多旋翼清洗无人机在屋顶类分布式光伏电站的应用研究

高国庆，高 源

(1. 宁夏理工学院，石嘴山 753000；2.宁夏大学，银川 750004)

0 引言

近几年，中国分布式光伏发电的应用呈现出快速增长的趋势。根据国家能源局公布的最新统计结果，截至2021年底，中国光伏发电累计并网装机容量为30598.7万kW，其中分布式光伏发电的累计并网装机容量为10750.8万kW[1]，同比增长48.75%。

分布式光伏发电系统通常安装在建筑物屋顶、农业大棚棚顶、车棚棚顶等位置，此类光伏电站可称为屋顶类分布式光伏电站，其所发电力不仅可以自发自用，还可以余电上网。光伏组件是光伏发电系统的核心部件，空气中的灰尘颗粒和污染物等沉降在光伏组件表面会遮挡太阳辐射，直接影响光伏组件的输出功率。若长时间不清洁，将会大幅降低光伏组件发电量，不仅不能满足电网的要求，还会降低太阳能利用率[2]。而屋顶类分布式光伏电站的类型多样、规模不同，光伏阵列的排布方式千差万别，限制了智能清洗机器人在实际屋顶类分布式光伏电站中的应用。

目前，相对于大型无人机在农林植保、光伏电站巡检等方面的广泛研究，无人机在清洗方面的研究有待进一步深入。因此，本文针对多旋翼清洗无人机清洗技术的研究现状进行分析，对可用于屋顶类分布式光伏电站光伏组件清洗作业的多旋翼清洗无人机的关键技术进行研究，并对此类清洗无人机的应用案例进行列举与前景展望。

1 多旋翼清洗无人机清洗技术的研究现状

多旋翼无人机是指至少有3个旋翼轴的无人驾驶飞行器，适合执行低空飞行、低速飞行、垂直起降或悬停等任务时使用，其结构主要由机架机身、动力系统、飞控系统、遥控系统、辅助系统这5部分组成，如图1所示。其中，动力系统由多个旋翼及轴组成，辅助系统主要搭载各种装备。

图1 多旋翼无人机的结构示意图Fig. 1 Structural schematic diagram of multi rotor UAV

随着卫星导航定位技术、无线通信技术、数字传感技术、智能控制技术和高性能碳纤维复合材料技术的发展，无人机技术的应用领域已经拓展到农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火及影视航拍等民用领域[3]。由于多旋翼无人机具有起飞降落灵活、不受地域限制、空中可悬停、结构简单、操作灵活等特点，在电力巡检领域的应用呈现逐年上升的趋势，采用无人机技术搭载红外热成像仪进行空中巡检可极大提高光伏电站巡检的效率和质量[4]。近年来，一些机构和科研人员基于多旋翼无人机技术搭载清洗工具(即“多旋翼清洗无人机”)开展了一系列壁面清洗作业试验研究。

2016年，深圳某科技公司研发了一款采用8个旋翼的可清洗玻璃幕墙的多旋翼清洗无人机，如图2所示。

图2 深圳某科技公司研发的多旋翼清洗无人机Fig. 2 Multi rotor cleaning UAV developed by a technology company in Shenzhen

该清洗无人机是在普通的四旋翼无人机的机架上，又安装了4个侧向旋翼，构成正方体。在8个旋翼驱动下，该清洗无人机实现了任意位置悬停或沿幕墙滑动；其以地面系留的方式保证长时间续航安全。该清洗无人机采用接触式高压清洗设备，简化了清洗步骤，与人工清洗相比，效率提高10倍以上。

2018年，拉脱维亚的Aerones公司设计制造了一款能完成高空清洗作业的采用36个旋翼的多旋翼清洗无人机，该清洗无人机既可以对玻璃外墙进行清洗，又能进行除冰作业，如图3所示。

图3 Aerones公司研发的多旋翼清洗无人机Fig. 3 Multi rotor cleaning UAV developed by Aerones company

该清洗无人机宽度为3 m，重量为55 kg，负载力可达到145 kg，使用系留方式从地面给无人机供电，为进行清洗作业机身还配备了高清摄像头及清洗用的海绵。即使加上水的自身重量和在水喷射过程中的后坐力，该清洗无人机仍能在空中稳定飞行。通过对玻璃幕墙、风电机组塔筒及叶片的清洗实验发现，其清洗效率比人工清洗方式高20倍，而且更加安全。

2019年，据美国科技类博客TechCrunch报道，位于北卡罗来纳州(North Carolina)的新创公司Lucid推出了一款多旋翼清洗无人机，如图4所示。不像传统的采用高压水柱清洗墙面的方式，该清洗无人机是以喷洒可生物分解的清洁剂来清洁砖墙、石灰岩等建材表面。Lucid公司研发的清洗无人机目前最高可以清洗10～12层楼的建筑。

图4 Lucid公司研发的多旋翼清洗无人机Fig. 4 Multi rotor cleaning UAV developed by Lucid company

李蕾[5]设计了一种可清洗壁面的采用4个旋翼的无人机结构和控制算法，并进行了实际试飞和清洗测试，结果表明：该清洗无人机飞行稳定且能根据指令完成擦洗工作。

邓琳翔等[6]设计出一款可清洗小高层建筑外墙及玻璃的多旋翼清洗无人机并进行了实际验证，结果表明：该清洗无人机的稳定性和清洁功能基本满足设计要求。

卫芃毅[7]提出使用无人机搭载图像设备和清洁装置对光伏组件进行清洗，基于深度学习目标检测算法，识别光伏组件末端目标并控制无人机精确定位，解决了无人机自身全球定位系统(GPS)定位误差较大、定位不精准的关键问题。通过实验证明，该无人机完成了光伏组件识别与光伏组件清洗任务。

从以上研究和实验可以看出，经过优化结构和控制算法后，多旋翼清洗无人机在建筑外墙、风电机组塔筒和叶片表面、光伏组件表面等壁面的清洗作业中，稳定性、可靠性和清洁功能均能满足设计要求，即采用搭载相应清洗装备的智能无人机完成目标光伏组件的识别及清洗任务是现实可行的。

2 多旋翼清洗无人机在屋顶类分布式光伏电站应用的关键技术

光伏组件的清洗工作是光伏电站日常维护工作的重要任务，若不及时清洗光伏组件表面的灰尘等沉积物，一方面会降低光伏电站的发电效率，另一方面也会造成严重的热斑效应，对太阳电池造成无法挽回的严重损失。

目前，无人机搭载红外热成像仪和可见光成像设备，基于人工智能图像识别技术，可实现光伏组件的热斑检测、表面积灰检测、裂损检测、表面遮挡物检测等功能。利用多旋翼清洗无人机开展屋顶类分布式光伏电站的日常维护工作，能有效解决此类光伏电站光伏组件的清洗难题，明显降低劳动力成本和物料消耗，杜绝人工登高作业引起的安全风险，极大提升清洗效率和清洗质量，综合经济效益显著。

应用多旋翼清洗无人机实现光伏组件的清洗工作，除了需配备三轴飞控系统和采用实时动态载波相位差分技术(RTK)的高精度定位系统外，还应具备目标图像识别与精准定位技术、清洗装置的遥控与调整技术、飞行姿态调整与平衡技术，以及飞行路径自动规划和避障技术等关键技术。

2.1 目标图像识别与精准定位技术

由于大多数屋顶类分布式光伏电站中光伏阵列的布置排列方式比较复杂，这给多旋翼清洗无人机的清洗作业带来一定的挑战，要求其应具备目标图像识别与精准定位技术。基于机器视觉技术，多旋翼清洗无人机应能够精确识别光伏组件边框位置、光伏组件安装倾角、光伏阵列排布方式等信息，将拍摄的图像信号转变为电信号后输入到多旋翼清洗无人机的飞控系统中，控制无人机精准定位在需要清洗的光伏阵列起始端位置，以便于开展光伏组件的清洗工作。清洗完一排光伏阵列的组件后，多旋翼清洗无人机自动飞行并定位到下一排光伏阵列的起始端，重新启动清洗作业；如此直至完成整个屋顶类分布式光伏电站的清洗工作。

2.2 清洗装置的遥控与调整技术

不同于专门用于巡检测试的无人机，多旋翼清洗无人机需要在智能无人机的辅助系统中增加高压气瓶、储水容器、距离传感器、喷射装置、清洗装置及控制电路等部分。影响清洗效果的因素有喷射管路布置位置、喷嘴形状、喷嘴个数、喷射角度、喷射距离、清洗装置结构、清洗装置作用在目标光伏组件上的压力等。

在多旋翼清洗无人机进行清洗作业时，通过控制合适的喷射距离，远程启动喷射角度调整机构，与光伏组件表面呈适当的角度，使用高压射流冲洗光伏组件表面，积灰和遮挡物就会在水流的作用下脱离光伏组件表面；然后远程启动清洗装置，使清洗装置接触光伏组件表面，通过调整合适的接触压力，对光伏组件表面进行擦洗，彻底清除光伏组件表面的积灰，从而增强清洁效果和清洁质量。

2.3 飞行姿态调整与平衡技术

将多旋翼清洗无人机应用于光伏组件的清洗作业时，当驱动喷射装置和清洗装置时，清洗无人机都要受到反作用力的冲击，会对飞行稳定性造成一定的影响，导致清洗效果下降。因此，要求清洗无人机具有稳定的飞行姿态，考虑到清洗装置驱动时的回冲力和阵风等干扰因素，控制系统应具有自动调整飞行姿态并保持动态平衡的控制策略。

2.4 飞行路径自动规划和避障技术

屋顶类分布式光伏电站分布区域广、光伏组件安装形式多样，在进行清洗作业时，要求多旋翼清洗无人机应能根据光伏阵列排布方式，自动规划飞行路径，优化清洗线路，主动避让障碍物。多旋翼清洗无人机进行清洗作业时，分步骤作业，先进行侦查，空载围绕需要清洗的光伏电站飞行一圈，对光伏组件位置、特殊障碍物等进行空中图像扫描，分辨光伏阵列的位置、光伏组件安装倾角、光伏阵列数量，识别障碍物，建立图像模型并将数字信息传递给飞控系统；然后装载清洗液起飞，根据事先侦查确定的光伏组件位置，引导清洗无人机进行清洁作业，从而避免重复作业，提高作业效率。

3 多旋翼清洗无人机在屋顶类分布式光伏电站的应用实践及展望

3.1 应用实践

经过对某型号四旋翼无人机进行改装，使其成为清洗无人机。该清洗无人机自重为22 kg，挂载22 L的水箱，满载巡航时间为25 min，巡航时速为5～8 m/s，4组压力喷头对称安装在其中2个旋翼桨叶的下部，射流控制压力为2 MPa。

2022年2月，应用该清洗无人机对1#企业厂区光伏车棚上的光伏组件进行清洗试验，清洗现场如图5所示。

该光伏车棚的装机容量约为30 kW，光伏组件位于车棚顶部，距离地面2.6 m左右，使用人工清洗较为困难。清洗前，光伏组件表面已完全被灰尘覆盖，呈现灰白色。清洗时间为10 min，清洗步骤分为两步，第1步是先喷撒清洁剂，第2步采用加压后的清水冲洗。清洗后光伏车棚顶部的光伏组件积灰全部被清除掉，光伏组件表面露出本来的蓝黑色，但部分区域也存在因环境温度低造成的凝结颗粒物，分析认为是厂区内漂浮的氧化铝颗粒沉积物。清洗结束1周后测得的光伏车棚发电量与清洗前时相比，约有2%的提升。

2#企业厂区在车棚顶部总共安装有50 kW的光伏组件，分布在5个区域。2022年4月，应用多旋翼清洗无人机对车棚顶部的光伏组件进行清洗，清洗时间约为20 min，作业步骤与1#企业光伏车棚的相同。清洗后光伏组件与未清洗光伏组件的外观对比效果非常明显，如图6所示。

对上述两个企业1年内的光伏组件清洗记录进行粗略统计后发现，1架多旋翼清洗无人机一天至少可以完成1 MW屋顶类分布式光伏电站的清洗任务，清洗效率是人工清洗的40多倍，耗水量只有人工清洗的1/10，成本仅是人工清洗的1/3左右，除尘率超过90%，清洗效果受到业主好评。

3.2 前景展望

应用多旋翼清洗无人机技术，是解决屋顶类分布式光伏电站运维难题的有效手段。与人工清洗作业和应用智能机器人清洗作业相比，多旋翼清洗无人机具有机动性好、转场方便、对不同类型光伏电站的适应性强、省时省力、清洗效率和清洗质量高的优势，特别是较好地解决了人工清洗需登高作业带来的安全问题和智能机器人跨阵列清洗带来的成本增加问题。目前，无人机在电力巡检领域得到了认可和大力推广，随着智能无人机目标识别与精准定位技术、清洗装置遥控与调整技术、飞行姿态调整与平衡技术、飞行路径自动规划和避障技术、续航能力等的发展和突破，多旋翼清洗无人机在屋顶类分布式光伏电站的应用前景将会越来越广泛。

4 结论

本文对多旋翼清洗无人机清洗技术的研究现状进行了分析，研究了可用于屋顶类分布式光伏电站光伏组件清洗作业的多旋翼清洗无人机的关键技术，并对此类清洗无人机的应用进行了列举与前景展望。研究结果显示：对于1 MW屋顶类分布式光伏电站的清洗任务，多旋翼清洗无人机的清洗效率是人工清洗的40多倍，耗水量只有人工清洗的1/10，成本仅是人工清洗的1/3左右，除尘率超过90%。以期该研究可解决此类光伏电站运维管理中存在的人工作业效率低、光伏组件清洗不易等问题，为屋顶类分布式光伏电站的专业化、精细化运维提供一种新的技术方案。