收稿日期：2021-06-22
基金项目：辽宁省重点研发计划项目（2019JH8/10100063）；辽宁省教育厅科研项目（JL-1911）作者简介：叶瀚文（1998-），女（满族），辽宁抚顺人，硕士研究生。
太阳能光伏板自动清洗设备设计
叶瀚文1a ，郭
瑞1b ，冯庆明2
（1.沈阳工程学院a.电力学院；b.新能源学院，辽宁沈阳110136；2.中国三峡新能源（集团）股份有限公司东北分公司，黑龙江哈尔滨150010）
摘
要：太阳能是重要的环保型可再生资源，如何提高光伏组件的发电效率并更合理地使用
太阳能已成为十分重要的问题。由于光伏板表面有污垢，会严重影响光伏组件的发电效率，对光伏组件的表面进行定期清洗，可以更大程度地提高光伏组件的发电效率。因此，选用和利时LM3108设计一套光伏
组件自动清洗设备来解决这一问题。关键词：太阳能发电；自动清洗设备；永磁同步电动机；PLC 中图分类号：TM615
文献标识码：A
文章编号：1673-1603（2023）02-0001-07
DOI ：10.13888/jki.jsie （ns ）.2023.02.001
第19卷第2期2023年4月
Vol.19No.2Apr.2023
沈阳工程学院学报（自然科学版）
Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）
目前，国内大部分太阳能资源集中在西北部的沙漠和灰尘多的地区，沙尘引起的尘土积累对太阳能发电效率产生巨大影响，可能会导致其下降17.4%～40%［1-3］。为了保证太阳能发电效率，需定期清洁太阳能组件。太阳能组件的清洁方法包括人工高压水清洁方法、组件机器人清洁技术、电窗帘灰尘洗涤
技术及光伏组件自动清洁技术。人工高压水清洁方法虽然使工作效率及清洁程度大大提高，但是发电站的要求一般都是苛刻的、高强度的。因此，这种方法不适用于国内的太阳能发电站。太阳能组件机器人清洁技术的清洁效果是有限的，只能在地面使用，而太阳能发电站不具备使用这种设备的条件，且机器人的价格十分昂贵，同时由于大风天气及光伏板倾斜角度等问题，许多机器人不能很好地进行有效清洗，一般只在实验室操作，未能广泛应用于实际工作环境［4-6］。电窗帘灰尘清扫技术应用了电场原理，但只适用于更小的
地区，而大型太阳能发电站不宜采用该技术［7］。太阳能电池板自动清洁技术设置了灰尘粒子充电的电场，根据电场力的作用，让粒子定向移动，从而将灰尘聚集在一起进行清扫［8-9］。
因此，本文通过设计一种光伏板自动清洗设备，科学合理地清洁太阳能组件，以此来使组件最大限度地捕获光能，从而提高组件的发电效率。
1
光伏组件清洗车的整体设计方案
1.1概述1.1.1
整体结构
光伏板自动清洗设备主要分为机械部分和控
制系统，机械部分为自动清洗小车。
光伏板自动清洗设备总体设计需求主要包括以下几方面：
1）移动方面：由于传统的清洁小车使用轮胎，在光伏阵列之间遇到不平整路面时产生颠簸，应避
第19卷
沈阳工程学院学报（自然科学版）免对光伏组件造成损伤；除此之外，光伏板清洁小车应可以自由前进和后退，在行驶到导轨尽头时需要返回起点。
2）控制给水和清洁剂方面：小车根据编好的定时器程序来合理地向光伏板表面喷水和清洁剂，保证不浪费资源。
3）控制系统方面：对传感器信号采集要快，定时器反应要及时，在满足光伏板自动清洗小车的各项控制要求基础上，还要完善系统的稳定性和可靠性。
光伏板自动清洗小车的结构如图1所示。
1
9
2
3
4
5
67
8
1-水箱清洁剂存放；2-车载蓄电池；3-车轮；4-驱动电机；5-车底盘；6-支架；7-机械臂；8-伺服电机；9-清洁板
图1
光伏板清洗小车结构
光伏板自动清洗小车有行走和工作两部分，驱动电机作为行走部分的动力源，工作部分则由机械臂来完成，根据系统程序喷洒清水和清洁剂。1.1.2
行走驱动
小车选用独立驱动方式来执行行走功能，每个驱动轮配备1台独立的电动机。相对于单一发动机中央驱动器而言，两个独立的发动机的两轮驱动设计使车体在质量分配上更加均匀，更易于车辆的
全面控制。驱动系统与原有的驱动模式相比，省略了离合器、变速器、传动轴等，使车身整体结构变得更加紧密，减少了车辆整体质量，提高了能源传送效率。由于驱动电机的特性，驱动马达系统更加稳定，响应速度较快，控制力更精准，满足了工作要求。驱动电机结构如图2
所示。
图2电机驱动结构
光伏板自动清洗小车的前进驱动由车轮边电机与减速器构成，控制其运动，每个驱动电机都有
自己的控制器，以此来保证电机在额定负载下平稳运行。1.2清洗车驱动电机参数匹配1.2.1
清洗车驱动电机匹配方法
光伏板自动清扫小车主要是由多种相互关联的系统构成，同时要求小车必须保证在复杂的环境下能够完成清扫工作。因此，对于车辆的驱动发动机的参数，在不同的环境下需要考虑车辆的工况匹配，同时还要考虑驱动电机、传动设备及牵引系统因素之间的协调关系。光伏组件清洗车的行走驱动的匹配流程如图3
所示。
图3光伏组件清洗车驱动匹配流程
1.2.2车辆最大行驶功率计算
车辆的发动机依据控制系统给出的信号进行
工作，此时车辆上的蓄电池将电能传送给驱动电机，电动机的输出转速及转矩传递到减速器，使光
·
·2
第2期
叶瀚文，等：太阳能光伏板自动清洗设备设计伏板自动清洗小车前进。
1）最大车速时的输出功率
依据清洗车的整体尺寸及环境，计算出最大车速时的功率为
P max1
=v max 3600η()
mgf +C D Av 2max
21.15
（1）
式中，
P max1为清洗车在最大车速时的功率；v max 为清洗车的最大速度；
η为清洗车的传动效率；f 为滚动摩擦系数；
C D 为气流阻力系数；A 为迎风面积；m 为清洗车质量。
2）最大倾斜轨道功率P max2
=v i max
3600η
()mgf cos αmax +mg sin αmax （2）式中，
P max2为清洗车最大倾斜轨道的功率；v i max 为清洗车行驶在最大倾斜轨道的最大速度；
αmax 为最大倾斜轨道的角度。
3）启动加速时的功率
车辆在启动或行驶时加速，需要克服惯性力。在这个加速过程中车辆的功率为P max3
=v i 3600t a η()
δmμ2t
2t a +mgf μ11.5+C D Aμ3t 21.15×2.5t a
（3）
式中，
t a 为车辆加速的时间；μt 为车辆加速末速度；δ为旋转质量转换系数。
根据车辆的具体参数，比较式（1）、式（2）和式（3）的计算结果，电机应该满足的最大功率为
P max ≥max ()
P max1,P max2,P max3（4）
综合以上的计算分析，得到了光伏板自动清洗车在不同行驶状态下的驱动功率。依据清洗小车的牵引特
性，驱动电机不但要在清洗车辆低速行驶时提供足够的动力，而且还要满足在最大速度和最大倾斜轨道运行时的输出功率。1.3车辆清洁机械臂1.3.1
机械臂结构
该清洁设备的机械臂由两个DC 伺服电机驱
动。通过识别电机驱动程序的输入信号，控制DC 伺服电机启动，并管制马达的速度、转矩和旋转的目标位置。DC 伺服电机D1安装在臂和支柱的拐点处，用于驱使机械臂与拐点的相互运动，借此来
改变臂与支柱的夹角θ1；DC 伺服电机D2安装在清扫板与机械臂的关节处，可以调节清扫板与光伏板之间的夹角，使清扫板与电池板保持平行。1.3.2
机械臂各项参数设计
机械臂的等效受力情况如图4所示。整个系统主要由机械臂和负责打扫工作的清扫板组成。装于机械臂两侧拐点处的DC 伺服电动机分别产生力矩M 1和M 2。M 1负责驱动机械臂运动，
M 2负责清扫板相对于机械臂的旋转。若该机械臂仅在铅垂平面内工作，机械臂和清扫板的长度分别是l 1和l 2，忽略自身重力，B 位置的伺服电机质量是m 1，C 处质量为m 2。设广义力矩坐标q 1=θ1，
q 2=θ2，θ1是机械臂与设备支柱的夹角，
θ2为清扫板和机械臂
的夹角。
图4
机械臂受力
系统的动能关系为
E =
12m 1v 2B +1
2
m 2v 2C （5）
式中，
m 1为清扫板和拐点DC 伺服电机的质量；m 2为清扫板的质量；
v B 为B 处质点速度；v C 为C 处质点速度。
依据速度矢量的关系可得
ìíîïïv B =l 1θ1·
v 2C
=l 21θ21+l 22()
θ1·+θ2
·
2
+2l 1l 2θ1·
(
)
θ1·+θ2·
cos θ2
（6）
·
·3
第19卷
沈阳工程学院学报（自然科学版）
E =12m 1l 21θ21·+12m 2éë
êù
û
ú
l 21θ21·+l 2
2(
)θ1·+θ2
·2+2l 1l 2θ1·()
θ1·+θ2·cos θ2=12()m 1+m 2l 21θ21·+12
m 2l 2
2(
)θ1·+θ2
·2
+m 2l 1l 2
θ1
·
()
θ
1
·+θ2·
cos θ2
（7）
选取零势能点作为机械臂与支柱的拐点，则系统的势能为
V =-m 1gl 1cos θ1-m 2g []
l 1cos θ1+l 2cos ()θ1+θ2（8）
利用拉格朗日函数求得系统动势为
L =E -V =12()m 1+m 2l 21θ21+12
m 2l 2
2(
)
θ1·+θ2
·2
+m 2l 1l 2θ1·
(
)
θ1·+θ2·
cos θ2
+()m 1+m 2gl 1cos θ1+m 2gl 2cos ()
θ1+θ2（9）
求解后，得
ìíîïïM 1=D 11θ1··+D 12θ2··+D 111θ1·2+D 122θ2·2+D 112θ1·θ2·+D 121θ2·θ1·
+D 1M 2
=D 21θ1··+D 22θ2··+D 211θ1·2+D 222θ2·2+D 212θ1·θ2·+D 221θ2·θ1·+D 2（10）
依据机械臂的参数设计和工作方式，
θ1和θ2的波动范围分别为30°～80°和30°～120°。代入数据后，m 1=110kg ，m 2=20kg 。机械臂的长度l 1为1.2m ，
清扫板的长度l 2为25cm 。依据上述数据，可计算出M 1的最大值约为950N ·m ，M 2约为100N ·m 。
1.4整车控制
和利时LM3108是中小型PLC 产品，性能较好，
在分布式远程监控及中小型的工业装备控制中都能适用。LM-PLC 既有小型PLC 结构紧凑的优点，又具备中型PLC 产品多种多样的功能。LM-PLC 最大可支持20个本地IO 或远程IO 单元，CPU 模块有很强的运动控制和模拟控制能力，还支持用户自定义功能扩展，可提供多种通讯模块，支持现场总线、无线网络和工业以太网接口。控制模块采用32位高性能嵌入式处理器，具备逻辑控制、时序控制、运动控制、模拟控制等功能，支持加密的用户自定义功能块。
2
vimax
车载蓄电池管理及设备选型
2.1电池估算管理2.1.1
动力电池估算
光伏板自动清洗车的动力电源使用磷酸铁锂
电池。
根据驱动电机的功率和DC 伺服电机的功率，为保证清洗车辆连续工作1d 的需求，电池容量W 为
W =éëêùû
ú()P 1+P 2η1+()p 1+p 2η2⋅T ⋅k （11）
式中，
P 1和P 2分别为两侧驱动电机的功率；p 1和p 2分别为DC 伺服电机的功率；
η1和η2分别为两侧驱动电机及伺服电机的工作效率，
η1=92%，η2=90%；T 为光伏板清洗车每天的工作时长，T =10h ；k 为电池容量估算裕度；W 为电池容量，W =450Ah 。
2.1.2蓄电池管理
车载蓄电池系统的功能如图5
所示。
图5车载蓄电池管理系统功能
车载蓄电池管理系统能很好地对蓄电池组的每个单元进行检测与控制，有利于光伏板清洗车的稳定运行并延长车载蓄电池的使用寿命。2.2设备选型2.2.1
驱动电机选型
清洗车的总质量为1t ，滚动摩擦系数f 为0.25，行驶时的最大速度为v max =8km/h ，导轨的最大倾斜角度α为30°，代入式（1）、式（2）和式（3）中进行计算可知：清洗车最大车速时的输出功率P max1为
·
·4
第2期
叶瀚文，等：太阳能光伏板自动清洗设备设计8.1kW ，车辆通过最大斜坡时的输出功率P max2为11.6kW ，清洗车在加速过程中的功率P max3为8.35kW 。最后，由式（4）求得清洗车的最大功率P max 为11.62kW 。
由上述分析可知：驱动电机总功率应大于P max ，但在实际工作中可能产生负载不平均的情况，驱动电机应该有一定的裕度。因此，每个单元的永磁同步电机的功率为7.5kW 。
依据电机参数得到相应的特性曲线，即满足光伏板自动清洗车辆的驱动电机转速转矩曲线，如图6
所示。
图6
清洗车驱动电机特性曲线
根据上述计算结果及车辆驱动电机的特性曲线，选定合适的驱动电机。2.2.2
伺服电机选型
光伏板自动清洗车辆的机械臂选择直流伺服电机。因为直流伺服电机具有较好的响应性、功率密度较高、占用空间小、重量轻、调整数字数量更加准确、抗干扰性能很强、旋转平滑等优点，扭矩稳定，易于实现智能化。2.2.3控制器的选型
以LM3108作为清洗车的控制器。2.2.4
传感器的选型
光线传感器选择KEYES 光敏电阻传感器。当模块在较暗条件下或者暗度达不到设定阈值时，DO 模块输出高电平；当外界环境亮度高于设定阈值时，DO 模块输出低电平。
距离传感器选择ALM80202型红外线距离传
感器。该传感器系统的最高精度为±1mm ，配置数据掉电不丢失，速度快，通过反射回来的红外光来计算距离。
测速传感器采用A3144霍尔传感器。该传感器体积小，可以直接进行非线性和速度校对，方便制作特定规格的探头。
湿度传感器采用SHT20湿度传感器。该传感器的湿度范围是0～100%RH ，精度为±3%RH ，响应时间为8s ，能够满足设计要求。
3
自动清洗软件设计
3.1
条件程序设计
清洗光伏板时，打开总开关，正转电机开关处
于高电位，其余电机开关处于低电位，小车缓慢向前移动。经过光伏板时，若光伏板表面有污垢，光线
感应器发出信号，此时开关变为低电位，控制给水的电机开关处于高电位，小车停止并向光伏板喷水。当光伏板表面湿度达到一定值时，湿度传感器发出信号，给水电机处于低电位，喷射清洁剂的电
机处于高电位，开始向光伏板表面喷射清洁剂，喷射2s 后，变为低电位，控制毛刷的电机变为高电位，毛刷按照定时器的设置工作10s 。清理完成后，小车按上述过程继续前进。当距离传感器检测到达导轨尽头时，正转电机开关变为低电位，反转电机处于高电位，小车向起点运动。该设计的I/O 分配如表1所示。
表1
I/O 分配
SB0
SB2SB3SB4SB5Motor1Motor2
%IX0.0SB1
%IX0.2%IX0.3%IX0.4%IX0.5%QX1.1%QX1.2
启动按钮正转电机开关给水电机开关清洁剂电机开关毛刷控制开关反转电机开关正转电机给水电机
符号地址注释·
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