野外光伏自動(dòng)清掃裝置控制系統(tǒng)研究

江繼波，章正暘，王青華

(1.上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海 200010； 2.上海明華電力科技有限公司，上海 200010)

1 引言

近年來，光伏發(fā)電蓬勃發(fā)展。我國光伏裝機(jī)容量已居世界首位，預(yù)計(jì)到2030年，國內(nèi)裝機(jī)容量將達(dá)到1.4億KW[1]。在光伏運(yùn)維中，灰塵對(duì)光伏發(fā)電的影響越來越受到重視，在自然落灰的情況下，光伏板發(fā)電每天減少1.2%[2]，為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大化效益，應(yīng)每天清掃一遍。

各種光伏清掃設(shè)備層出不窮，但很少有大規(guī)模應(yīng)用。因?yàn)楣夥l(fā)電廠建設(shè)時(shí)未考慮清洗問題，各光伏板的排布缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，光伏陣列的長短不一，對(duì)于長度短的光伏排，使用清掃機(jī)器人成本太高[3-5]。多排復(fù)用的清掃系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低成本光伏陣列清掃，但野外光伏陣列現(xiàn)場情況復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)無人值守需要解決很多問題。本研究提出一種適合野外光伏陣列的清掃系統(tǒng)架構(gòu)和控制策略，可以實(shí)現(xiàn)野外光伏陣列無人值守的自動(dòng)清掃。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 光伏陣列清掃系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of PV array cleaning system

自動(dòng)清掃裝置主要包括清掃車支架、清掃車和擺渡系統(tǒng)。如圖1所示，在光伏陣列的一側(cè)安裝擺渡系統(tǒng)。擺渡車系統(tǒng)包括擺渡車、軌道和定位限位裝置。在光伏陣列另一側(cè)的每排光伏排的一端都有一個(gè)清掃車支架，用于停放清掃車。

清洗車由兩塊光伏板做上面板，為光伏清洗車供電。光伏清洗車配大容量鋰電池，鋰電池放在控制箱中。清洗車支架上安裝有擋塊，當(dāng)清洗車行駛到擺渡車上時(shí)，會(huì)碰到擺渡車的行程開關(guān)。清洗車支架右側(cè)上安裝有行程開關(guān)，當(dāng)清洗車行駛到擺渡車上時(shí)，行程開關(guān)碰到擺渡車上的擋塊會(huì)停止運(yùn)行。

擺渡車上裝有光伏板，為擺渡車提供電源。擺渡車配備大容量鋰電池，安裝在擺渡車控制箱內(nèi)。

光伏清掃車和擺渡車都是利用光伏板來給蓄電池充電。光伏清掃車非工作時(shí)間?？吭诠夥鍜哕囃？恐Ъ苌?。光伏清掃車所有時(shí)間都可以充電，擺渡車非工作時(shí)間都可以充電，為光伏清掃車和擺渡車提供足夠的電能。

圖2 擺渡車結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of ferry vehicle

圖3 清洗車結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of cleaning vehicle

3 清掃車控制流程

清洗車流程如圖4所示。

清洗車初始?？吭谕？恐Ъ苌?，到了設(shè)定時(shí)間后，檢測(cè)蓄電池電壓。如果蓄電池電壓大于設(shè)定電壓(27 V)，啟動(dòng)清掃程序；如果蓄電池電壓小于設(shè)定電壓(27 V)，等候0.5 h，繼續(xù)檢測(cè)蓄電池電壓。蓄電池設(shè)定電壓的目的是為了確保清洗車蓄電池電量能夠進(jìn)行一個(gè)完整的清掃周期，不會(huì)中途缺電停止。

清掃車進(jìn)入清掃流程，直至清掃車右側(cè)行程開關(guān)碰到擺渡車限位擋塊，信號(hào)狀態(tài)變?yōu)?，清掃車停止清掃，并開始嘗試與擺渡車建立通信，嘗試3次后如果無法建立聯(lián)系，則清洗車返回初始位置，下次清洗時(shí)間設(shè)置為第二天首次清洗時(shí)間。如果建立了通信鏈接，則等候擺渡車指令。擺渡車在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)會(huì)給清洗車發(fā)送返回的指令和下次清掃的時(shí)間。下次清掃距離這次清掃至少30 min，以延長電機(jī)使用壽命。

清洗車返回后?？恐Ъ芎螅认麓卧O(shè)定時(shí)間到，進(jìn)行新一輪的清掃。

圖4 清掃車控制流程Fig.4 Control flow chart of cleaning vehicle

4 擺渡車控制流程

擺渡車初始狀態(tài)為節(jié)能狀態(tài)，節(jié)能狀態(tài)為除主控模塊和頂部行程開關(guān)外，其他模塊電源處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)清洗車運(yùn)動(dòng)到擺渡車上時(shí)，清洗車的擋塊觸發(fā)擺渡車的頂部行程開關(guān)，使擺渡車頂部行程開關(guān)的狀態(tài)變?yōu)?。此時(shí)開啟通信模塊和其他所有模塊的電源，并啟動(dòng)通信程序嘗試與清洗車建立通信。如果通信建立不成功，說明此時(shí)擺渡車的頂部行程開關(guān)可能為人為操作或其他外力導(dǎo)致。此時(shí)，再次檢測(cè)頂部行程開關(guān)的信號(hào)狀態(tài)，如果仍為1，則繼續(xù)嘗試與清掃車信訊。如果擺渡車頂部行程開關(guān)為0，則恢復(fù)擺渡車至初始狀態(tài)。通信建立成功后，從清掃車控制器獲得清掃車行程開關(guān)的信號(hào)狀態(tài)，如果信號(hào)狀態(tài)不為1，則等候3 s后繼續(xù)獲取清掃車行程開關(guān)5的信號(hào)狀態(tài)。如果信號(hào)狀態(tài)為1，則檢測(cè)蓄電池電壓，看是否高出設(shè)定值(26 V)。其中設(shè)定值的大小是為了保證蓄電池有足夠的電量供擺渡車運(yùn)行到下一排。

如果蓄電池電壓小于設(shè)定值，則告知清掃車直接返回，并確定下次工作時(shí)間為第二天，以確保擺渡車有足夠的時(shí)間充電，并恢復(fù)擺渡車至初始節(jié)能狀態(tài)。

如果蓄電池電壓大于設(shè)定值，啟動(dòng)擺渡車行走程序，進(jìn)入下一排。進(jìn)入下一排后，通知清掃車返回，并告知清掃車下次清掃時(shí)間。清掃車啟動(dòng)返回程序后，擺渡車頂部行程開關(guān)信號(hào)恢復(fù)為0，恢復(fù)擺渡車狀態(tài)為初始節(jié)能狀態(tài)。

圖5 擺渡車控制流程Fig.5 Control flow chart of ferry vehicle

圖6 現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.6 Equipment site photo

5 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

在江蘇某光伏發(fā)電廠安裝一套換排光伏清掃系統(tǒng)，該系統(tǒng)清掃5排光伏陣列，最長的一排180 m，最短的一排120 m，5排共計(jì)長780 m，共計(jì)1 560塊光伏板，374.4 KW。系統(tǒng)運(yùn)行期間經(jīng)過多次改進(jìn)至現(xiàn)有狀態(tài)。試運(yùn)行開始期間，因程序設(shè)計(jì)不合理，多次出現(xiàn)因擺渡車缺電停運(yùn)。因清洗車長期停止在擺渡車上，導(dǎo)致擺渡車無法充電，停電導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。經(jīng)多次改進(jìn)后，現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。