段春艷，馮澤君，連佳生，賴華景，辛少權(quán)，李 穎

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院 新能源工程系，廣東 佛山 528131）

0 引 言

根據(jù)國際能源署和國家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國已連續(xù)5年成為全球新增裝機(jī)量第一的國家。隨著光伏電站安裝量的大幅增加，光伏電站運(yùn)維問題凸顯。

受環(huán)境因素影響，光伏電站長期在戶外工作，組件表面易出現(xiàn)積灰，影響接收到的太陽輻射量，且組件易受樹葉、鳥糞等的遮擋而產(chǎn)生局部熱斑效應(yīng)。熱斑位置需專業(yè)的檢測儀檢測，運(yùn)維困難。目前，光伏電站多為人工運(yùn)維，清掃效率低，耗水量較大，尤其是西部地區(qū)，大型光伏電站較多，長期頻繁清洗和用水不便導(dǎo)致運(yùn)維成本較高。

智能化運(yùn)維提上日程。機(jī)器人是應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，如采用光伏電源供電的機(jī)器人[1]、面向綠色建筑光伏裝置的清潔機(jī)器人[2]、全液壓驅(qū)動(dòng)光伏板清掃機(jī)器人仿真[3]、日本Mirnikikai公司開發(fā)的機(jī)器人及以色列的太陽能電池板清理系統(tǒng)的EcoppiaE4機(jī)器人[4]等。國內(nèi)市場智能運(yùn)維產(chǎn)品的智能化清潔機(jī)器人只能達(dá)到普通的清潔效果，且成本較高，沒有得到大面積的推廣應(yīng)用。目前，市場上的清掃機(jī)器人未熱斑檢測功能，常用無人機(jī)搭載紅外熱攝像頭進(jìn)行熱斑拍攝，或者人工手持紅外熱成像儀進(jìn)行熱斑檢測。這均需專業(yè)人員現(xiàn)場勘測，不能遠(yuǎn)程監(jiān)控，不適合大面積光伏電站的運(yùn)維。

本文設(shè)計(jì)制作了一款具有自動(dòng)清掃、自動(dòng)熱斑檢測及安全巡檢功能的光伏電站運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了其機(jī)械結(jié)構(gòu)部件和功能實(shí)現(xiàn)模塊。

1 光伏電站運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本運(yùn)維機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由清掃運(yùn)行模塊和紅外熱成像、實(shí)景檢測裝置結(jié)構(gòu)組成。

1.1 清掃運(yùn)行模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清掃運(yùn)行模塊由行走裝置和清掃裝置組成。行走裝置控制機(jī)器人沿著光伏組件向前行走，清掃裝置則在行走中清掃組件灰塵。

行走裝置由57HS22步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪軸承、驅(qū)動(dòng)輪軸承座、同步輪組、傳動(dòng)帶及接近開關(guān)組成，如圖1所示。行走裝置的動(dòng)力由57HS22兩相步進(jìn)電機(jī)提供。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力輸出軸與MXL20同步皮帶輪連接，動(dòng)力從MXL20同步皮帶輪通過皮帶傳送到MXL48同步皮帶輪。MXL48同步皮帶輪和主動(dòng)輪固定在8 mm的不銹鋼軸上，從而將動(dòng)力傳送到驅(qū)動(dòng)輪上。8 mm不銹鋼軸的兩端固定在628/8軸承上，軸承通過軸承座固定在2020鋁型材上，采用M5螺栓連接。從動(dòng)輪通過8M螺栓與2020鋁型材連接。

圖1 機(jī)器人行走裝置結(jié)構(gòu)示意圖

西門子S7-200 224XP PLC可編程控制器通過Q0.0輸出口對(duì)雷賽DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行命令控制。DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出命令到雷賽57HS22兩相步進(jìn)電機(jī)，再通過同步輪組、傳動(dòng)帶的傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪開始運(yùn)動(dòng)，而從動(dòng)輪通過支架安裝于機(jī)器人側(cè)面，卡住光伏組件邊框兩側(cè)，防止機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)脫落。當(dāng)接近開關(guān)碰到停機(jī)位擋板時(shí)，將信息反饋至西門子S7-200 224XP PLC可編程控制器。西門子S7-200 224XP PLC可編程控制器輸出停止命令或反轉(zhuǎn)命令至雷賽DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

清掃裝置由螺旋毛刷及其配套部件組成，主要包括57HS30步進(jìn)電機(jī)、螺旋毛刷、毛刷軸承座、減速輪組及傳送帶，如圖2所示。毛刷全長1 799.8 mm，直徑90 mm，毛長25 mm，采用尼龍材料，既可達(dá)到清潔效果又不易損失組件。毛刷安裝在運(yùn)維機(jī)器人的前端，通過6002軸承座固定在鋁型材上。由雷賽57HS30兩相步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，動(dòng)力經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)上的MXL48同步輪帶動(dòng)皮帶，而皮帶帶動(dòng)毛刷上的MXL20同步輪，從而驅(qū)動(dòng)毛刷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清潔。本結(jié)構(gòu)中，毛刷的同步輪與毛刷電機(jī)的同步輪比值是2.4∶1，以達(dá)到減速的效果。

圖2 機(jī)器人清掃裝置結(jié)構(gòu)示意圖

西門子S7-200 224XP PLC可編程控制器通過Q0.0輸出口對(duì)雷賽DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行脈沖輸出控制，通過將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端口并聯(lián)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，然后DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器再輸出命令至雷賽57HS22兩相步進(jìn)電機(jī)。減速輪組和傳送帶的傳動(dòng)可驅(qū)動(dòng)螺旋毛刷滾動(dòng)。毛刷的清掃滾動(dòng)方向與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)方向相反，使得驅(qū)動(dòng)螺旋清掃出來的灰塵和垃圾都堆積在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的前方。當(dāng)機(jī)器人清掃至每一排尾端時(shí)，灰塵和垃圾將從組件陣列尾端掉落。

考慮到機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的軸承座、毛刷的軸承座、關(guān)鍵部位的螺栓進(jìn)行選型計(jì)算，主要針對(duì)零件的工況（震動(dòng)、沖擊、高溫、低溫、高速、低速）進(jìn)行選型計(jì)算。同時(shí)，考慮零件尺寸的限制，提高機(jī)器人的使用壽命。

1.2 紅外熱成像、實(shí)景監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本運(yùn)維機(jī)器人將FLIR Lepton V1.3 Thermal Camera與RMONCAM G600實(shí)景攝像頭結(jié)合組成紅外熱成像、實(shí)景監(jiān)測裝置，如圖3所示，通過鋁型材擺桿、減速箱、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及拍攝減震平臺(tái)共同配合完成工作。直流電機(jī)經(jīng)過減速箱進(jìn)行扭矩放大，驅(qū)動(dòng)擺桿運(yùn)動(dòng)，擺桿運(yùn)動(dòng)范圍在180°以內(nèi)，通過角度傳感器進(jìn)行信息反饋。紅外熱成像、實(shí)景檢測裝置在未工作時(shí)回收到機(jī)器人本體，工作時(shí)通過擺動(dòng)回到適合拍攝的角度。紅外熱成像用于監(jiān)測、分析光伏組件的熱斑效應(yīng)。

通過拍攝減震平臺(tái)穩(wěn)定FLIR Lepton V1.3 Thermal Camera與RMONCAM G600實(shí)景攝像頭，減小震蕩幅度和圖像處理算法的難度，使圖像處理更精準(zhǔn)，熱斑檢測更高效。

圖3 紅外熱成像、實(shí)景檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 光伏電站運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)控制功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 清掃功能模塊設(shè)計(jì)

目前，光伏組件前蓋玻璃的自清潔能力較弱。因此，及時(shí)清掃光伏組件能有效提高光伏電站的發(fā)電量。在區(qū)域后臺(tái)管理中心設(shè)定清掃時(shí)間（系統(tǒng)默認(rèn)每天6：00為數(shù)據(jù)更新時(shí)間，為不影響光伏電站發(fā)電效率，清掃時(shí)間一般設(shè)定在18：00-次日6：00），區(qū)域后臺(tái)管理中心在設(shè)定的時(shí)間發(fā)出清掃指令到運(yùn)維機(jī)器人。運(yùn)維機(jī)器人搭載的Fire fl y-RK3399開發(fā)板根據(jù)當(dāng)日數(shù)據(jù)，判斷是否啟動(dòng)過雨天清潔，若沒有則開始執(zhí)行清掃任務(wù)，否則結(jié)束任務(wù)執(zhí)行，如圖4所示。日常工作中，若艾飛星創(chuàng)電容式雨量傳感器檢測到當(dāng)前雨量大于10 mm，F(xiàn)ire fl y-RK3399開發(fā)板將執(zhí)行雨天清潔任務(wù)，否則結(jié)束任務(wù)執(zhí)行。

2.2 熱斑檢測與實(shí)景畫面采集功能模塊設(shè)計(jì)

光伏組件的熱斑檢測需要使用的輻射源是穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或者自然光源，且其輻射強(qiáng)度不低于700 W/m2。本運(yùn)維機(jī)器人通過太陽能輻射強(qiáng)度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境自然光源的輻射強(qiáng)度。為采集到更清晰的熱斑圖像，在Fire fl y-RK3399開發(fā)板的LINUX系統(tǒng)中設(shè)置太陽能輻射強(qiáng)度閾值為900 W/m2。當(dāng)前環(huán)境自然光源的輻射強(qiáng)度超過閾值，F(xiàn)ire fl y-RK3399開發(fā)板會(huì)向區(qū)域后臺(tái)管理中心發(fā)送“建議開啟熱斑檢測信號(hào)”的信息，然后由后臺(tái)運(yùn)維管理人員確定是否開啟熱斑檢測。

當(dāng)運(yùn)維管理人員開啟熱斑檢測命令時(shí)，F(xiàn)ire fl y-RK3399開發(fā)板接收到命令，驅(qū)動(dòng)行走裝置工作，同時(shí)打開FLIR Lepton V1.3 Thermal Camera紅外熱成像攝像頭和RMONCAM G600實(shí)景攝像頭。FLIR Lepton V1.3 Thermal Camera采集紅外熱成像照片，RMONCAM G600實(shí)景攝像頭采集實(shí)景圖像，并將圖像傳輸?shù)綑C(jī)載Fire fl y-RK3399，如圖5所示。后臺(tái)通過提取相應(yīng)圖像的特征點(diǎn)，識(shí)別組件是否存在熱斑現(xiàn)象。當(dāng)組件存在熱斑時(shí)，RMONCAM G600實(shí)景攝像頭拍攝組件實(shí)景畫面。Fire fl y-RK3399開發(fā)板將熱斑圖像與實(shí)景畫面?zhèn)鬏斨梁笈_(tái)管理中心。后臺(tái)運(yùn)維管理人員根據(jù)圖像判斷組件的熱斑程度，通過實(shí)景畫面判斷產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的原因，并確定問題組件的位置。

圖4 運(yùn)維機(jī)器人執(zhí)行清掃任務(wù)流程圖

2.3 運(yùn)維機(jī)器人安全巡檢功能實(shí)現(xiàn)

大型地面光伏電站一般建設(shè)在人煙稀少、環(huán)境惡劣的地區(qū)，運(yùn)維管理困難。可視化監(jiān)控系統(tǒng)的搭建，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的光伏電站十分必要。本文在運(yùn)維機(jī)器人上搭載了RMONCAM G600 實(shí)景攝像頭。當(dāng)光伏電站需要安全巡檢時(shí)，后臺(tái)管理人員可派出運(yùn)維機(jī)器人啟動(dòng)可視化監(jiān)控功能，通過調(diào)控RMONCAM G600實(shí)景攝像頭觀看光伏電站實(shí)景畫面，如圖6所示。

圖5 組件熱斑識(shí)別流程圖

圖6 安全巡檢管理后臺(tái)顯示實(shí)景畫面

3 光伏電站運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用

在佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)b樓頂搭載一套單晶PERC高效太陽能組件發(fā)電量對(duì)比測試平臺(tái)，如圖7所示。選擇兩塊型號(hào)、批次相同的全新PERC組件，比較利用智能運(yùn)維機(jī)器人日清掃一次與不清掃情況下兩塊組件的發(fā)電量差異。

先采集兩塊PERC組件在相同環(huán)境下都不清洗的發(fā)電數(shù)據(jù)，以保證本試驗(yàn)的真實(shí)性。調(diào)整運(yùn)維機(jī)器人任務(wù)程序，使其每日清掃3號(hào)組件，而2號(hào)組件不清掃用作對(duì)比。采集18天的發(fā)電量數(shù)據(jù)，通過分析可更直觀地看出光伏組件日清掃一次提升的發(fā)電量。表1給出光伏組件是否清掃對(duì)發(fā)電量數(shù)據(jù)影響的對(duì)比數(shù)據(jù)，可知清掃后發(fā)電量提升明顯。圖8為工作中的運(yùn)維機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)中采集的熱斑檢測照片。需要說明的是，提升率是指對(duì)比提升的發(fā)電量與未清掃組件發(fā)電量的比值。

圖7 光伏組件發(fā)電量測試對(duì)比平臺(tái)

圖8 工作中的運(yùn)維機(jī)器人及熱斑采集圖片示例

表1 光伏組件是否清掃對(duì)發(fā)電量數(shù)據(jù)影響的對(duì)比數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款具有自動(dòng)清掃、自動(dòng)熱斑檢測及安全巡檢功能的光伏電站運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件和功能實(shí)現(xiàn)模塊，搭建了戶外運(yùn)行檢測平臺(tái)。通過比較清掃與不清掃組件的發(fā)電量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)電量提升明顯，且運(yùn)維機(jī)器人在運(yùn)行中能自動(dòng)檢測和收集光伏組件紅外熱成像照片來判斷和分析熱斑效應(yīng)，可為智能化光伏電站運(yùn)維提供支持。