太陽能光伏板清潔裝置設(shè)計(jì)分析

郭靜靜

榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000

0 引言

近年來，隨著國家的一系列利好政策，從西北的荒漠到北方的大草原，從西南的荒山野地到東部的良田鹽堿地，光伏發(fā)電廠在我國的大江南北遍地開花。太陽能光伏發(fā)電站地勢(shì)較高，日照充足，風(fēng)沙大，因而太陽能電池板上很容易積累沙塵及臟物，嚴(yán)重影響發(fā)電效率。市面上的太陽能清洗裝置參差不齊，比如機(jī)載式太陽能電池板清洗車，其占地面積大，耗水量巨大；而手推式清洗機(jī)一次性清洗范圍小，且耗水量也比較大[1]。因此，現(xiàn)在普遍采用人工清洗方式，但人工清洗會(huì)消耗大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，也有其局限性。

為此，文章設(shè)計(jì)了一種太陽能光伏板的清潔裝置，其適用范圍廣，靈活運(yùn)行，自帶電源，無須外界供電，具有極高的推廣價(jià)值。

1 清潔裝置整體設(shè)計(jì)

該清潔裝置以西門子公司S7-200 CN的PLC為控制核心，依靠電機(jī)提供運(yùn)行動(dòng)力，按照清掃工序順序動(dòng)作，在光伏板表面進(jìn)行自動(dòng)清掃和吸塵。清潔裝置分為四大系統(tǒng)，分別為動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和三次清洗系統(tǒng)。

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)中所有運(yùn)動(dòng)部件由12 V減速直流電機(jī)提供動(dòng)力，各電機(jī)轉(zhuǎn)速由其工作性質(zhì)設(shè)定。（1）行進(jìn)電機(jī)，如圖1所示，轉(zhuǎn)速為15～30 r/min。（2）毛刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)速為150～200 r/min。（3）雨刷升降電機(jī)，轉(zhuǎn)速為25～30 r/min。

圖1 行進(jìn)電機(jī)

1.2 控制系統(tǒng)

該裝置由PLC控制，通過繼電器接收和輸出信號(hào)，并控制電機(jī)運(yùn)行。PLC設(shè)備如圖2所示。

圖2 PLC設(shè)備

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該裝置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩部分組成，首先，由蓄電池來供給，經(jīng)過分級(jí)變壓供電，完成除灰風(fēng)量風(fēng)速的控制；然后，由自主研發(fā)的溫差發(fā)電裝置來供電[2]，其作為蓄電池的備用，解決由于蓄電池電力不足導(dǎo)致裝置不能運(yùn)行的問題。溫差發(fā)電裝置的特點(diǎn)是使用溫差發(fā)電原理，利用上下表面溫度差對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，使該裝置不會(huì)斷電。蓄電池的電路板如圖3所示。

圖3 蓄電池的電路板

1.4 三次清洗系統(tǒng)

三次清洗系統(tǒng)主要采用齒輪傳動(dòng)裝置的機(jī)械臂設(shè)計(jì)，其上附有毛刷輥、雨刷、特制抹布等。該清洗系統(tǒng)設(shè)有中心軸、行動(dòng)支架、排刷、雨刷、特制抹布輔助設(shè)備等。

工作過程：先由毛刷將沙子和泥巴等從太陽能板上刷起來，這是第一次清洗，如圖4所示；然后在水噴頭前面噴水，后面雨刷進(jìn)行清掃，這是第二次清洗，如圖5所示；最后由抹布一次性擦干凈，這是第三次清洗，如圖6所示。整體清洗裝置如圖7所示。

圖4 第一次清洗

圖5 第二次清洗

圖6 第三次清洗

圖7 整體清洗

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成

該清潔裝置的運(yùn)行機(jī)構(gòu)由中心軸、行動(dòng)支架及一些輔助設(shè)備等組成。中心軸示意圖如圖8所示。

圖8 中心軸示意圖

2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行

裝置移動(dòng)是通過中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來清洗器具，當(dāng)系統(tǒng)接收到清洗指令時(shí)，中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，毛刷進(jìn)行工作，到達(dá)太陽能邊緣時(shí)，中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，雨刷進(jìn)行動(dòng)作，進(jìn)行第二遍清洗，然后回到初始位，即太陽能板清洗最原始的位置，完成一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，接著中心軸再次轉(zhuǎn)動(dòng)，完成第三遍噴水、抹布擦拭動(dòng)作，之后水經(jīng)過過濾返回到水箱。這樣完成此塊太陽能板的清洗，從太陽能板邊緣運(yùn)行至下一塊太陽能板進(jìn)行清洗。具體實(shí)施步驟如圖9所示。

圖9 實(shí)施步驟

運(yùn)行軌道采用H型雙卡式行進(jìn)輪分配，避免脫軌、打滑等現(xiàn)象。H輪軌道如圖10所示。

圖10 H輪軌道

3 清潔裝置優(yōu)勢(shì)

文章所述裝置結(jié)構(gòu)簡單，用水量少，水的循環(huán)利用率高，一次補(bǔ)水可以工作很長時(shí)間，克服了太陽能板安裝環(huán)境的缺水困難。該裝置全部過程均有程序控制和實(shí)時(shí)信息反饋。此外，相較于其他產(chǎn)品，該裝置具有隨時(shí)可工作，可以適應(yīng)不同大小的太陽能單組陣列的清洗的優(yōu)點(diǎn)，降低了人工清洗的成本，節(jié)約了勞動(dòng)力。并且，三遍清洗系統(tǒng)保證了玻璃的透光率，提高了太陽能電池板的發(fā)電效率。該裝置不僅適合集中式光伏地面電站、山坡太陽能電站，還適合分布式光伏發(fā)電電池板、離網(wǎng)太陽能發(fā)電、并網(wǎng)光伏、農(nóng)光互補(bǔ)、屋頂光伏等組件的清洗[3]。

4 清潔裝置后期改進(jìn)

（1）控制方面：PLC的能耗較大，后期可使用單片機(jī)進(jìn)行控制，降低能耗。（2）增設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)清洗過的太陽能板進(jìn)行檢測(cè)，以便對(duì)不干凈的雨刷、抹布等進(jìn)行及時(shí)更換。（3）加裝遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)太陽能板清洗裝置的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而節(jié)省人力，提高使用效率。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了一種太陽能光伏板的自動(dòng)清潔裝置，從動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)及三次清洗系統(tǒng)方面進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析了構(gòu)成部件及運(yùn)行方式，并在實(shí)驗(yàn)室取得了成功試驗(yàn)。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、用水量少、水的循環(huán)利用率高、靈活性強(qiáng)、適用范圍廣等特點(diǎn)，具有良好的推廣價(jià)值。