基于PLC的光伏阵列自动清洁装置的设计

王秋平，魏 浩，张 淼，张 进，陈志强

WANG Qiu-ping, WEI Hao, ZHANG Miao, ZHANG Jin, CHEN Zhi-qiang

（东北电力大学，吉林 132000）

0 引言

太阳能发电是摆脱对化石燃料的依赖，减少温室气体排放的重要手段之一。2012年7月国家发展和改革委员会印发的《可再生能源发展“十二五”规划》中指出，2020年我国太阳能光伏发电装机规模将达4700万kW[1]。太阳能光伏发电站中将太阳能转化为电能的部件是光伏组件，光伏组件的光电转换效率是衡量光伏组件将太阳能转化为电能的重要指标[2]。通常情况下，当光伏组件上有积灰或者其他不透明物体遮挡时，不仅会降低光伏组件的光电转换效率，而且会致使被遮挡的部分产生局部过热，严重的积灰覆盖还将导致光伏组件烧毁而完全失去光电转化的功能[3～5]。

目前国内外对光伏组件的清洁主要有两种方法，一种是应用于航天领域的高端光伏组件清洁技术，采用电化学方法清理表面附着的灰尘，该方法成本很高不利于推广[6]；另一种方法是人工清洁，使用高空作业工具进行人工清洁，不仅危险系数大，而且维护成本高、效率低。由此可见，太阳能光伏电站中，对于由多个光伏组件串并联组成的大型光伏阵列的清洁依然是一个难题。目前市场上亟需找到一种高效、可靠、性价比高的清洁光伏阵列的解决方案，以提高“绿色能源”转换效率、满足低碳社会经济发展的需要。

本文针对目前清洁光伏阵列存在的难点和问题，根据专利号为ZL 201220087819.2的实用新型专利，设计了一种清洁效果明显、效率高、成本和维护成本低、功能完善、性价比高的光伏阵列自动清洁装置，此装置可实现对光伏阵列的智能清洁，满足光伏阵列维护领域的市场需要。

1 自动清洁装置

目前，国内太阳能光伏电站多建在阳光充足的西北地区[7]，西北地区气候具有光照充足、气候干旱、少雨的特点，但西北多风沙、地理位置偏僻，因此仅由人工对太阳能光伏电站进行清洁的难度大、成本高、周期长。

自动清洁装置根据光伏发电工程的特点，采用柔性传动技术和计算机控制技术相结合的设计方法，实现了机械传动与清洁毛刷的自动控制。其中柔性传动机构的设计，可以适应现场光伏阵列高低不平的情况，并具有清洁毛刷的自动校正功能。计算机控制技术采用PLC控制器，实现了清洁周期、清洁时间、清洁次数以及毛刷自清洁时间的设定。并且系统还具有故障自诊断功能。自动清洁装置具体工作过程如图1所示。

图1 自动清洁装置工作流程图

2 PLC硬件电路设计

为实现自动清洁装置对光伏阵列的自动清洁控制，并保证系统能够稳定工作、具有较强的抗干扰能力，所以选用台达小型集成PLC作为控制器[8]。台达小型集成PLC支持Modbus通讯协议（通信接口：RS-485/RS-422/RS-232）、体积小、性价比高，并且满足需预留出一定量的I/O接口的控制要求。

PLC控制器需完成以下功能：1）电机正向运行控制：当毛刷接触电机启动测限位开关时，PLC控制器控制电机正转；2）电机反向运行控制：清洁毛刷运行到光伏阵列的末端时电机反向运行；3）自动清洁模式控制：自动模式输入信号输入时，PLC控制器控制系统运行自动模式；4）手动清洁模式控制：PLC采集到手动模式输入信号，并控制系统运行手动模式；5）清洁结束控制：PLC控制器根据输入的停止信号，控制系统停止运行。

台达PLC的I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配

3 PLC控制系统软件设计

根据自动清洁装置的设计需求和光伏电站现场环境自动清洁的控制要求，PLC控制系统需对电机运行状态实现自动控制、手动控制以及故障自诊断。PLC控制系主程序流程图如图2所示。

图2 系统主程序流程图

1）定时子程序说明

自动模式要求在设定的定时时间系统启动运行，这里采用PLC自带的万年历指令完成系统定时要求。万年历数据读出指令TRD将万年历现在时间年、星期、月、日、时、分、秒读出至寄存器D0～D6中。然后通过时钟数据比较指令TCMP将设置的定时时间与寄存器D0～D6中存放的时间进行比较。D200、D201、D202分别对应设置时间的“时”、“分”、“秒”，与D4起始的万年历的“时”，“分”、“秒”相比较，其比较结果读出至辅助寄存器M3～M5中。如果万年历现在时间与设定时间一致，则M4为On，否则M4为Off。

2）毛刷滤尘子程序

自动清洁装置启动后，运行毛刷滤尘子程序。清洁毛刷在起始侧往复运行n次后，毛刷滤尘子程序结束，然后开始正向清洁光伏阵列。毛刷滤尘子程序的指令表（STL）程序如下:

3）电机正反转子程序和故障诊断子程序

电机正反转子程序通过寄存在辅助寄存器M31的电机正转状态以及辅助寄存器M32内的电机反转状态，输出电机正反转信号Y0和Y1控制交流电机实现毛刷对光伏阵列的正向清洁和反向清洁。故障诊断子程序用于实现自动清洁装置的故障自诊断功能，寄存器D205和D206中分别存放毛刷正向清洁时间和反向清洁时间，故障状态读出至辅助寄存器M13中，故障诊断程序如下：

图3 A阵列与B阵列的电流测量数据

4 自动清洁装置的清洁试验

为验证设计的光伏阵列自动清洁装置在户外条件下的工作性能以及清洁效果，本文以北京某公司屋顶光伏工程为试验场地，该光伏电站每30个光伏组件通过串并联为一个光伏阵列，其光伏组件由多晶硅太阳能电池片群密封而成，性能参数如下：最大功率为235.0W、短路电流为8.54A、开路电压为37.0V。试验对象为光伏电站中两组相同的光伏阵列，并将其分为试验组A和参照组B。

为测试安装自动清洁装置后，电站光伏阵列的发电量提升情况，将A阵列安装自动清洁装置，并每天定时定次数的对A阵列进行清洁；另一组B阵列放置在自然条件下，不进行任何人工清洗。

通过记录北京冬季2014年11月17～21日每小时测量的光伏阵列在汇流箱内的电流值，计算A阵列相比B阵列的电流提升率，并根据功率公式P=IU（I、U为汇流箱内电流值和电压值）确定A阵列相对B阵列的发电量提升率。由此可判断光伏阵列安装自动清洁装置后，是否可以具有较好的清洁效果。A阵列与B阵列的电流测量数据如图3所示。

从图3中可以发现，光照较充足的时候，A阵列电流值明显高于B阵列的电流值。并且通过发电量提升率计算公式可以得出，A阵列相对B阵列的发电量提升了10%～30%，如果10MW光伏电站每年发电量为1800万度，提高10%，则电站每年可多发电180万度，经济效益可观。因此，根据试验测试结果可以证明，自动清洁装置可满足光伏阵列清洁维护领域的市场需要。

5 结论

本文介绍了基于PLC的控制系统在光伏阵列自动清洁中的应用，包括系统组成、硬件电路设计以及PLC程序设计，PLC自动清洁装置可有效解决目前光伏阵列的清洁难度大和自动化清洁程度低的问题。经过实际试验测试，该装置的机械结构和电机工作稳定可靠，且能有效提升光伏阵列发电效率10%～30%，现在该装置已用于国内西北地区大型太阳能光伏电站的自动清洁。

[1]胡泊,辛颂旭,白建华,张运洲.我国太阳能发电开发及消纳相关问题研究[J].中国电力,2013,46(01):01-06

[2]赵争鸣,雷一,贺凡波,鲁宗相.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化,2011,35(12):101-105

[3]伊纪禄,刘文祥,马洪斌,王晟.太阳电池热斑现象和成因的分析[J].电源技术,2012,36(06):816-818

[4]张宇,白建波,曹阳.积灰对屋顶光伏电站性能的影响[J].可再生能源,2013,31(11):09-12

[5]沈洲,袁晓冬,何礼光,杨伟.光伏阵列表面积灰影响探究[J].电力学报,2013,28(05):397-399.

[6]高凌云.光伏组件除尘新技术[J].现代物理知识,2010,(05):52-52.

[7]肖建华,姚正毅,孙家欢.并网太阳能光伏电站选址研究述评[J].中国沙漠,2011,31(06):1599-1603

[8]刘善增.PLC 控制系统的可靠性设计[J].工业控制计算机,2004,17(07):37-39.