高國慶，高 源

(1. 寧夏理工學(xué)院，石嘴山 753000；2.寧夏大學(xué)，銀川 750004)

0 引言

近幾年，中國分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。根據(jù)國家能源局公布的最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果，截至2021年底，中國光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量為30598.7萬kW，其中分布式光伏發(fā)電的累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量為10750.8萬kW[1]，同比增長48.75%。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常安裝在建筑物屋頂、農(nóng)業(yè)大棚棚頂、車棚棚頂?shù)任恢?，此類光伏電站可稱為屋頂類分布式光伏電站，其所發(fā)電力不僅可以自發(fā)自用，還可以余電上網(wǎng)。光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，空氣中的灰塵顆粒和污染物等沉降在光伏組件表面會(huì)遮擋太陽輻射，直接影響光伏組件的輸出功率。若長時(shí)間不清潔，將會(huì)大幅降低光伏組件發(fā)電量，不僅不能滿足電網(wǎng)的要求，還會(huì)降低太陽能利用率[2]。而屋頂類分布式光伏電站的類型多樣、規(guī)模不同，光伏陣列的排布方式千差萬別，限制了智能清洗機(jī)器人在實(shí)際屋頂類分布式光伏電站中的應(yīng)用。

目前，相對(duì)于大型無人機(jī)在農(nóng)林植保、光伏電站巡檢等方面的廣泛研究，無人機(jī)在清洗方面的研究有待進(jìn)一步深入。因此，本文針對(duì)多旋翼清洗無人機(jī)清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)可用于屋頂類分布式光伏電站光伏組件清洗作業(yè)的多旋翼清洗無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)此類清洗無人機(jī)的應(yīng)用案例進(jìn)行列舉與前景展望。

1 多旋翼清洗無人機(jī)清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀

多旋翼無人機(jī)是指至少有3個(gè)旋翼軸的無人駕駛飛行器，適合執(zhí)行低空飛行、低速飛行、垂直起降或懸停等任務(wù)時(shí)使用，其結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架機(jī)身、動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)這5部分組成，如圖1所示。其中，動(dòng)力系統(tǒng)由多個(gè)旋翼及軸組成，輔助系統(tǒng)主要搭載各種裝備。

圖1 多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural schematic diagram of multi rotor UAV

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)字傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)和高性能碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、警用執(zhí)法、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、森林防火及影視航拍等民用領(lǐng)域[3]。由于多旋翼無人機(jī)具有起飛降落靈活、不受地域限制、空中可懸停、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等特點(diǎn)，在電力巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，采用無人機(jī)技術(shù)搭載紅外熱成像儀進(jìn)行空中巡檢可極大提高光伏電站巡檢的效率和質(zhì)量[4]。近年來，一些機(jī)構(gòu)和科研人員基于多旋翼無人機(jī)技術(shù)搭載清洗工具(即“多旋翼清洗無人機(jī)”)開展了一系列壁面清洗作業(yè)試驗(yàn)研究。

2016年，深圳某科技公司研發(fā)了一款采用8個(gè)旋翼的可清洗玻璃幕墻的多旋翼清洗無人機(jī)，如圖2所示。

圖2 深圳某科技公司研發(fā)的多旋翼清洗無人機(jī)Fig. 2 Multi rotor cleaning UAV developed by a technology company in Shenzhen

該清洗無人機(jī)是在普通的四旋翼無人機(jī)的機(jī)架上，又安裝了4個(gè)側(cè)向旋翼，構(gòu)成正方體。在8個(gè)旋翼驅(qū)動(dòng)下，該清洗無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了任意位置懸?；蜓啬粔瑒?dòng)；其以地面系留的方式保證長時(shí)間續(xù)航安全。該清洗無人機(jī)采用接觸式高壓清洗設(shè)備，簡化了清洗步驟，與人工清洗相比，效率提高10倍以上。

2018年，拉脫維亞的Aerones公司設(shè)計(jì)制造了一款能完成高空清洗作業(yè)的采用36個(gè)旋翼的多旋翼清洗無人機(jī)，該清洗無人機(jī)既可以對(duì)玻璃外墻進(jìn)行清洗，又能進(jìn)行除冰作業(yè)，如圖3所示。

圖3 Aerones公司研發(fā)的多旋翼清洗無人機(jī)Fig. 3 Multi rotor cleaning UAV developed by Aerones company

該清洗無人機(jī)寬度為3 m，重量為55 kg，負(fù)載力可達(dá)到145 kg，使用系留方式從地面給無人機(jī)供電，為進(jìn)行清洗作業(yè)機(jī)身還配備了高清攝像頭及清洗用的海綿。即使加上水的自身重量和在水噴射過程中的后坐力，該清洗無人機(jī)仍能在空中穩(wěn)定飛行。通過對(duì)玻璃幕墻、風(fēng)電機(jī)組塔筒及葉片的清洗實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其清洗效率比人工清洗方式高20倍，而且更加安全。

2019年，據(jù)美國科技類博客TechCrunch報(bào)道，位于北卡羅來納州(North Carolina)的新創(chuàng)公司Lucid推出了一款多旋翼清洗無人機(jī)，如圖4所示。不像傳統(tǒng)的采用高壓水柱清洗墻面的方式，該清洗無人機(jī)是以噴灑可生物分解的清潔劑來清潔磚墻、石灰?guī)r等建材表面。Lucid公司研發(fā)的清洗無人機(jī)目前最高可以清洗10～12層樓的建筑。

圖4 Lucid公司研發(fā)的多旋翼清洗無人機(jī)Fig. 4 Multi rotor cleaning UAV developed by Lucid company

李蕾[5]設(shè)計(jì)了一種可清洗壁面的采用4個(gè)旋翼的無人機(jī)結(jié)構(gòu)和控制算法，并進(jìn)行了實(shí)際試飛和清洗測試，結(jié)果表明：該清洗無人機(jī)飛行穩(wěn)定且能根據(jù)指令完成擦洗工作。

鄧琳翔等[6]設(shè)計(jì)出一款可清洗小高層建筑外墻及玻璃的多旋翼清洗無人機(jī)并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明：該清洗無人機(jī)的穩(wěn)定性和清潔功能基本滿足設(shè)計(jì)要求。

衛(wèi)芃毅[7]提出使用無人機(jī)搭載圖像設(shè)備和清潔裝置對(duì)光伏組件進(jìn)行清洗，基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測算法，識(shí)別光伏組件末端目標(biāo)并控制無人機(jī)精確定位，解決了無人機(jī)自身全球定位系統(tǒng)(GPS)定位誤差較大、定位不精準(zhǔn)的關(guān)鍵問題。通過實(shí)驗(yàn)證明，該無人機(jī)完成了光伏組件識(shí)別與光伏組件清洗任務(wù)。

從以上研究和實(shí)驗(yàn)可以看出，經(jīng)過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和控制算法后，多旋翼清洗無人機(jī)在建筑外墻、風(fēng)電機(jī)組塔筒和葉片表面、光伏組件表面等壁面的清洗作業(yè)中，穩(wěn)定性、可靠性和清潔功能均能滿足設(shè)計(jì)要求，即采用搭載相應(yīng)清洗裝備的智能無人機(jī)完成目標(biāo)光伏組件的識(shí)別及清洗任務(wù)是現(xiàn)實(shí)可行的。

2 多旋翼清洗無人機(jī)在屋頂類分布式光伏電站應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

光伏組件的清洗工作是光伏電站日常維護(hù)工作的重要任務(wù)，若不及時(shí)清洗光伏組件表面的灰塵等沉積物，一方面會(huì)降低光伏電站的發(fā)電效率，另一方面也會(huì)造成嚴(yán)重的熱斑效應(yīng)，對(duì)太陽電池造成無法挽回的嚴(yán)重?fù)p失。

目前，無人機(jī)搭載紅外熱成像儀和可見光成像設(shè)備，基于人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光伏組件的熱斑檢測、表面積灰檢測、裂損檢測、表面遮擋物檢測等功能。利用多旋翼清洗無人機(jī)開展屋頂類分布式光伏電站的日常維護(hù)工作，能有效解決此類光伏電站光伏組件的清洗難題，明顯降低勞動(dòng)力成本和物料消耗，杜絕人工登高作業(yè)引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，極大提升清洗效率和清洗質(zhì)量，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

應(yīng)用多旋翼清洗無人機(jī)實(shí)現(xiàn)光伏組件的清洗工作，除了需配備三軸飛控系統(tǒng)和采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK)的高精度定位系統(tǒng)外，還應(yīng)具備目標(biāo)圖像識(shí)別與精準(zhǔn)定位技術(shù)、清洗裝置的遙控與調(diào)整技術(shù)、飛行姿態(tài)調(diào)整與平衡技術(shù)，以及飛行路徑自動(dòng)規(guī)劃和避障技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 目標(biāo)圖像識(shí)別與精準(zhǔn)定位技術(shù)

由于大多數(shù)屋頂類分布式光伏電站中光伏陣列的布置排列方式比較復(fù)雜，這給多旋翼清洗無人機(jī)的清洗作業(yè)帶來一定的挑戰(zhàn)，要求其應(yīng)具備目標(biāo)圖像識(shí)別與精準(zhǔn)定位技術(shù)。基于機(jī)器視覺技術(shù)，多旋翼清洗無人機(jī)應(yīng)能夠精確識(shí)別光伏組件邊框位置、光伏組件安裝傾角、光伏陣列排布方式等信息，將拍攝的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后輸入到多旋翼清洗無人機(jī)的飛控系統(tǒng)中，控制無人機(jī)精準(zhǔn)定位在需要清洗的光伏陣列起始端位置，以便于開展光伏組件的清洗工作。清洗完一排光伏陣列的組件后，多旋翼清洗無人機(jī)自動(dòng)飛行并定位到下一排光伏陣列的起始端，重新啟動(dòng)清洗作業(yè)；如此直至完成整個(gè)屋頂類分布式光伏電站的清洗工作。

2.2 清洗裝置的遙控與調(diào)整技術(shù)

不同于專門用于巡檢測試的無人機(jī)，多旋翼清洗無人機(jī)需要在智能無人機(jī)的輔助系統(tǒng)中增加高壓氣瓶、儲(chǔ)水容器、距離傳感器、噴射裝置、清洗裝置及控制電路等部分。影響清洗效果的因素有噴射管路布置位置、噴嘴形狀、噴嘴個(gè)數(shù)、噴射角度、噴射距離、清洗裝置結(jié)構(gòu)、清洗裝置作用在目標(biāo)光伏組件上的壓力等。

在多旋翼清洗無人機(jī)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，通過控制合適的噴射距離，遠(yuǎn)程啟動(dòng)噴射角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，與光伏組件表面呈適當(dāng)?shù)慕嵌?，使用高壓射流沖洗光伏組件表面，積灰和遮擋物就會(huì)在水流的作用下脫離光伏組件表面；然后遠(yuǎn)程啟動(dòng)清洗裝置，使清洗裝置接觸光伏組件表面，通過調(diào)整合適的接觸壓力，對(duì)光伏組件表面進(jìn)行擦洗，徹底清除光伏組件表面的積灰，從而增強(qiáng)清潔效果和清潔質(zhì)量。

2.3 飛行姿態(tài)調(diào)整與平衡技術(shù)

將多旋翼清洗無人機(jī)應(yīng)用于光伏組件的清洗作業(yè)時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)噴射裝置和清洗裝置時(shí)，清洗無人機(jī)都要受到反作用力的沖擊，會(huì)對(duì)飛行穩(wěn)定性造成一定的影響，導(dǎo)致清洗效果下降。因此，要求清洗無人機(jī)具有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，考慮到清洗裝置驅(qū)動(dòng)時(shí)的回沖力和陣風(fēng)等干擾因素，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)調(diào)整飛行姿態(tài)并保持動(dòng)態(tài)平衡的控制策略。

2.4 飛行路徑自動(dòng)規(guī)劃和避障技術(shù)

屋頂類分布式光伏電站分布區(qū)域廣、光伏組件安裝形式多樣，在進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，要求多旋翼清洗無人機(jī)應(yīng)能根據(jù)光伏陣列排布方式，自動(dòng)規(guī)劃飛行路徑，優(yōu)化清洗線路，主動(dòng)避讓障礙物。多旋翼清洗無人機(jī)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，分步驟作業(yè)，先進(jìn)行偵查，空載圍繞需要清洗的光伏電站飛行一圈，對(duì)光伏組件位置、特殊障礙物等進(jìn)行空中圖像掃描，分辨光伏陣列的位置、光伏組件安裝傾角、光伏陣列數(shù)量，識(shí)別障礙物，建立圖像模型并將數(shù)字信息傳遞給飛控系統(tǒng)；然后裝載清洗液起飛，根據(jù)事先偵查確定的光伏組件位置，引導(dǎo)清洗無人機(jī)進(jìn)行清潔作業(yè)，從而避免重復(fù)作業(yè)，提高作業(yè)效率。

3 多旋翼清洗無人機(jī)在屋頂類分布式光伏電站的應(yīng)用實(shí)踐及展望

3.1 應(yīng)用實(shí)踐

經(jīng)過對(duì)某型號(hào)四旋翼無人機(jī)進(jìn)行改裝，使其成為清洗無人機(jī)。該清洗無人機(jī)自重為22 kg，掛載22 L的水箱，滿載巡航時(shí)間為25 min，巡航時(shí)速為5～8 m/s，4組壓力噴頭對(duì)稱安裝在其中2個(gè)旋翼槳葉的下部，射流控制壓力為2 MPa。

2022年2月，應(yīng)用該清洗無人機(jī)對(duì)1#企業(yè)廠區(qū)光伏車棚上的光伏組件進(jìn)行清洗試驗(yàn)，清洗現(xiàn)場如圖5所示。

該光伏車棚的裝機(jī)容量約為30 kW，光伏組件位于車棚頂部，距離地面2.6 m左右，使用人工清洗較為困難。清洗前，光伏組件表面已完全被灰塵覆蓋，呈現(xiàn)灰白色。清洗時(shí)間為10 min，清洗步驟分為兩步，第1步是先噴撒清潔劑，第2步采用加壓后的清水沖洗。清洗后光伏車棚頂部的光伏組件積灰全部被清除掉，光伏組件表面露出本來的藍(lán)黑色，但部分區(qū)域也存在因環(huán)境溫度低造成的凝結(jié)顆粒物，分析認(rèn)為是廠區(qū)內(nèi)漂浮的氧化鋁顆粒沉積物。清洗結(jié)束1周后測得的光伏車棚發(fā)電量與清洗前時(shí)相比，約有2%的提升。

2#企業(yè)廠區(qū)在車棚頂部總共安裝有50 kW的光伏組件，分布在5個(gè)區(qū)域。2022年4月，應(yīng)用多旋翼清洗無人機(jī)對(duì)車棚頂部的光伏組件進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間約為20 min，作業(yè)步驟與1#企業(yè)光伏車棚的相同。清洗后光伏組件與未清洗光伏組件的外觀對(duì)比效果非常明顯，如圖6所示。

對(duì)上述兩個(gè)企業(yè)1年內(nèi)的光伏組件清洗記錄進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，1架多旋翼清洗無人機(jī)一天至少可以完成1 MW屋頂類分布式光伏電站的清洗任務(wù)，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，成本僅是人工清洗的1/3左右，除塵率超過90%，清洗效果受到業(yè)主好評(píng)。

3.2 前景展望

應(yīng)用多旋翼清洗無人機(jī)技術(shù)，是解決屋頂類分布式光伏電站運(yùn)維難題的有效手段。與人工清洗作業(yè)和應(yīng)用智能機(jī)器人清洗作業(yè)相比，多旋翼清洗無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性好、轉(zhuǎn)場方便、對(duì)不同類型光伏電站的適應(yīng)性強(qiáng)、省時(shí)省力、清洗效率和清洗質(zhì)量高的優(yōu)勢，特別是較好地解決了人工清洗需登高作業(yè)帶來的安全問題和智能機(jī)器人跨陣列清洗帶來的成本增加問題。目前，無人機(jī)在電力巡檢領(lǐng)域得到了認(rèn)可和大力推廣，隨著智能無人機(jī)目標(biāo)識(shí)別與精準(zhǔn)定位技術(shù)、清洗裝置遙控與調(diào)整技術(shù)、飛行姿態(tài)調(diào)整與平衡技術(shù)、飛行路徑自動(dòng)規(guī)劃和避障技術(shù)、續(xù)航能力等的發(fā)展和突破，多旋翼清洗無人機(jī)在屋頂類分布式光伏電站的應(yīng)用前景將會(huì)越來越廣泛。

4 結(jié)論

本文對(duì)多旋翼清洗無人機(jī)清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，研究了可用于屋頂類分布式光伏電站光伏組件清洗作業(yè)的多旋翼清洗無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)此類清洗無人機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了列舉與前景展望。研究結(jié)果顯示：對(duì)于1 MW屋頂類分布式光伏電站的清洗任務(wù)，多旋翼清洗無人機(jī)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，成本僅是人工清洗的1/3左右，除塵率超過90%。以期該研究可解決此類光伏電站運(yùn)維管理中存在的人工作業(yè)效率低、光伏組件清洗不易等問題，為屋頂類分布式光伏電站的專業(yè)化、精細(xì)化運(yùn)維提供一種新的技術(shù)方案。