智能清掃機器人在屋頂分布式光伏電站中的應用

摘要：隨著國家“雙碳”戰略的實施，分布式光伏電站作為集中式光伏電站的有效補充應用形式得到了快速發展。由于分布式光伏電站多建于工廠、園區、車站等建筑的屋頂，在進行光伏組件清洗時面臨清洗人員高處墜落風險大、清洗次數多等困難。以某屋頂分布式光伏電站為例，首先對傳統人工清洗方式存在的問題進行分析，然后針對這些問題提出利用智能清掃機器人進行清掃的解決方案，并對智能清掃機器人實際應用效果進行驗證。研究結果顯示采用智能清掃機器人清掃的光伏陣列的總發電量可提升21.2%，在該提升幅度下，對于5.324 MW的屋頂分布式光伏電站而言，使用智能清掃機器人清掃可比采用人工清洗方式清掃每月多提升63.74萬kWh的發電量，每年增加的發電量收益為50.77萬元，1～2年即可回收智能清掃機器人的初始投資成本。以期該研究結果為分布式光伏電站提升運維效率、降低運維成本提供參考。

關鍵詞：屋頂分布式光伏電站；光伏組件；智能清掃機器人；積灰；光伏發電量

中圖分類號：TM615文獻標志碼：A

0引言

“十四五”時期是中國為實現“雙碳”目標打好基礎的關鍵時期，而光伏發電作為太陽能利用最廣泛的形式之一，具有可靠、高效的優點，有助于促進“雙碳”目標的實現。在光伏發電應用形式中，分布式光伏發電是集中式光伏發電的有效補充應用形式。由于分布式光伏發電系統通常安裝在工業園區、工廠、學校、車站等建筑的屋頂，在其實際運行過程中易受到周圍環境的影響。光伏組件表面的污染物，比如：工業粉塵、鳥糞、落葉、灰塵等，造成的遮擋會對光伏組件的發電效率產生影響；而當光伏組件表面污染嚴重時，還會導致光伏組件產生熱斑，降低其使用壽命1。基于此，通過采用數字化、智能化手段，及時清洗光伏組件表面臟污，確保其處于干凈狀態，是分布式光伏電站精細化運維的目標。

經過多年發展，光伏組件清掃機器人技術日漸成熟，通過合理設置清掃路線和清掃頻次，清掃機器人可對屋頂分布式光伏電站的光伏組件進行常態化清潔，最大化降低灰塵、鳥糞等污染物對光伏組件發電量的影響，同時還能進一步降低光伏電站的運維人員成本，較大程度地提高屋頂分布式光伏電站的經濟效益[2，因此清掃機器人在屋頂分布式光伏電站中得到了較為廣泛的應用。通過采用科學有效的方式開展光伏組件清洗或清掃工作，對提高屋頂分布式光伏電站發電量具有十分重要的意義。

本文以某屋頂分布式光伏電站為例，首先對傳統人工清洗方式清潔光伏組件存在的問題進行分析，然后針對這些問題提出利用智能清掃機器人進行清掃的解決方案，并對智能清掃機器人的實際應用效果進行驗證。

1項目現狀

以位于河北省邢臺市的某5.324 MW屋頂分布式光伏電站為例，該光伏電站于2017年投產運行，由北京京能國際綜合智慧能源有限公司進行運維管理。該光伏電站建設于金后盾專用汽車制造有限公司的廠房屋頂，占用的屋頂面積約為6萬m2，共鋪設標稱功率為275 W的多晶硅光伏組件19360塊，總裝機容量為5.324 MW，年發電量為660萬kWh。該光伏電站的光伏組件采用傳統的人工清洗方式，通常按照每季度清洗1次的頻率進行，每年共清洗4次。

2傳統人工清洗方式存在的問題

2.1安全風險較大

在進行人工清洗時，清洗人員需長時間在屋頂上工作，而屋頂距離地面較高，存在較大的高空墜落風險。另外，由于本項目中的屋頂采用彩鋼瓦和采光帶交叉布置的方式，在清洗人員清洗光伏組件的過程中很容易發生因踩踏采光帶而導致墜落的情況，安全風險較大I3。

在夏季高溫季節、春秋季大風季節，在屋頂清洗光伏組件的過程中，會增加因中暑或風力太大等原因造成的清洗人員摔倒風險，且在突發事件發生后，無法有效開展救援，安全隱患較大。

2.2清洗頻率需求高

該光伏電站位于河北省邢臺市，該地區氣候干燥，春季多揚塵風沙天氣，秋季、冬季雨雪偏少。此外，由于該光伏電站處于工業園區內，光伏組件表面極易出現臟污。在每季度清掃1次的清洗頻率下，無法保證光伏組件表面長期清潔。

在春、秋季揚沙天氣頻繁的情況下，在雷陣雨天氣后，光伏組件底部會形成泥帶，嚴重影響了光伏組件發電量4。因此，為減少污染物給光伏組件發電量帶來的影響，就需要增加清洗頻次。

2.3用工成本較高

該光伏電站通常采用定期人工清洗的方式來清潔光伏組件，項目所在地的光伏組件清洗價格通常約為2000元/MW，并且隨著社會用工成本逐漸增加，人工清洗方式的用工成本也存在逐年升高的趨勢。

2.4取水困難

出于投資成本考慮，屋頂分布式光伏電站通常不會設置取水管路，而是需要通過軟管將清洗水接至屋頂，因此，在清洗光伏組件時，會受到園區內水管分布、供水水壓等多方面因素的限制。

2.5管理成本高

在光伏組件清洗過程中，除了需要確保清洗人員的安全，還要確保清洗效果，因此需要設置專人監護整個清洗過程，進一步增加了管理成本。

3解決方案

針對傳統人工清洗方式存在的問題，本文提出利用智能清掃機器人進行光伏組件清潔。將智能清掃機器人安裝在屋頂，然后通過設計其行走軌道及工作路徑，制定其清掃策略，并利用厘米級高精度衛星定位器對其位置進行定位5，以實現其自主導航、自主定位、自主清掃和自主充電，從而達到常態化自動清掃的效果。

3.1功能設計

本智能清掃機器人主要由驅動電機、清掃模塊、驅動傳動系統、機身本體等部件組成，其中，清掃模塊包括吸塵器和清掃刷。

3.1.1清潔方式

本智能清掃機器人利用履帶在光伏組件玻璃表面行走，通過清掃模塊對光伏組件進行清掃作業。主要是通過吸塵器和清掃刷之間的互相配合進行清潔工作，刷子清掃光伏組件表面污垢，吸塵器將光伏組件表面的污垢及灰塵吸至吸塵器內部。

3.1.2定位與導航

本智能清掃機器人擁有實時動態（RTK）精準定位系統和慣性定位系統，只需使用坐標采集器對光伏電站清掃區域的頂點坐標進行采集，然后利用專門的手機軟件（APP）可自動規劃該智能清掃機器人的工作路徑，從而實現該智能清掃機器人自主導航及自主清掃作業，無需人工控制。

3.1.3監控與管理

通過智能運維平臺和APP，可實現高效便捷地實時監控、管理，并可以統計該機器人的工作狀況和歷史信息，從而有效了解光伏電站的運行情況。

3.2智能清掃機器人的控制流程

本智能清掃機器人在得到清掃指令后，啟動驅動電機，驅動電機轉動清掃刷；然后智能清掃機器人按照設定好的清掃工作路徑在光伏組件表面邊行走邊清掃，從而實現對光伏組件表面的全清掃。

在智能清掃機器人實際清掃過程中，其除了可以實現清掃的自動控制，還可以開展光伏組件發電量及光伏電站運行環境的自動檢測。

智能清掃機器人是否繼續進行清掃工作是通過判斷光伏組件發電量是否得到提升及是否需要除塵來決定。

判斷光伏組件發電量是否得到提升的邏輯為：智能清掃機器人完成1遍清掃工作后，通過采集清潔后光伏組件的電壓和電流值，計算出清潔后光伏組件的發電量；然后通過邏輯判斷該發電量相對于清潔前發電量的提升幅度是否大于等于3%，若是，則清掃結束；反之，則繼續進行循環清掃。而判斷是否需要除塵主要是由光伏電站運維人員來判斷，若需要，則由運維人員手動啟動智能清掃機器人。

環境變化也會導致光伏組件發電量的變化。為了避免環境因素對清掃工作造成的誤判，在智能清掃機器人的清洗程序中設置了太陽輻照量和環境溫度的判斷條件，當太陽輻照量和環境溫度不滿足設定的條件時，智能清掃機器人不啟動工作程序。具體的邏輯判斷流程圖如圖1所示。

3.3智能清掃機器人清掃路徑規劃

規劃智能清掃機器人清掃路徑時，按照所有光伏組件全部覆蓋的原則，將單塊光伏組件作為1個清掃單元，以兩塊光伏組件之間的間隙作為清掃單元邊界，通過優先級啟發式算法，使智能清掃機器人能夠在光伏組件所在區域按照路徑進行清掃，當完成某塊光伏組件的清掃，進行下塊光伏組件的清掃作業時，智能清掃機器人按照先由下而上，到達光伏組件邊緣后轉身，再由上而下的方式行進；當到達清掃單元邊界后，智能清掃機器人通過連接橋達到另一塊光伏組件，如此類推，最終實現所有光伏組件都能夠按照規劃的路徑進行清掃，確保清掃無死角。清掃完成后智能清掃機器人自動回到停車位。規劃的智能清掃機器人的清掃路徑示意圖如圖2所示。

在設定智能清掃機器人的清掃程序時，需要對光伏電站區域內每塊光伏組件進行標記，已清掃過的光伏組件被標記為“O”，未清掃過的光伏組件被標記為“1”，從而實現對每塊光伏組件的賦值，通過賦值來判斷該光伏組件是否已被清掃過。

4清掃效果驗證

采用智能清掃機器人清掃前后的光伏組件對比照如圖3所示。

為了驗證智能清掃機器人的清掃效果，從本屋頂分布式光伏電站中選取位于同個屋頂的朝向、安裝傾角和裝機容量均相同的兩個光伏陣列進行對比。其中，一個光伏陣列由智能清掃機器人每天進行清掃，另一個光伏陣列不進行清掃，然后對比兩個光伏陣列的發電量。不同清掃情況的光伏陣列發電量數據如表1所示。

由表1可知：采用智能清掃機器人進行清掃作業的光伏陣列的總發電量比未清掃光伏陣列的可提升21.2%。

基于表1中的發電量提升幅度，以整個屋頂分布式光伏電站為例，若該光伏電站人工清洗方式仍保持1年清洗4次的頻率，則該光伏電站使用智能清掃機器人清掃可比采用人工清洗方式清掃每月多提升63.74萬kWh的發電量，折算為年發電收益為54.17萬元，減去3.40萬元的年人工清洗方式下的成本，則每年增加的發電量收益為50.77萬元，每年每兆瓦裝機容量可實現增收9.54萬元。智能清掃機器人的初始投資成本為60萬元，則1～2年即可回收成本。

5結論

本文以某屋頂分布式光伏電站為例，首先對傳統人工清洗方式存在的問題進行了分析，然后針對這些問題提出了利用智能清掃機器人進行清掃的解決方案，并對智能清掃機器人實際應用效果進行了驗證。研究結果顯示：采用智能清掃機器人清掃的光伏陣列的總發電量可提升21.2%，在該提升幅度下，對于5.324 MW的屋頂分布式光伏電站而言，使用智能清掃機器人清掃可比采用人工清洗方式清掃每月多提升63.74萬kWh的發電量，智能清掃機器人每年增加的發電量收益為50.77萬元，1～2年即可回收智能清掃機器人的初始投資成本。

通過在屋頂分布式光伏電站安裝智能清掃機器人，合理設計清洗路線、清洗頻率和清洗策略，實現了光伏組件的智能清潔，有效規避了光伏組件清潔過程帶來的人員高處墜落等安全風險；通過常態化清掃使光伏組件長期保持高效發電狀態，進一步提升了光伏電站發電收益，對屋頂分布式光伏電站的運維具有較大的借鑒意義和推廣價值。

[參考文獻]

[1]居發禮.積灰對光伏發電工程的影響研究[D].重慶：重慶大學，2010

[2]陳東兵，李達新，時劍，等.光伏組件表面積塵及立桿陰影對電站發電功率影響的測試分析[J].太陽能，2011（9）：39-41.

[3]李洋，朱如仙，王愛星，等.積灰對光伏面板基本輸出特性的影響研究[J].東華理工大學學報（自然科學版），2016，39（4）：390-395.

[4]曹夢楠.分布式光伏組件清洗機器人開發及應用[D].吉林：東北電力大學，2020.

[5]任喬林，楊發山，馮冰，等.帶電設備清洗機器人研制及其在泛在能源互網感知層的應用[J].電子質量，2022（1）：79-82.

APPLICATION OF INTELLIGENT CLEANING ROBOTS INROOF DISTRIBUTED PV POWER STATIONS

Jing Yongchang，ZhiGuangchao，SongZhanling，ZhangJi，WangZiqing

（Beijing Jingneng International Comprehensive Smart Energy Co.，Ltd.，Beijing 100022，China）

Abstract：With the implementation of the emission peak and carbon neutrality national strategy，distributedPVpowerstations，have developed rapidly as an effective supplementary application application from of centralizedPV power stations.Due to the fact that distributed PV power stations are mostly built on the roofs of buildingssuch as factories，parks，andstations，they face difficulties in cleaning PV modules，such as a high risk offalling from heights by cleaning personnel，multiple cleaning times.This paper takes a rooft distributed PVpower station as an example，first analyzes the problems existing in traditional manual cleaning method，andthen proposes a solution to use intelligent cleaning robots for cleaning，and verifies the actual application effect ofintelligent cleaning robots.The research results show that the total power generation capacity ofPV arrays cleanedby intelligent cleaning robots can be increased by 21.2%.Under this increase，for a 5.324 MW roof distributedPV power station，using intelligent cleaning robots can increase the monthly power generation capacity by637400kWh compared to manual cleaning methods，the annual increase in power generation capacity revenueis 507700 yuan，which means that the initial investment cost of intelligent cleaning robots can be recoveredin 1～2 years.In the hope that the research results can provide reference for improving the operation and maintenanceefficiency and reducing the operation and maintenance costs of distributed PV power stations.

Keywords：roof distributed PV power stations;PVmodules;intelligent cleaning robot;dustaccumulation;PVpower generation capacity