摘

要：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件表面積聚灰塵、異物，會(huì)很大程度上影響光電轉(zhuǎn)換效率。為此，設(shè)計(jì)了一種光伏組件智能清潔機(jī)器人，包括對(duì)其硬件系統(tǒng)和清潔方案的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏組件的自動(dòng)清掃。同時(shí)，針對(duì)智能清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃進(jìn)行研究，基于最小能量消耗原則對(duì)清潔機(jī)器人的清潔路徑進(jìn)行規(guī)劃，在耗能最小的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光伏組件全遍歷清掃。關(guān)鍵詞：光伏組件；清潔機(jī)器人；路徑規(guī)劃；智能清潔0引言在國(guó)家大力推動(dòng)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)落實(shí)，建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的背景下，光伏發(fā)電作為我國(guó)新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)，在國(guó)家政策的引導(dǎo)和扶持下正迅猛發(fā)展。早期，光伏發(fā)電以沙漠光伏為主，主要集中在海拔較高、遮擋較少、光照條件優(yōu)越的西北部地區(qū)。后來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在農(nóng)場(chǎng)、魚(yú)塘等地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等多種光伏形式。然而，光伏組件經(jīng)常受到灰塵、樹(shù)葉、鳥(niǎo)糞等各種因素影響，光敏元件受到異物遮擋，太陽(yáng)光不能有效利用，導(dǎo)致發(fā)電效率大幅下降，造成了巨大的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。不僅如此，光伏組件上的異物積聚，還會(huì)造成局部熱斑效應(yīng)，甚至?xí)p壞光伏組件。為解決這一問(wèn)題，需要定期對(duì)光伏組件進(jìn)行清潔維護(hù)，以保證其發(fā)電效率。光伏組件的清潔方法主要有自然清潔、人工清潔、機(jī)械清潔等。自然清潔即依靠雨水沖刷來(lái)進(jìn)行清潔，但這種方法受制于氣候因素，尤其是在西北干旱地區(qū)，降水量較少，不能進(jìn)行有效清潔。人工清潔是指依賴(lài)于人工，利用一定的工具，如拖把、高壓水槍等進(jìn)行清潔，此方法須耗費(fèi)大量水資源，且清潔效率低下，人力成本過(guò)高。此外，工作過(guò)程中人員須暴露在強(qiáng)紫外線(xiàn)與灰塵環(huán)境中，嚴(yán)重威脅人體健康。機(jī)械清潔是借助機(jī)械設(shè)備如清潔機(jī)器人等，進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)清洗。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究出多種應(yīng)用于光伏組件清洗的機(jī)器人，但普及性并不高。東北大學(xué)和波士頓大學(xué)共同研制出了一種清潔光伏組件的機(jī)器人，其由清潔頭設(shè)備和提供能量及水的裝置組成，對(duì)光伏組件的清潔效果顯著，但清掃作業(yè)中，仍需要大量輔助設(shè)備以及大量的水和清潔劑，并需在人工密切監(jiān)控和協(xié)助下完成工作。在國(guó)內(nèi)，青島昱臣智能機(jī)器人企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)首個(gè)無(wú)水清潔光伏組件的智能機(jī)器人，但該機(jī)器人體型較大，在停放或維修時(shí)對(duì)場(chǎng)地要求高，因而大范圍推廣受到限制。考慮到大部分光伏電站路面高低不平，如山地光伏、水面光伏，并不適合使用地面車(chē)載式機(jī)器人。對(duì)于西北干旱少雨地區(qū)，噴水式清潔光伏組件，成本非常高，不符合應(yīng)用實(shí)際。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種光伏組件智能清潔機(jī)器人，可在組件面板上移動(dòng)清洗，清掃裝置采用特殊材質(zhì)的毛刷，以提高機(jī)器人的清潔能力，在此基礎(chǔ)上對(duì)其路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)較小能耗下的光伏組件無(wú)死角全覆蓋清潔。1光伏組件智能清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)光伏組件智能清潔機(jī)器人根據(jù)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分為電源模塊、核心控制模塊、信息采集模塊及運(yùn)動(dòng)控制模塊等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。核心控制模塊由單片機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)信息采集模塊獲得的環(huán)境參數(shù)，向運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送控制信號(hào)。信息采集模塊由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)向單元、邊緣檢測(cè)器等組成，各傳感器獲得的環(huán)境參數(shù)提供給核心控制模塊，為其控制決策提供數(shù)據(jù)支持。行進(jìn)單元及清掃單元由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成，根據(jù)核心控制模塊發(fā)送的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1

電源模塊光伏組件智能清潔機(jī)器人采用蓄電池為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和主控模塊供電。在本系統(tǒng)中，若主控電源直接用驅(qū)動(dòng)器電源，會(huì)出現(xiàn)共地危害，因此，為可靠穩(wěn)定地給主控單片機(jī)提供電能，需要接入DC/DC隔離電源模塊，單獨(dú)為主控提供電能。本系統(tǒng)選用B1203S-1W型電源降壓隔離模塊。2.2核心控制模塊本系統(tǒng)選擇STM32F103單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行速度快，價(jià)格便宜，適合選用。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，限位開(kāi)關(guān)、灰塵檢測(cè)裝置等完成信息采集后將數(shù)據(jù)上傳至主控模塊，主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編譯，并向驅(qū)動(dòng)器下達(dá)指令，驅(qū)動(dòng)器分別執(zhí)行行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)、清掃輥刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在清掃過(guò)程中，當(dāng)智能清潔機(jī)器人到達(dá)光伏組串邊緣時(shí)，限位開(kāi)關(guān)向主控系統(tǒng)發(fā)出到達(dá)邊緣信號(hào)，主控單元根據(jù)灰塵檢測(cè)裝置的反饋值判定是否需要重復(fù)清掃，若需要重復(fù)清掃，則向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送反向運(yùn)行指令，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)。2.3

電機(jī)模塊在本設(shè)計(jì)中，智能清潔機(jī)器人的拖動(dòng)電機(jī)選用直流有刷電動(dòng)機(jī)。有刷電動(dòng)機(jī)采用機(jī)械換向，定子部分包括主磁極與電刷，轉(zhuǎn)子部分裝設(shè)電樞鐵芯及電樞線(xiàn)圈，電機(jī)工作時(shí)，換向器隨著電樞線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)，電刷固定不動(dòng)，換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦損耗，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及良好的制動(dòng)性能，運(yùn)行平穩(wěn)。因此，本設(shè)計(jì)選用直流有刷電動(dòng)機(jī)，并選用可逆調(diào)速系統(tǒng)，使得電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。2.4限位裝置智能清潔機(jī)器人到達(dá)組串邊緣時(shí)，限位裝置給出動(dòng)作信號(hào)。霍爾接近開(kāi)關(guān)可以在接近物體一定距離內(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近，它不像機(jī)械行程開(kāi)關(guān)由物體的碰觸實(shí)現(xiàn)電路通斷的開(kāi)關(guān)，而是在接近設(shè)定距離后給出高電平或低電平的電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，選用NPN常開(kāi)型霍爾傳感器作為限位裝置，可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，不影響機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)機(jī)械磨損，并且定位準(zhǔn)確度高，響應(yīng)迅速，適用于光伏陣列應(yīng)用場(chǎng)景。安裝時(shí)，磁極軸線(xiàn)與霍爾接近開(kāi)關(guān)的軸線(xiàn)要在同一直線(xiàn)上，當(dāng)磁鐵隨著智能清潔機(jī)器人移動(dòng)到距離霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾接近開(kāi)關(guān)的輸出由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。其電路框圖如圖2所示。2.5

灰塵檢測(cè)裝置為提高智能清潔機(jī)器人的清掃效率及效果，清掃方案設(shè)計(jì)為：光伏組串面板污染較輕時(shí)，只進(jìn)行單程清掃，而將積灰程度較重區(qū)域作為重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行反復(fù)清掃，從而更好地體現(xiàn)清潔機(jī)器人的智能化。因此，需要設(shè)置灰塵檢測(cè)裝置。灰塵檢測(cè)可以通過(guò)消光法（又稱(chēng)“濁度法”）實(shí)現(xiàn)，即光束穿過(guò)顆粒物時(shí)，顆粒物會(huì)吸收和散射一部分光，使得透射光強(qiáng)度減弱，其衰減量與顆粒大小、濃度相關(guān)[12]。本設(shè)計(jì)選用光學(xué)灰塵傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)灰塵濃度檢測(cè)，其原理如圖3所示，傳感器由紅外發(fā)光二極管和紅外光敏晶體管組成，紅外發(fā)光二極管定向發(fā)射LED光線(xiàn)，若檢測(cè)室中有灰塵，則灰塵會(huì)吸收、散射一部分光，使得紅外光敏晶體管接收的光強(qiáng)發(fā)生變化，其輸出電信號(hào)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，即實(shí)現(xiàn)了將灰塵濃度轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的變化，再通過(guò)紅外光敏晶體管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。其中，紅外發(fā)光二極管激勵(lì)電流不采用連續(xù)直流電，而是采用中頻（40kHz）窄脈沖電流驅(qū)動(dòng)，紅外光敏晶體管接收到的光信號(hào)也是同頻率的調(diào)制光脈沖，這樣可以有效防止燈光、太陽(yáng)光等其他光線(xiàn)干擾，還可以減少發(fā)光二極管的功耗。光電元件的輸出經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將當(dāng)前檢測(cè)濃度與灰塵濃度設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，判斷下一步清掃動(dòng)作。智能清潔系統(tǒng)啟動(dòng)后，傳感器開(kāi)始工作，若測(cè)得灰塵濃度大于預(yù)先設(shè)定值，單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送繼續(xù)清掃的指令，到達(dá)組串邊緣時(shí)，行進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重復(fù)清掃，直到檢測(cè)值小于設(shè)定值。若檢測(cè)到灰塵濃度小于設(shè)定值，則清潔系統(tǒng)只進(jìn)行單程清潔，到達(dá)組串邊緣后，若未接收到停機(jī)信號(hào)，則通過(guò)橋接支架進(jìn)入下一組串繼續(xù)進(jìn)行清掃。光學(xué)灰塵傳感器接線(xiàn)方式如表1所示。3清潔方案設(shè)計(jì)光伏組件排列方式多種多樣，以目前主流的3.15MW方陣單元，光伏組件選用450W為例，通常由18塊組件構(gòu)成一個(gè)組串，每一個(gè)方陣單元由195個(gè)組串組成。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到安裝支架長(zhǎng)度、檢修通道等，同一排（行）組串與組串之間距離為0.5～1m，前后兩排間距5～8m，不同地區(qū)各不相同。為了使機(jī)器人能夠自動(dòng)跨越這段距離，在橫向、縱向支架之間安裝一種橋接裝置，以提高光伏清潔機(jī)器人的利用率。智能清潔機(jī)器人沿光伏面板上下邊緣行進(jìn)，以組串為最小清潔單位，通過(guò)螺旋輥刷進(jìn)行無(wú)水清潔，其清潔過(guò)程如下：（1）系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行上電自檢，檢測(cè)電池電量是否充足，若電量不足，則進(jìn)行充電；若電量充足，則進(jìn)行清掃工作。由當(dāng)前位置沿軌道向前行進(jìn)。（2）行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)灰塵檢測(cè)器檢測(cè)組串面板污染程度，檢測(cè)到灰塵濃度低于設(shè)定值時(shí)，只進(jìn)行一次單程清潔；灰塵濃度較高時(shí)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行反復(fù)清潔。（3）當(dāng)清潔機(jī)器人到達(dá)組串邊緣時(shí)，限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，根據(jù)控制系統(tǒng)信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行往復(fù)清潔或通過(guò)橋接裝置移動(dòng)至下一組串進(jìn)行清潔。（4）當(dāng)接收到清潔完成信號(hào)或停機(jī)信號(hào)時(shí)，輥刷電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)停靠在停機(jī)位。智能清潔機(jī)器人清潔流程如圖4所示。4路徑規(guī)劃智能清潔機(jī)器人研究的重點(diǎn)難點(diǎn)在于路徑規(guī)劃。對(duì)于光伏組件的清潔應(yīng)用場(chǎng)景而言，機(jī)器人的工作環(huán)境是已知的，在已知的靜態(tài)環(huán)境模型中，結(jié)合傳感器獲得實(shí)時(shí)的周?chē)h(huán)境信息，使智能清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃更加智能化，加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力。本文以智能清潔機(jī)器人消耗更少的能量，在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全遍歷清掃作為研究目標(biāo)進(jìn)行路徑規(guī)劃。往返型遍歷路徑在一定的自由空間內(nèi)，依靠傳感器感知周?chē)h(huán)境而作出判斷，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，且對(duì)區(qū)域空間大小的自由度較高，所以在全遍歷路徑規(guī)劃中最為常用，這里選擇“往返型”進(jìn)行分析。在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，首先需要對(duì)智能清潔機(jī)器人在不同工作狀態(tài)、不同路線(xiàn)下的能量消耗進(jìn)行分析。以圖5所示光伏陣列模型為例，分析智能清潔機(jī)器人單程清掃時(shí)的能量消耗。以組串作為最小清潔單元，設(shè)總共有m行n列組串組成光伏陣列，E0表示清掃單個(gè)組串時(shí)所需要的能量，EH表示智能清潔機(jī)器人在橫向跨越不同列之間的組串時(shí)所消耗的能量，EV表示智能清潔機(jī)器人在縱向跨越不同行之間的組串時(shí)所消耗的能量。現(xiàn)將智能清潔機(jī)器人沿不同方向的往返型遍歷路徑進(jìn)行對(duì)比，圖6（a）所示先橫向清掃、再縱向清掃的路徑所消耗的總能量用E1來(lái)表示，圖6（b）所示先縱向清掃、再橫向清掃的路徑所消耗的總能量用E2來(lái)表示，則針對(duì)兩種不同清掃路線(xiàn)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)能量總消耗可以表示為：比較兩種路線(xiàn)消耗的能量，化簡(jiǎn)后可得：由于（n-1）（m-1）≥0，因此，能耗大小取決于EH、EV的大小。當(dāng)EH＜EV時(shí)，選擇圖6（a）清掃方案；當(dāng)EH＞EV時(shí)，選擇圖6（b）清掃方案。以3行6列的光伏陣列為例，即m=3，n=6，若采用圖6（a）路徑，則經(jīng)過(guò)橋接裝置時(shí)所需能耗為15EH+2EV。若采用圖6（b）路徑，則需5EH+12EV。當(dāng)EH＞EV時(shí)，顯然，E1-E2=10EH-10EV，E1＞E2，圖6（b）所示路徑耗能更少；反之應(yīng)選圖6（a）方案。對(duì)已知的光伏陣列環(huán)境用往返型遍歷方法進(jìn)行清掃時(shí)，應(yīng)視不同方向的能耗大小進(jìn)行選擇，同時(shí)也需要考慮清潔時(shí)間。智能清潔機(jī)器人在遍歷路徑清掃路徑上所消耗的總能量，主要由機(jī)器人前進(jìn)清掃時(shí)的能量和通過(guò)橋接裝置換行換列時(shí)所消耗的能量組成。每個(gè)光伏組串內(nèi)的機(jī)器人遍歷路徑是一致的，需要消耗的能量E0是一定的，且通過(guò)橋接裝置時(shí)，機(jī)器人減速—橋接裝置調(diào)整接收角度—機(jī)器人加速通過(guò)橋接裝置—機(jī)器人減速進(jìn)入下一組串，過(guò)程耗時(shí)大于直行清潔時(shí)間。在本文所應(yīng)用的環(huán)境案例中，相鄰兩列組串之間距離為0.5～1m，相鄰兩行間距5～8m；且為了最大化獲得太陽(yáng)光能源利用率，光伏板在安裝時(shí)需向陽(yáng)，有一定的角度。不同行之間的橋接裝置需要進(jìn)行角度調(diào)整，智能清潔機(jī)器人才能沿軌道通行。其消耗的時(shí)間和能量均大