大型光伏电站光伏组件自动清洗机的设计

  （宁夏大学机械工程学院1，宁夏银川  750021;

  宁夏大学新能源研究中心2，宁夏银川750021;宁夏大学物理电气信息学院3，宁夏银川750021）

摘要：针对光伏板发电量受其表面灰尘影响较大及大型光伏电站光伏板清洗难度大的现象，提出了新型光伏组件自动清洗机的设计构想。光伏组件均有一定的安装角度，设计结合了真空吸附技术、履带驱动技术，保证清洗机能够在倾斜的表面上自由移动。考虑到我国西北地区大型光伏电站所处风沙较大、人力资源匮乏、干旱少雨等特殊环境，提出三步清洗法，保证清洗机高效地完成光伏组件的清洗任务。理论计算结果表明该设计是完全可以实现的，且在原理性验证试验中清洗效果较好，达到预定要求。

0引言

  太阳能以其来源广泛、清洁、无污染，作为21世纪受欢迎的新型能源，日益受到世界各国的关注。光伏发电是太阳能利用的主要方向之一。在大型光伏电站运营过程中，发电量是电站运行的重要指标之一。除光伏阵列效率、逆变器转换效率、并网效率等影响因素外，光伏组件表面积尘对发电量影响也较大。在对蚌埠2 MW非晶硅光伏电站的测试结果中发现，20天的表面积尘使光伏组件串的发电功率降低24%。张风等人对TSM-DCOIA. 05进行研究，在辐照度和温度分别为1 000 W／rr12和250情况下，当光伏组件灰尘浓度从0增加到5g/m2时（增量为1），组件输出功率由192.3 W降至147.6 W，降幅为6.67%、11.96%、16.28%、20.07%和23. 24%。由以上数据可以看出，光伏组件表面积尘严重影响其发电效率。另外灰尘堆积会引起热斑效应，影响组件寿命，并造成安全隐患。我国大型光伏电站主要集中于西部戈壁荒漠地区，干旱少水，交通较不方便，而且人工清洗光伏组件工作量较大，成本较高。因此研制一种新型大型光伏电站光伏组件自动清洗机是非常必要的，且拥有较大使用价值。

1光伏组件自动清洗机概况

  目前，常用的地面光伏阵列清洗方案主要有：管道清洗方案、无管道清洗方案和自清洁玻璃方案。以上三种方案各有优缺点。管道清洁方案需在电站内部铺设输水管道，同时结合人力资源完成清扫，对水资源、地质施工条件有较高要求，且铺设费用较高；无管道清洗方案通过借助洒水车，将清洁用水运至电站内部，通过压力喷头进行喷洒和清扫，本方案对水资源和光伏电站内部道路有一定要求；自清洁玻璃方案，通过在光伏组件表面涂有特殊材料生成涂层，利用水和涂层的超强亲和力，水接触到玻璃材料后，迅速在其表面铺展成均匀水膜，在水膜重力作用下带走灰尘。前两种方案对水资源、电厂内部施工条件或道路条件有较高要求，第三种方案则成本较高且对降水量有较高要求。由于我国西部地区属于干旱少雨、风沙频发的自然环境，因此以上三种方案均不适用于我国西部大型光伏电站。目前我国西部大型光伏电站一般采用人工清洗法，劳动强度大，工作效率低，无法满足大型光伏电厂对光伏组件的清洗要求，且清洗成本较高。

  市场上常见自动清洗机一般应用于地面卫生清扫和玻璃擦洗。地面卫生自动清扫机只能在水平地面上移动，并清扫地面上的灰尘和体积较小的垃圾；玻璃自动清洗机，可在竖直玻璃面上自由移动，并在移动过程中完成对玻璃的擦洗任务。当灰尘颗粒较大或灰尘较多时，玻璃自动清洗机清洗效果较差。在大型光伏电站中，光伏组件均有一定安装角度，且光伏组件表面灰尘积累量较大，上述两种常见自动清洗机均不适用。因此设计一种新型光伏组件自动清洗机是非常有必要的，且具有较大的实用价值。

2工作原理

  光伏组件自动清洗机以单片机为控制单元，控制各用电设备的工作情况；以超声波测距模块和陀螺仪感应模块作为测量元件，时刻检测清洗机位置信息，并将信息传至单片机供其运算和判断，然后控制运动组件运动。清洗机工作时，需通过一定方式贴附到光伏板表面，不会滑落。当清洗机机体稳定贴附到光伏板表面时，在电机的驱动下，实现机体的直行和转向。为提高清洗效率，设计要求在清洗机移动的过程中完成光伏板面的清洗任务。针对我国西北大型光伏电站所处特殊地理环境特点，提出先扫灰、进一步清洗、清洗收尾的三步清洗法，保证清洗机快速高效地清洗光伏板表面，且不会造成二次污染。图1为自动清洗机结构图。

3  光伏组件自动清洗机结构设计

  作为一种新型光伏组件自动清洗机，本设备需能够紧紧贴附到光伏板表面，且在驱动力的作用下在光伏板表面自由移动，并能够时刻将机体位置信息和运动状态传递给控制器，确保清洗任务的顺利进行。本文主要说明吸附机构、驱动机构和三步清洗法的设计和计算，控制部分从略。

3.1吸附机构的设计

  我国西部大型光伏电站光伏组件一般采用固定式的安装方式。为较大程度接收太阳光照，提高太阳能利用效率，光伏组件均有一定角度的倾斜角度。若使清洗机能够在倾斜斜面上自由移动，必须设置贴附装置。现有贴附方式一般有以下五种：磁吸附、真空吸附、推力吸附、机械硬接触吸附、粘着剂材料吸附。磁吸附方式只适用于磁性壁面，永磁式磁吸附方式与壁面离合时需要较大的力，电磁式磁吸附需要消耗电能且电磁体本身较重；真空吸附方式通过真空泵为密闭容腔提供负压，利用压差使装置贴附到壁面，对接触面有较高要求；推力吸附方式不需考虑泄漏问题，对壁面和材质适应性较强，但其控制较为复杂，体积较大，效率较低，目前不够成熟；机械硬接触方式需事先在壁面上铺设轨道，以轨道作为约束和引导方式，但改造困难较大，成本较高；粘着剂材料吸附具有较好的越障功能，对壁面材质适应性较强，但只适用于微小型爬壁机器人。综合考虑光伏电站施工问题、光伏板材质问题，以及光伏板表面形状特点，本设计采用真空吸附式结构。图2为清洗机吸附至光伏板表面静态受力分析简图。

清洗机所受光伏板支持力为：

式中：Fn为清洗机所受支撑力，N；P为微型真空泵提供真空度，MPa，取P= -0.08 MPa;A为密闭容腔截面面积，m2；n为密闭容腔个数；m为清洗机总质量，kg，取m =20 kg；θ为光伏组件安装角，(。)，取θ=60°。

由平衡条件得：

式中：μ为机体材料与光伏板表面间摩擦系数，取μ=0.3。

联立式(1)和式(2)，得：

当密闭容腔截面面积A较大时，冗余度较小，一旦断电或者出现真空泄漏情况，机体将丧失吸附能力从而滑落。通过增加真空容腔个数，适当减小密闭容腔截面面积A，可提高真空吸附冗余度。本设计中，取容腔半径为10 mm。通过计算，求得n—19，取n=20。

3.2驱动结构的设计计算

  常见的移动方式有以下五种：轮式、履带式、腿足式、框架式、轮腿式。轮式结构简单，具有高速高效的优点，但由于车轮接触面较小，壁面适应性差，维持一定的摩擦力较困难；履带式结构着地面积大，承载能力强，壁面适应性较强，且有一定越障能力，但结构复杂；腿足式结构壁面适应能力强，但其结构复杂，控制难度大，且移动速度较慢；框架式结构简单，但体积较大且运动速度低；轮腿式结构简单，壁面适应性强，控制容易，但其在高度方向有位移脉动。考虑到光伏板表面玻璃较为平整光滑，且要求清洗机结构小巧，清洗完成后对板面损伤较小，本设计采用履带式驱动机构。

  自动清洗机在运动过程中将按照既定轨迹沿斜面运动。在向上运动过程中，驱动力不仅需克服机体重力沿光伏板斜面方向的分力，还需克服摩擦力，此时所需驱动力最大。图3为清洗机沿斜面向上运动时受力分析简图。

由图3得清洗机所需最大驱动力为：

由图1分析整理得：

  在履带设计计算中，平均接地压比[qo]=0.05~0.15 MPa较为合适，本设计取qo=0.1 MPa。本设计中，平均接地压比为：

式中：a为履带单元长度，mm；6为履带单元宽度，mm；A，为履带单元接地面积，mm2；n1为每侧需履带单元个数。

  通过选型，最终选用n= 20 mm、6=30 mm规格的橡胶履带单元。将数据代入式(6)计算得n1≥4。即每侧接地端的履带单元各需4个，两侧共8个。对上述计算进行反求验算。当qo=0.1 MPa时，橡胶履带所受摩擦力为：

式中：n为橡胶与玻璃间摩擦系数，取0.8。

  代人数据求得Ff =384 N>346.4 N，所以设计满足要求。

  根据以上履带单元选型和计算结果，选用96 Txls型同步带轮。在此情况下，由直流减速电机作为动力源，每侧所需扭矩为：

式中：W为驱动履带所需扭矩，N·m;Fq为履带牵引力，N；r为同步带轮半径，m。

  将数据代人式(6)求得W=4.2 N-m。即每侧直流减速电机所能提供的扭矩至少为4.2 N．m。根据自动清洗机运动速度设计要求，选用FB -77524v12000型减速直流电机，输出转速为18 r/min（实际工作转速可通过PWM直流调速器调整），工作扭矩为5N-m。

3.3三步清洗法的设计

  我国西部大型光伏电站所处环境较为恶劣，干旱少水，风沙较大，人力资源短缺。通过实地调查发现，电站内光伏板表面污垢绝大部分为沙尘，常见清洗方

法无法满足对光伏组件的清洗任务。针对上述情况，提出了机械集尘、静态除尘、柔性清洗的三步清洗法。由于光伏板表面沙尘较大，必须先进行扫灰处理，使板面露出，才可进行下一步清洗。为避免被击起的灰尘对光伏板造成二次污染，还需对击起灰尘进行收集。螺旋输送器，俗称搅龙，利用螺旋叶片的旋转运动，将物料向某一方向推移，在物料传送过程中应用广泛。本设计选用螺旋式结构作为机械击尘、集尘装置。图4为机械式螺旋集尘机构示意简图。

  本设计中，利用螺旋扫刷将光伏组件表面灰尘击起，并在螺旋面的作用下将灰尘聚集到某处，然后排至下步除尘装置中。图5为灰尘在螺旋面作用下的运动分析图。由图5看出，螺旋结构转动时，灰尘在螺旋槽中既有轴向速度V1又有圆周速度V2，其合速度为V，实现将灰尘击起并聚集到某一处。然后将聚集的灰尘排至水封除尘箱，利用灰尘和水的亲和力，完成灰尘和空气的分离，实现灰尘的收集。

  第一步螺旋集尘工序完成后，可除去大部分灰尘，但板面仍残留少量灰尘。在此情况下，在螺旋扫灰机构后设置一静态除尘模块，用湿润多孔柔性材料去除第一步残留灰尘，使光伏板露出光洁表面。由于水和灰尘间有较强亲和力，若静态除尘工序完成之后，遗留板面水渍不进行及时处理，会对板面造成热斑效应，并会引起二次污染，增加板面吸灰速度和下次清洗难度。因此在静态除尘模块后设置一柔性清洗模块，用于除去上步残留水渍。通过机械集尘、静态除尘、柔性清洗三道清洗工序，即完成对光伏板表面的较为干净的清扫。在验证性试验中，三步清洗法清洗效果较好，达到预期效果。

4控制模块简介

  图6为控制程序流程图。

  清洗机主要由行走单元、清扫单元和控制单元组成。行走单元主要包括机体、直流减速电机、同步带轮、履带微型真空泵以及密闭容腔；清扫单元包括直流减速电机、机械集尘模块、静态除尘模块和柔性清洗模块；控制单元包括超声波测距模块、陀螺仪感应模块和单片机检测控制模块。清洗机工作时，将自动清洗机平行于光伏板表面放置，并施加一定压力，启动微型真空泵，为密闭容腔提供负压，使机体吸附至光伏板表面。待机体牢固吸附至光伏板表面，单片机控制直流减速电机运动，带动同步带轮和履带运动，实现机体直线和转向运动，同时清扫单元工作。清洗机行进过程中，超声波测距模块和陀螺仪感应模块时刻采集清洗机机体位置及姿态信息，传至单片机检测控制模块，做出相应判断并及时调整清洗机的运动情况。

5结束语

  计算结果表明，新型光伏电站光伏组件自动清洗机的设计是完全可行并且可以实现的。在原理性验证试验中，清洗效果较好，达到预期清洗效果。本设计能够较好地适应我国西北地区大型光伏电站所处的特殊环境，具有节约水资源、清洗效果好、成本较低等优点。目前本设计团队已经完成整机的概念设计，并正着手进行实物制作，完善概念设计中的不足。