光伏板积灰清洁机器人控制电路设计及仿真

张振海，王辉

（陆军工程大学通信士官学校 重庆 400035）

摘 要：光伏发电受到的关注度越来越高，然而灰尘沉积给光伏产业在运行和维护层面带来了重大挑战。光伏电池板上的灰尘积累可以显著减少电池板的发电量。因此，为了降低灰尘对光伏板发电性能的影响，并针对当今光伏板积灰清洗机器人存在的一些缺陷，设计了一种新型的光伏板积灰清洗机器人控制系统。该控制系统具备了自动化水平高、能够最大程度的清理板上难以擦除的污垢、后期更新和修理比较方便等优势。

关键词：光伏板；稳定性分析；控制系统；自动清洗

1. 引 言

随着传统能源逐渐减少，能源危机问题日益突出。可再生能源由其取之不尽、无限迅速产生等特点，逐步代替传统能源。其中，太阳能作为绿色能源之一，在各领域得到了广泛应用。在实际的使用过程中，光伏板表面上往往会堆积灰尘，甚至形成污垢。日积月累，形成的灰尘污垢会降低光伏板的发电效率，造成光伏电站的经济损失。

光伏电站一般位于相对恶劣的自然环境中，例如沙漠电站还面临着非常严重的缺水问题，进行人工清洁需要大量的水和劳动力，进一步降低成本效益和生态友好性，而且光伏电站中的光伏板数量高达上万块甚至数十万块，即使有充足的水源和设备配备人力，要完成一次全面的人工清洗，工作量也十分巨大。人工清洗光伏板是一件困难的事情，不仅效率低、成本还很昂贵^[1]。所以利用清洁机器人，有效、经济的清扫光伏组件的积灰，对于提高光伏产业的经济效益至关重要。

针对于以上问题，设计了一种新型光伏板积灰清洁机器人的控制系统。机器人采用框架式移动结构，配备独立的电源为系统供电驱动双排滚刷清无水化清洗，有效去除光伏组件表面积灰以提高分布式光伏电站发电效率，降低清洗维护费用以提高其经济性。

2. 系统整体设计

根据该机器人所需实现的功能，为了能够使操纵人员在不同的地方都能够控制机器人的运动与工作，该控制系统的设计将以单片机作为处理芯片，以无线通信的方式建立与上位机的联系，接收上位机下发的指令之后，存储回传数据^[2]。根据其指令控制相应机构，包括驱动电机的启停及正反转、清洗滚刷的启停、清洗周期的设定等命令的实时响应；控制电路由电源模块、电机驱动模块、保护模块、通信模块、时钟模块等组成^[3]。

3. 系统硬件部分设计

3.1最小系统电路设计

该控制系统的主控芯片的最小系统主要由4部分组成：AD转换线路、复位电路、晶振线路及电源。

3.2 电机驱动模块设计

驱动电路的性能很大程度上影响整个控制系统的工作性能。电机电流检测电路设计采用MOS管和LM358运算放大器。LM358运算放大器适用于电源电压范围较广的独立电源使用。具备功率小，逻辑电路匹配，频率范围宽、直流电压增益高、电源电压范围广等特点。

3.3 限位保护模块设计

限位开关采用一种非接触式的检测装置，为机器人在光伏板上的往复运动给予控制信号，避免机器人出现从光伏板上摔落的现象。该模块设计了一个保护电路，该保护电路运用到了电感式传感器，主要由三部分组成：振荡器、开关电路和放大输出电路。振荡器产生的可变磁场可以使金属材料在靠近检测距离后在其内部形成湍流，使振荡逐渐减弱直到停止。在本次设计中选择安装LJ12A3-4-Z接近开关。

3.4通信模块设计

清洗机器人采用MAG12红外热成像仪采集光伏组件的图像信息。红外热像仪通过接收光伏板反射回来的红外光，接收后在内部完成光-电的转换，并生成红外图像，根据颜色的深浅反映当前的温度。通过控制电机，调整摄像头的拍摄角度，在清洗过程中的进行光伏板面的异常状态检测及污染物的影响。

考虑到光伏板积灰清洁机器人的工作环境，无线通信比有线通信更加灵活，可防止机器人由于电缆干预而限制其正常工作，更适合完成控制系统与上位机控制端的通讯。因此，为保证清洗机器人具有传输信号在复杂环境中的传输良好，通信模块与上位机通讯传输的数据可分为控制指令和红外/可见光图像。

4. 系统软件部分设计

本设计将开始清洁机器人控制系统的所有软件部分的开发。光伏积尘清扫机器人控制系统的设计基础是硬件设计，软件板块的设计就是其核心所在。该控制系统的在软件方面的设计将采用和硬件板块相似的设计方法，将各个部分按功能分开来完成软件编写：先依次了解各个部分所能实现的功能和对其的要求，熟悉各功能的核心模块，再设计主程序，将各个部分的程序进行整合再综合修改，最终实现了整体系统程序的调试和优化。

结 论

本文主要针对光伏板积灰清洁机器人控制系统的设计及仿真。旨在设计一个能远程控制机器人的移动、清洁，并且能够使机器人自由移动，有较强的清洁效果的控制系统。首先对清洁机器人控制系统所能实现的功能进行规划设计并进行可行性的分析，然后根据所能实现的功能进行硬件方面的设计，在设计时，综合考虑性能要求，比较各个芯片的优缺点，对各个芯片元件进行合理的选型，然后对硬件进行连接接。连接过程中不断调整，对功能不断优化，最后编写软件方面的程序，软硬件相结合，完成对整个控制系统的设计。

参考文献

1. 周利坤，刘宏昭，李悦. 清洗机器人研究现状与关键技术综述[J]. 机械科学与技术，2014，33(05)：635-642.

2. Alzarooni F I, Alkharji A K, et al. Design and Implementation of an Automated Dry Solar-Panel Cleaning System, 2020 Advances in Science and Engineering Technology International Conferences, Dubai, United Arab Emirates, 2020, 14(03): 1-4.

3. Salari A, Hakkaki-Fard A. A numerical study of dust deposition effects on photovoltaic modules and photovoltaic-thermal systems[J]. Renewable Energy, 2019, 135(21): 437‒449.

4. 王龙, 王云霞, 陈健飞, 等. 光伏板清扫机器人支撑架轻量化优化设计[J]. 机械设计与研究, 2018, 34(04): 182-185.

5. 杨景发，邱鹏飞，李冰，等. 太阳能电池板跟踪与除尘装置的设计[J]. 机械设计与制造，2013，56(09)：60-62+66.

6. 闫九祥，王亚丽，魏盼盼，等. 一种新型太阳能光伏板清洁机器人控制系统的设计[J]. 山东科学，2017，30(04)：112-117.