由于該類產(chǎn)品的體型笨重，因液壓系統(tǒng)無法自適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌，清潔裝置易對組件造成損壞，因此主要適用于我國西北部地勢相對平坦的光伏電站，但這類地區(qū)水資源相對匱乏，因此使用該類產(chǎn)品有一定的局限性。

圖4 應(yīng)用于西部地區(qū)的車載清潔式機(jī)器人Fig.4 Vehicle cleaning robot used in western China

2) 擺渡車式清潔機(jī)器人主要由清潔機(jī)器人、擺渡車及軌道等附屬設(shè)施組成。目前該類產(chǎn)品僅在少數(shù)分布式光伏電站應(yīng)用，而在地面光伏電站的應(yīng)用仍處于樣機(jī)試驗階段，這是因為采用該技術(shù)的現(xiàn)場施工量大、施工周期長，對軌道載體的平整度要求高，復(fù)雜的環(huán)境和地形地貌會導(dǎo)致成本陡增，且設(shè)備易發(fā)生傾覆。該類產(chǎn)品受限于性價比、環(huán)境適應(yīng)性及穩(wěn)定性等問題，發(fā)展前景不樂觀。

圖5 跨排清潔機(jī)器人樣機(jī)Fig.5 Shuttle car type cleaning robot prototype

3)除上述2種已規(guī)模化應(yīng)用的跨排清潔技術(shù)外，還有一種新研發(fā)但尚未量產(chǎn)的專門針對平單軸跟蹤系統(tǒng)研發(fā)的跨排清潔技術(shù)。這一技術(shù)的典型特點是軌道安裝在平單軸跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動軸上，完全擺脫了軌道對地面的依賴[15]。清潔時，首先由清潔機(jī)器人與平單軸跟蹤系統(tǒng)交互確認(rèn)，當(dāng)平單軸跟蹤系統(tǒng)與軌道角度一致時，清潔機(jī)器人從軌道行進(jìn)至組件上進(jìn)行清潔。該技術(shù)可適應(yīng)前后排組件6個自由度方向上的大范圍偏差，對項目現(xiàn)場的施工質(zhì)量包絡(luò)性強(qiáng)，可匹配所有型號的清潔機(jī)器人，具備適用性廣、制作成本低等特點。目前該技術(shù)也已展開相關(guān)樣機(jī)的試驗工作。

圖6 應(yīng)用于平單軸跟蹤系統(tǒng)的跨排軌道模擬圖Fig.6 Cross-row track simulation applied to single-axis tracking system

1.3 便攜式清潔技術(shù)

分布式光伏電站存在障礙物多、排布不規(guī)則的問題，單排和跨排清潔機(jī)器人都無法完全清潔整個電站，但便攜式清潔機(jī)器人可解決這一難點。采用便捷式清潔技術(shù)的廠家有日本的Sinfonia Technology Co., Ltd.(以下簡稱“Sinfonia”)、深圳創(chuàng)動科技有限公司(以下簡稱“深圳創(chuàng)動”)、深圳晟鑫科技有限公司等。該類產(chǎn)品具有對障礙物適應(yīng)性強(qiáng)且隨到隨洗的特點，日益得到電站業(yè)主的青睞。

便攜式清潔機(jī)器人是在組件表面爬行過程中通過高速轉(zhuǎn)動的毛刷來對組件表面進(jìn)行清潔，通過行走輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。為防止清潔機(jī)器人從組件上跌落，多以人工現(xiàn)場控制為主，個別廠家正在研發(fā)基于視覺跟蹤系統(tǒng)的位置判斷技術(shù)。

但便攜式清潔機(jī)器人存在電池容量小的缺點，單塊電池僅能清潔容量為0.8 MW的組件；此外，在機(jī)器人清潔期間仍需要人工遙控指揮，智能化水平有待提高。

圖7 Sinfonia和深圳創(chuàng)動生產(chǎn)的便攜式清潔機(jī)器人Fig.7 Portable cleaning robots produced by Sinfonia and Innopower

2 清潔機(jī)器人技術(shù)存在的問題及技術(shù)發(fā)展方向

2.1 存在的問題

目前，所有廠家都致力于提高清潔機(jī)器人的越障和抗“自鎖”能力，并研發(fā)了多種方案，比如，分散驅(qū)動、新型傳動技術(shù)、機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，但還未找到高性價比的解決方案。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)清潔機(jī)器人傾斜導(dǎo)致導(dǎo)向輪正壓力過大及行走輪越障能力不足時，其易發(fā)生“自鎖”。針對這一問題，一種可能的解決方案是：通過建立空間力系的平衡方程，優(yōu)化毛刷分布密度、長度和硬度，行走輪直徑和間距，導(dǎo)向輪數(shù)量、間距和直徑，以及機(jī)器人框架的尺寸、驅(qū)動電機(jī)的輸出扭矩等參數(shù)，并輔以電機(jī)控制算法，及時感知和調(diào)整行走輪狀態(tài)，避免產(chǎn)生“自鎖”。

2.2 技術(shù)發(fā)展方向

對光伏組件進(jìn)行清潔的清潔機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)細(xì)分應(yīng)用場景：針對光伏電站的形式研發(fā)適用于不同應(yīng)用場景的清潔機(jī)器人，場景可細(xì)分為大傾角式、平鋪式、大幅面平鋪式、平單軸跟蹤系統(tǒng)等。

2)深入優(yōu)化設(shè)計：研發(fā)方向集中在輕量化設(shè)計、零部件選材、驅(qū)動方式及算法、充電方式、越障算法等方面。

3)智能化：為清潔機(jī)器人建立云平臺，共享設(shè)備運行參數(shù)、電站發(fā)電量、大氣環(huán)境等大數(shù)據(jù)，輔以機(jī)器自學(xué)習(xí)算法，以提高設(shè)備的智能化。

3 結(jié)論

本文針對用于光伏組件清潔的清潔機(jī)器人，介紹了單排清潔、跨排清潔和便攜式清潔3種技術(shù)路線，并闡述了各種技術(shù)的優(yōu)、缺點；最后對清潔機(jī)器人的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。