光伏电池板智能清洁系统

李 园，赵 熙，汪贵平

（长安大学 电子与控制工程学院，西安 710064）

太阳能光伏发电作为一种重要的可再生能源方式[1]，越来越得到国际社会的重视。作为我国新能源发展战略的重点，太阳能光伏发电站在国家政策引导和扶持下正在如火如荼地修建[2]。我国太阳能光伏产业的主要集中地区是青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地区[3]，但由于风沙较大，自然条件恶劣，光伏组件经常受到积灰等因素影响，导致发电效率大幅下降，造成了巨大的经济损失。现在主流的清洁方式为人工清洁，清洁的成本比较高[4]。针对上述情况，多家研究机构已经设计出了相应的太阳能电池板清扫装置，来解决光伏组件表面积灰清洁的问题[5]。意大利UEMME公司推出的MANTASOLAR清洁机械，其载体是履带车，操作人员在驾驶车体同时要不停地调整各个操作臂的位姿以清洁工作，这对于操作人员的操作要求太高[6]。新疆电科院与新疆大学联合研制的光伏组件清扫机器人在鄭善光伏电站成功试运行，该机器人采用横向清扫的方式对光伏组件表面的积灰进行无水清扫，采用多段清扫刷交错、紧密结合的结构，清扫效果好，但是其缺少相应的管理方案[7]。综上所述，市面上现有的清洁设备都存在清扫效率较低、清扫效果不理想、环境适应能力差、不能实现完全自动的清扫过程等问题[8]。

针对以上问题，本文设计了一种光伏电池板智能清洁系统。其中移动清洁机器人是一种智能化的光伏电池板清洁装置，提高了光伏发电效率，减少了能源损耗；上位机实现对多台清洁机器人的统一管理；移动设备实时显示清洁信息并可远程控制清洁机器人运行。该系统采用先进的通信技术、数据采集及处理技术、Web技术及APP技术弥补了现有清洁机器的多处不足。

1 系统整体设计

本文所设计的系统包括移动清洁机器人、移动终端（手机APP）以及上位机三部分，其整体设计方案如图1所示。机器人通过采集光照强度信号来识别太阳能板的灰尘度信息，根据污染程度决定是否进行清扫，在清扫过程中机器人通过摄像头采集到光伏电池板的信息，将清扫环境、清洁效果及其自身的电池信息、位置信息通过无线模块发送至显示终端；上位机负责实时监控机器人的电量、清洁进度、故障等信息，将控制信号发送给机器人，远程控制其完成作业；同时将数据传送给移动终端手机APP，可使用手机APP对机器人的状态信息进行实时监控，避免工作人员死守岗位。

图1 系统整体设计方案Fig.1 System overall design scheme

2 清洁机器人设计

2.1 硬件设计

2.1.1 导轨设计

导轨是整个系统的基础，清洁机器人附着于导轨上，根据自身检测和导轨控制清扫路径。它由两横梁和两立梁构成，左右立梁采用现有的钢导轨，并将清扫机构固定在该导轨上，控制器通过对机器人的控制实现清扫机构自动上下移动，不会被导轨固定模式阻拦。本设计采用一块飞思卡尔MC9S12XSDT256作为控制器，用于控制导轨上的步进电机转动，边缘配备有红外检测装置，可以判断机器人清扫的位置，防止机器人触碰到边缘和跌落太阳能光伏电板的的情况发生。同时，通过控制器串口接口连接到组态屏，利用组态屏按键对导轨进行控制以及上位机通过无线方式对控制信息和显示信息的下放，完成人机交互。

2.1.2 清洁机器人设计

清洁机器人是该系统的主要组成部分，也是执行部分，代替操作者去现场完成作业。其运动控制系统硬件平台主要由微控制器、电机驱动电路、传感器、直流电机、监控软件、电源等组成。如图2所示，处于控制系统核心部件的微控制器将输出的控制信号送至直流电机驱动电路，从而完成对上下端行走机器人直流驱动电机转速调节，进而控制机器人行走。直流电机驱动电路由蓄电池供电，小型太阳能光伏电板提供给蓄电池充电；通过网络通讯实现机器人与上位机的连接，最终实现上位机对机器人运行情况的监测与控制。

图2 移动清洁机器人模块图Fig.2 Module diagram of mobile cleaning robot

（1）控制模块

选用飞思卡尔单片机MC9S12XDT256作为主控芯片，通过单片机的PWM脉冲宽度调制实现对电机的控制。为了提高整体控制的精确度，本文选用步进电机控制清扫机器人的整体左右移动，通过主控制器发出PWM脉冲信号控制步进电机的转动进而控制机器人的整体移动；同时在上下清扫过程中，电机驱动控制直流电机带动清扫刷的旋转，从而实现对太阳能光伏电板的清扫，最终实现智能清洁。

（2）通信与显示模块

通信模块选用工业级串口转WiFi模块，将清洁装置上的机器人编号、实时位置、电量以及光伏电板上的污染信息实时传输给后台上位机，操作者通过显示终端能够清楚地看到清洁机器人的信息。采用威纶通组态屏显示清洁机器人信息，组态屏上显示机器人的的清扫进程、以及控制机器人启停、清扫模式等信息，同时可通过屏幕选择清扫模式，达到对太阳能光伏电板不同程度的清洁目的。

（3）清扫模块

通过控制器驱动直流电机实现对光伏电板的清扫。在光伏电板清扫过程中，首先使用两端清扫刷对电板进行初步清扫，当清扫完成以后，通过清洁机器人中间清洁棉模块对太阳能光伏电板进行擦拭，最终完成对太阳能光伏电板的清洁功能。

（4）检测模块

主要由接近开关、光电开关、编码器等构成。单片机控制器通过读取传感器、编码器的状态和数据，实现对清扫机器人的精确控制，使整个清扫机器人运动控制系统更加稳定。红外光电开关对边缘进行检测；红外非接触温度测量传感器测量太阳能光伏电板上的温度，将温度信息通过无线传输传送至上位机；光照传感器将采集到的光照强度数据通过模拟I2C数据接口传送到控制器中，根据无污染情况下采集到的光照强度与发电的电压值进行对比，绘制相应的比例曲线，对比二者在一定的光照强度下的发电量，实现对太阳能光伏电板的自动清扫。为了避开白天情况下清扫太阳能光伏电板对发电量的影响，故将在上位机终端设置特定的时间段进行清洗，有效地避开在不同的时间点上对整个太阳能光伏电板发电量的影响。

（5）电源模块

本设计选取蓄电池作为整个系统的储能模块，微型太阳能光伏发电板作为蓄电池的能量来源。蓄电池有12 V和24 V两种输出电能方式，为整个光伏清洁机器人提供电能。

2.2 软件设计

清洁机器人工作软件流程如图3所示。导轨控制器需要通过传感器采集信息，控制机器人的移动。机器人接收到清洁指令后，首先浸湿清洁棉，然后通过控制各个清洁刷的正反转动与启停，实现对光伏电板的整体清洁。

3 管理系统设计

3.1 系统结构设计

图3 机器人工作软件流程Fig.3 Software flow chart of robot working

WCF是由微软公司推出的一系列支持数据通信的应用程序框架。清洁机器人服务平台的基本架构为C/S架构[10]，并采用基于WCF的面向服务构架（SOA）的开发方式[9，12]。 移动终端即手机 APP，它是在基于Java的可扩展开发平台Eclipse环境下开发完成，通过HTTP接口与后台服务传输JSON数据来实现数据交换[13]。本系统包括数据库、服务端、Windows上位机和Android移动终端四部分，系统服务的用户对象主要是系统管理人员。管理人员使用的是上位机，现场值班人员使用的是移动终端，另外整个系统需要统一的数据处理和存储中心，包括服务端和数据服库。清洁机器人服务平台是多平台、分布式[12]系统，系统总体结构如图4所示。

图4 管理系统总体结构Fig.4 Overall structure of management system

3.2 客户端设计

光伏电池板智能清洁系统可实现接收多台清洁机器人的状态信息，实时监控机器人的位置、故障等信息。通过上位机软件设定清扫时间、选择清扫模式等，同时根据现场机器人的清扫状态远程控制清洁机器人完成作业；通过手机APP进行实时监控。上位机主要实现的功能有：

（1）机器人编号、型号、位置信息的录入、修改以及删除；

（2）显示所有机器人的总体状态，如在役、工作以及故障机器人的数目，查询具体机器人状态信息，显示其工作模式、清扫进程、机器人故障、以及各个模块信息；

（3）远程操控机器人如清扫预约等；

（4）机器人清扫历史查询如清扫日期、清扫开始以及结束时间和清扫所耗时等。

4 系统测试

为了验证系统的可行性，搭建了验证性实验平台并进行测试。清洁机器人如图5所示，能够实现对光伏电池板的清洁。如图6所示为上位机设计的人机交互界面，其状态监控界面显示了当前机器人的工作信息。

图5 清洁机器人实物Fig.5 Mobile cleaning robot

图6 人机交互界面Fig.6 Human-computer interactive interface

手机APP实时监控上位机收到的各种信息，如图7所示为移动清洁机器人当前工作状态显示界面以及查询编号001清洁机器人的清扫历史界面，包括其当时的清扫模式、清扫进程和所用电量等。

图7 移动终端显示界面Fig.7 Displaying interface of mobile terminal

经验证可知，该机器人能有效完成对光伏组件表面的清洁，管理系统能够实时记录机器人的清洁数据并实现对机器人的远程操控。

5 结语

通过分析市面上光伏组件清洁装置的不足，本文设计了一种光伏电池板智能清洁系统。该系统既实现了对光伏组件的智能清洁，同时管理系统记录了机器人清洁历史，并完成无人值守和多台机器人的人机交互，从根本上改善了工作人员的工作环境，降低了光伏电站的运营成本，为新能源的发展奠定了坚实的基础。