基于圖像檢測的光伏面板自清潔系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

0   引言

隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其使用規(guī)模不斷擴(kuò)大。光伏面板表面沾染的揚塵、積雪等雜質(zhì)會使其發(fā)電效率大幅降低。此外，經(jīng)過長時間的日曬，其表面會出現(xiàn)裂紋及熱斑，可能嚴(yán)重破壞太陽電池組件，甚至造成不可預(yù)估的災(zāi)難，所以極有必要進(jìn)行實時熱斑檢測。

市場調(diào)查顯示，目前太陽能板維護(hù)裝置只能實現(xiàn)清潔功能，故現(xiàn)迫切需要一套兼具清潔和檢測功能的太陽能板機(jī)構(gòu)，以最大限度地優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備。對家庭而言，可直接實時檢測太陽能板表面并進(jìn)行簡單操作，降低發(fā)生事故的風(fēng)險。對于企業(yè)而言，可以達(dá)到定時清掃太陽能板及自動查找裂紋的功能，最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益。

1   光伏面板清潔與監(jiān)測系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

目前世界上普遍認(rèn)為晶硅光伏電池的平均壽命是25~30 年，非晶硅光伏電池的壽命也在15~20 年以上，其他材料的太陽能光伏板使用壽命也被認(rèn)為在20~30 年左右。

影響太陽能光伏板使用壽命的原因主要有光伏電池效率衰減（晶硅光伏組件效率衰減一般平均為0.5%~1%）；組件內(nèi)部電池脫焊，由于太陽電池片之間的間距設(shè)計不合理或焊接質(zhì)量不良，且組件晝夜間溫差使焊帶和電池之間每天都要經(jīng)歷熱脹冷縮的運動，最終導(dǎo)致焊帶和電池片焊接脫焊而導(dǎo)致組件報廢；太陽能光伏組件工作環(huán)境惡劣，日溫差：-30~+70 ℃；由于太陽電池片之間的間距設(shè)計不合理或焊帶質(zhì)量不良，導(dǎo)致由于組件晝夜間溫差使焊帶每天都要經(jīng)歷熱脹冷縮的彎折運動；惡劣氣候?qū)夥M件的破壞：晝夜、東西溫差、風(fēng)沙、雪荷載等。

目前太陽能光伏板面臨以下痛點問題：

1）灰塵、積雪阻擋光線；

2）維護(hù)成本高、能源效率低；

3）對面板清洗、檢查困難；

4）面板制造時隱裂、碎片等；

5）應(yīng)用過程中“熱斑效應(yīng)”。

為此，光伏面板清潔與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計有以下幾個需求。

1）提高能源轉(zhuǎn)換率

●   對面板的清潔能力增強(qiáng)；

●   及時檢測到熱斑和裂紋，并反饋。

2）提升維護(hù)效率，減少人力成本

●   自動化程度大幅提升；

●   遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)接入設(shè)計

本產(chǎn)品通過外置清刷裝置掛載在目標(biāo)太陽能板上，由主機(jī)和從機(jī)協(xié)調(diào)配合執(zhí)行各項任務(wù)。通過掛載在太陽能板頂端的移動機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)清刷機(jī)構(gòu)在目標(biāo)太陽能板上的橫/ 縱向移動。置于清刷機(jī)構(gòu)內(nèi)部的兩列滾刷，可對目標(biāo)太陽能板板面進(jìn)行清刷揚塵及積雪。清刷機(jī)構(gòu)的機(jī)身裝有太陽能電源管理模組，對機(jī)器本身進(jìn)行能源收集，以增加續(xù)航。同時還配備攝像頭進(jìn)行面板表面裂紋視覺監(jiān)測。該系統(tǒng)利用藍(lán)牙實現(xiàn)本地主從機(jī)的信息交互；利用無線模塊與服務(wù)器進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，再由服務(wù)器與用戶前端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互及控制?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

1.2.1 主機(jī)控制系統(tǒng)總體介紹

在本地系統(tǒng)中，主機(jī)主要負(fù)責(zé)信號的傳輸/ 處理與清刷功能。其控制系統(tǒng)安裝層如圖2 所示。

1.2.2 主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計總體介紹

●   第1 層

第1 層為四輪從動輪，同時裝有兩列滾刷，用于對目標(biāo)太陽能板的清刷其表面灰塵、微粘黏、積雪雜質(zhì)。兩列滾刷均由一臺低扭矩、高轉(zhuǎn)速馬達(dá)通過同步帶輪帶動。

圖2 主機(jī)控制系統(tǒng)安裝層框圖

●   第2 層

第2 層主要為控制系統(tǒng)安裝層。裝載了主控芯片樹莓派以及其他傳輸信號板等電路。為了實現(xiàn)檢測功能，在二層上部裝有由齒輪及齒條為主要的推出機(jī)構(gòu)，并在該機(jī)構(gòu)上安裝一顆OV2640 攝像頭；當(dāng)需要使用視覺檢測功能時，由微型馬達(dá)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，推出齒條；齒條末端裝有攝像頭及其支架。即可實現(xiàn)回收攝像頭，以保護(hù)攝像頭在惡劣環(huán)境下導(dǎo)致的短路及其他故障。

●   第3 層

第3 層主要為太陽能光伏系統(tǒng)，可為整套系統(tǒng)收集工作能源。該系統(tǒng)在滿足太陽能電源收集條件下，通過各類傳感器收集電路中的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至MCU 進(jìn)行處理及存儲。此外針對不穩(wěn)定的環(huán)境因素進(jìn)行備用供電模組設(shè)計搭建，保證在惡劣環(huán)境下迅速恢復(fù)，實現(xiàn)不斷點持續(xù)穩(wěn)壓穩(wěn)流送電。同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)可視化頁面進(jìn)行實時電源監(jiān)控^[1]。

1.2.3 從機(jī)控制系統(tǒng)總體介紹

從機(jī)在整套裝置的頂端，主要負(fù)責(zé)信號的收集和帶動主機(jī)在目標(biāo)太陽能板上的移動，置有兩個馬達(dá)與回收主機(jī)機(jī)構(gòu)。其控制系統(tǒng)安裝層如圖3 所示。

圖3 從機(jī)控制系統(tǒng)安裝層框圖

1.2.4 從機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計總體介紹

1）傳動機(jī)構(gòu)

傳動結(jié)構(gòu)主要位于目標(biāo)太陽能板上方的金屬滑塊。

●   通過一個雙出軸直流電機(jī)帶動繞線軸，以線纜的纏繞帶動主機(jī)，做到穩(wěn)定、上下來回地牽引。為減少重力對于此過程的影響，選用轉(zhuǎn)矩較大的馬達(dá)。

●   為達(dá)到行程限位，在主機(jī)上、下各安裝了兩個接近開關(guān)，以保證裝載在主機(jī)上的清刷機(jī)構(gòu)在太陽能板上來回清刷。

●   選用步進(jìn)電機(jī)帶動裝載在從機(jī)上的金屬滑塊在目標(biāo)太陽能板上方做橫向運動。步進(jìn)電機(jī)能通過脈沖信號轉(zhuǎn)為角位移，從而做到精確控制運動速度和位移，這對于步進(jìn)電機(jī)的扭矩的選擇要求同樣嚴(yán)格。通過傳統(tǒng)的一橫一縱的傳動方式，即可讓主機(jī)全方位覆蓋目標(biāo)太陽能板，做到高效率、全自動、全覆蓋的清刷。

2）回收裝置

回收裝置主要用于主機(jī)完成一個縱向行程單位的清刷任務(wù)后進(jìn)行抬起且磁吸回收；回收后移動一個橫向行程單位，消磁放下主機(jī)進(jìn)行下一個縱向清刷任務(wù)。

1.3 基于圖像檢測的自清潔裝置控制設(shè)計

用戶可通過手機(jī)端小程序?qū)夥姘暹M(jìn)行實時監(jiān)測、清洗，并及時收到面板表面安全隱患的提示。本產(chǎn)品在夜間可對目標(biāo)太陽能面板進(jìn)行清刷，同時利用視覺對目標(biāo)太陽能面板進(jìn)行圖像采集及分析目標(biāo)太陽能面板表面狀態(tài)^[2]，以完成裂紋檢測。系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。

裝置在白天利用熱像儀熱斑檢測太陽能電池組件上各電池片的發(fā)熱狀況。正常情況下，各電池片的溫度分布均勻；如果存在組件矩陣中有個別電池片溫度異常過高，就說明此電池片可能有問題，用戶便可及時使用微信小程序查看太陽能板實時圖像，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。用戶端也可查看能源轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)^[3]、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，以達(dá)到用戶在日常使用光伏系統(tǒng)的過程中，實現(xiàn)智能化、高效化和低成本。

圖4 系統(tǒng)工作流程

1.4 軟件可視化設(shè)計

1.4.1 平臺應(yīng)用頁面設(shè)計

平臺內(nèi)上傳圖片，添加可視化元素，并將元素與數(shù)據(jù)點進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，實現(xiàn)圖標(biāo)數(shù)據(jù)更新可視化。通過平臺的發(fā)布審核，用戶群體即可通過URL 鏈接訪問生成的應(yīng)用界面。最終后端維護(hù)平臺界面效果如圖5 所示。

圖5 平臺可視化界面

1.4.2 小程序頁面設(shè)計

用戶可以通過操作小程序?qū)崿F(xiàn)對光之翼管理平臺的基本頁面，如圖6 所示。

小程序的制作主要涉及三種編程語言：html、JavaScript、css。在頁面制作完成后，利用mqtt 協(xié)議實現(xiàn)本地、小程序和服務(wù)器之間的通信。

圖6 光之翼小程序

實現(xiàn)小程序websocket 連接功能的關(guān)鍵語句如下：

var client = new Client(‘122.51.28.233’,61614,that.randomString());

2   系統(tǒng)迭代的方向與可能性

在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，未來依然有很大的發(fā)展空間。在可視化界面的應(yīng)用上，可將自動化清洗檢測與實時天氣掛鉤，通過預(yù)判的天氣情況實現(xiàn)自動化操作。與此同時，利用機(jī)器學(xué)習(xí)，對大量光伏板裂紋與熱斑的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與算法優(yōu)化，使系統(tǒng)的精準(zhǔn)度得到進(jìn)一步提高。

其應(yīng)用領(lǐng)域可拓寬到光伏扶貧助農(nóng)。隨著我國扶貧政策的推進(jìn)，“光伏扶貧”已成為重要的扶貧內(nèi)容之一。

光伏扶貧主要涉及住房屋頂和農(nóng)業(yè)大棚上鋪設(shè)太陽能電池板。通過分布式太陽能發(fā)電，每戶人家都將成為微型太陽能電站。但新聞資訊及江西、云南的實地調(diào)查顯示，在光伏面板給眾農(nóng)戶帶來收入的同時，對大批光伏面板的管理也成為他們面臨的一大問題，若管理不當(dāng)，不僅會大大降低光伏面板的使用壽命，更可能給農(nóng)戶帶來危險。本裝置緊跟國家政策，扶貧助農(nóng)，可協(xié)助各農(nóng)戶高效、便捷、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對大批光伏面板的管理，帶來更多收益，減少資源浪費。

3   感悟與總結(jié)

3.1 難點與改進(jìn)

3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

由于光伏面板較脆弱，在其上作業(yè)的機(jī)器不宜體積過大、重量過重，這對整臺機(jī)器的外形設(shè)計及尺寸把握是個挑戰(zhàn)，既要留有足夠空間余量，又要控制得當(dāng)。此外，考慮到強(qiáng)度、剛度等要求，需根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》綜合考慮^[4]，最終確立傳動方案，選擇相關(guān)硬件及材料。

未來的改進(jìn)會放在毛刷清潔部分，目前僅能處理大量灰塵堆積，未來將向無塵化靠攏，例如為毛刷附上靜電吸附材料，制作自清潔排塵裝置等。

3.1.2 電控設(shè)計

本裝置通過ESP8266 通信MQTT 服務(wù)器， 從而傳輸數(shù)據(jù)至微信用戶小程序，而后 Arduino Mega 2560硬串口通信ESP8266 控制主機(jī)上的滾刷清掃、機(jī)蓋張開、齒輪傳動、圖像攝取以及藍(lán)牙通信等功能。由于ESP8266 連接WiFi 會有短暫的延遲，從而導(dǎo)致與Arduino Mega 2560 硬串口通信會短暫打印0、1 代碼，Arduino 單片機(jī)誤以為接受數(shù)據(jù)控制電機(jī)傳動?？紤]到數(shù)據(jù)延遲及硬串口通信占位，在成功編譯運行ESP8266wifi 程序之后便注釋掉相關(guān)冗雜代碼。供電線路設(shè)計，由于裝置涉及傳動機(jī)構(gòu)較多，供電系統(tǒng)選擇既要考慮到電池容量、輸出電壓電流，還要根據(jù)光伏面板的性能及實際效率設(shè)計合適的“光之翼供電系統(tǒng)”。

3.1.3 電機(jī)選擇

本裝置電機(jī)涉及范圍較廣，既有直流電機(jī)亦有交流電機(jī)。從機(jī)裝置通過雙出軸直流電機(jī)牽引主機(jī)于光伏面板上縱向運動，考慮到主機(jī)質(zhì)量、體積等因素，該直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩選定為2.5 N·m；但又考慮到電機(jī)連續(xù)工作方式下，額定功率與溫升有著一定的函數(shù)關(guān)系：

因此，當(dāng)A 與η _N 均為常數(shù)時，電動機(jī)額定功率PN與允許溫升τ _max 成正比關(guān)系，絕緣材料等級越高，電動機(jī)額定功率越大。同時，上式還表明，一臺電動機(jī)允許溫升不變時，若設(shè)法提高效率、提高散熱能力，都可以增大它的額定功率^[5]。

除此之外，電機(jī)的選擇還要考慮到安裝方式、防護(hù)方式、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、過載倍數(shù)等因素。結(jié)合《電機(jī)拖動與基礎(chǔ)》[5] 綜合考慮種種因素，最終確定電機(jī)選擇方案并經(jīng)過多次實驗測試確定最終方案。

3.2 比賽參后感

大學(xué)為我們提供了許多探索科技、創(chuàng)新實踐的機(jī)會與平臺，作為大學(xué)生的我們不應(yīng)僅著眼于課堂理論知識的學(xué)習(xí)，更應(yīng)該將理論運用到實踐中。建立項目團(tuán)隊并參加科創(chuàng)競賽，從發(fā)現(xiàn)問題、提出創(chuàng)意到做成實物、日益完善的過程中，自己親手解決一個個問題，整個團(tuán)隊共同克服各種困難，這些都將成為我們學(xué)習(xí)生涯中無可替代的寶貴經(jīng)歷。在“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”的時代背景下，我們將繼續(xù)帶著對知識的渴求與對創(chuàng)新的熱情，不斷探索，力爭為科技事業(yè)的進(jìn)步添磚加瓦。

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[3] 趙智敏,李俊嶠,謝濤,等.基于微信小程序云開發(fā)的客觀題練習(xí)程序設(shè)計與開發(fā)[J].電子世界.2020(16):66-67.

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[5] 李發(fā)海,王巖.電機(jī)拖動與基礎(chǔ)[M].3版.北京:清華大學(xué)出版社,2013.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）