一种光伏电站组件全自动智能清洁设备
技术领域
本发明涉及一种对光伏电站组件进行全自动智能清洁的设备,尤其涉及一种可应用于大型光伏电站的各种长短方阵光伏组件的高效除尘设备。
背景技术
太阳能作为一种绿色能源,以其永不衰竭、环保安全、无地域限制等优点广泛应用于各个领域。在太阳能光伏发电的实际应用中,光伏组件作为发电最重要的单元,其输出功率受阳光光照强度的直接影响。风沙、尘土、积雪等落到光伏组件的表面后,降低光线透射率,导致光电转换效率大幅降低,此问题在风沙较大的中西部地区尤为严重。因此,为了保持光伏电站的发电效率,对光伏电站光伏组件的清洁至关重要,光伏电站光伏组件的清洁工作成为光伏电站建设不可或缺的一个关键环节。
目前清洁光伏组件大多还是用人工清洁,人工清洁方式包括水冲清洁和拖把清洁,其缺点是易受环境条件限制,工作量繁重,清洁效率低,清洁效果差,运营成本高。特别是在我国中西部地区,多风少雨,水源匮乏,人力缺少,人工清洁难以实施。
针对人工清洁的弊端,目前已有一些光伏组件自动清洁装置,根据其工作特点可分为两类:第一类属于单组光伏组件清洁设备,其装设在单组光伏组件表面上,进行定时清洁,例如中国专利“太阳能光伏电池板组件表面清洁装置(CN102303025A)”,其冲洗部在单个组件表面往复运动,同时喷出高压水汽除尘,因此该设备在缺水地区并不适用,同时由于高成本,在光伏电站中难以推广。第二类属于群组光伏组件清洁设备,其以移动机车为载体,在机车行走过程中对多组光伏组件表面实施清洁,是光伏电站光伏组件清洁的首选方案。例如中国专利“一种太阳能电池板清洁设备(CN202105809U)”,但该专利以移动机车前部为载体安装清洁机构,放大了凹凸不平的地形表面,无法保证组件安全。因此,安全性、稳定性是群组光伏组件清洁设备必须考虑的关键问题。
对于几十乃至数百兆瓦以上的大规模光伏电站,光伏组件数量庞大,场地面积广阔,因此对群组光伏组件清洁设备的要求也更为苛刻,主要指标有三个:第一是工作效率,即单位时间内能够清洁多大数目的光伏组件,工作效率越高,经济效益越大;第二是智能化程度,即设备在复杂环境下安全自动工作的能力,例如能够针对凹凸不平的地形表面进行自适应调整,以及能够对光伏组件表面进行感知、识别、判断和调整,智能化程度越高,人工干涉越少;第三是可靠性程度,即设备在某一时间段内的无故障率。可靠性越高,设备可连续性工作的能力越强,人工维修的次数越少。目前现有的群组光伏组件清洁设备自动化能力较低,许多需要人工干预和人工看管,尚无全自动化型设备产品,智能化程度明显较低,经常出现清洁过程中损坏光伏组件的现象,且其工作效率对于大型光伏电站仍然有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有群组光伏组件清洁设备中存在的不足,提供一种全自动化、智能、高效、安全的光伏电站组件全自动智能清洁设备,解决了现有技术中的清洁设备智能化和自动化程度不够高、清洁车对路面自适应能力差、工作效率低、安全性差的技术问题,特别适用于大型光伏电站中各种长短方阵光伏组件的清洁。
本发明技术解决方案:一种光伏电站组件全自动智能清洁设备包括:全自动遥控清洁车1、与所述全自动遥控清洁车1连接的全自动遥控清洁机构;所述全自动遥控清洁机构包括机电制动***和智能控制***,所述机电制动***包括供电单元2、支臂单元3、清洁单元4,为清洁功能的机械实施部分;所述智能控制***包括感知单元5、处理单元6、遥控单元7,处理单元6分别与支臂单元3、清洁单元4、感知单元5和全自动遥控清洁车1连接,用于全自动遥控清洁车1和全自动遥控清洁机构的自动控制;所述清洁单元4与支臂单元3相连接;所述感知单元5固定于清洁单元4上;所述支臂单元3具备三个自由度,即水平旋转、垂直旋转和伸缩;所述清洁单元具有两个自由度,实时调整自身的转动方向和与光伏电站组件表面的平行方向;所述供电单元2分别向支臂单元3、清洁单元4、感知单元5和处理单元6分配所需电压和功率;
在遥控单元7的遥控模式为全自动模式时,自动遥控清洁车1通过处理单元6接收到遥控单元7所发送的遥控指令后行驶到所需位置,与光伏电站组件方向对正,进行清洁工作,所述全自动模式,在一组光伏电站组件的清洁过程中,无需人工干预;清洁过程中,感知单元5将感知到清洁单元4的倾斜角度及与光伏电站组件表面的距离,并实时传输给处理单元6;处理单元6对清洁单元4的倾斜角度及清洁单元4与光伏电站组件表面的距离值进行处理,发送指令控制支臂单元3和清洁单元4的工作状态和工作频率,控制支臂单元3和清洁单元4协同工作;同时处理单元6包含智能控制算法,智能控制算法根据感知单元5的感知数据,实时判断清洁单元4与光伏电站组件是否保持正常工作距离,如果全自动遥控清洁车1在行驶过程中遇到路面不平发生起伏时,则控制支臂单元3和清洁单元4实时自动调整位置和角度,保证不损伤光伏电站组件表面;清洁单元4工作过程中同时使用辊刷和吸尘两种清洁方式,无需水源。
所述遥控单元7的遥控模式还包括手动模式和故障自检模式;所述手动模式,支持人工调整支臂单元和清洁单元的工作状态;所述故障自检模式是指对支臂单元3、清洁单元4、感知单元5和处理单元6的连接状态、工作参数、运行状态进行自检,自检完毕后通过处理单元向用户反馈自检结果。
所述智能控制算法实时判断清洁单元4是否与光伏电站组件保持正常工作距离包括:实时判断清洁单元4是否与光伏电站组件宽度保持匹配覆盖,实时判断清洁单元4是否与光伏电站组件表面过近或过远,实时判断清洁单元4是否与光伏电站组件表面对正和平行。
所述支臂单元3与清洁单元4均安装于全自动遥控清洁车1的中部。
所述的全自动遥控清洁车1包括机车底盘1.3、行走机构控制***1.4、行走机构和旋转盘1.5,其中所述行走机构包括机车履带1.1、机车履带驱动器1.2;机车底盘1.3中部设有可360°水平转动的旋转盘1.5;机车底盘1.3下设置有行走机构,机车底盘1.3上设置有行走机构控制***1.4。
所述的支臂单元3具备三个自由度具体是悬臂3.1的水平旋转、悬臂3.1的垂直旋转和副悬臂3.6的伸缩,它包括悬臂3.1、水平转动电动机3.2、垂直转动电动机3.3、双向回转支撑减速机3.4、悬臂气动支撑部件3.5、副悬臂3.6、副悬臂电动机3.7、副悬臂减速机3.8和副悬臂气动支撑部件3.9;悬臂3.1分别与水平转动电动机3.2、垂直转动电动机3.3、双向回转支撑减速机3.4相连接;副悬臂3.6通过副悬臂减速机3.8与副悬臂电动机3.7相连接,悬臂3.1与全自动遥控清洁车1之间配有悬臂气动支撑部件3.5,副悬臂3.6与悬臂3.1之间配有副悬臂气动支撑部件3.9。
所述的清洁单元4包括清洁辊4.1、防护罩4.2、进气口4.3、清洁辊电机4.4、挡风板4.5)、导管4.6、辊刷倾角减速机4.7、辊刷倾角电机4.8、支架4.9和吸尘器4.10;清洁辊4.1与清洁辊电机4.4相连接;导管4.6与清洁辊4.1末端相连接,吸尘器4.10安置于支臂单元3中;进气孔4.3通过导管4.6进入到吸尘器4.10中;清洁辊4.1外部罩有防护罩4.2,清洁辊4.1与防护罩4.2之间通过支架4.9固定,防护罩4.2尾侧安装有清洁辊电机4.4;清洁辊4.1与防护罩4.2之间的空隙内设有挡风板4.5,挡风板4.5后方防护罩4.2中部设有进气口4.3与导管4.6相连。
所述清洁辊4.1为单辊,配有几种不同规格,可拆卸,可装换,能够对不同规格光伏组件的表面进行组件宽度单辊匹配覆盖。
所述感知单元5包括倾角传感器5.1和超声波测距阵列5.2,所述倾角传感器5.1固定于清洁单元4的表面上方,所述超声波测距阵列5.2固定于清洁单元4的两侧。
所述超声波测距阵列5.2安装方式为四行二列构型,即清洁单元4的两侧各有四枚测距单元,另两枚安装在清洗单元4的上下。
所述处理单元6的硬件包括嵌入式处理器6.1、继电器开关阵列6.2、变频器6.3、显示屏6.4、无线收发器6.5和控制器通信接口6.6;所述继电器开关阵列6.2接收嵌入式处理器6.1发出的指令,控制支臂单元3和清洁单元4的各电机与各减速电机的工作状态;所述变频器6.3接收嵌入式处理器6.1的指令控制支臂单元和清洁单元的各减速电机的工作频率;无线收发器6.5和控制器通信接口6.6用于与遥控单元通信;显示屏6.4用于显示嵌入式处理器6.1发送的工作状态信息和传感器信息。
所述遥控单元7采用一对一编码方式,多个全自动智能清洁设备在同一现场同时工作时,彼此的每个遥控单元7之间互相不干扰互相不通用。
所述供电单元2包括机车发电***,稳压***及电源管理***;上述三个***保证其余各单元的电源电压和功率分配;机车发电***2.1负责将机车内能转化成电能,或者机车发电***2.1直接引入光伏电站外部电源接口,稳压***2.2负责对电压做调理,借助电源管理***2.3分别向支臂单元3、清洁单元4、感知单元5和处理单元6分配所需电压和功率。
所述全自动遥控清洁车1使用机车自身发电这种方式,也能够使用光伏电站组件的外部电源。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明将全自动遥控清洁车和全自动遥控清洁机构有机的结构,同时采用智能算法控制,能够根据全自动遥控清洁车自身姿态实时自动调整支臂单元及清洁单元;同时具有遥控单元,因此可全自动化工作,工作过程中无需人工干预,节省人力,具有全自动化、智能、高效、安全的优点,可广泛适用于各种凹凸不平路面环境以及可针对各种表面不够平整的光伏组件进行清洁。
(2)本发明中清洁单元具备两个自由度,其一可根据清洁辊水平移动方向调整转动方向,使得清洁辊去除的灰尘便于被吸尘器充分吸收;其二,实时调整清洁辊的角度与光伏组件表面平行,避免清洁辊斜触光伏组件表面。
(3)本发明中的支臂单元具备三个自由度,其一为悬臂可以水平旋转,其二为悬臂垂直旋转,其三为副悬臂可以垂直旋转,多自由度使清洁设备整体的灵活性大幅提升。
(4)本发明的清洁单元中的清洁辊为单辊,实时进行组件宽度匹配覆盖,可实现一遍式组件表面清洁,避免了某些设备在光伏组件表面的上下区域的反复移动和清洁,效率远高于非一遍式清洁设备,特别适用于大型光伏电站各种长短方阵光伏组件的清洁装置。
(5)本发明中的清洁单元的清洁辊具备多种规格,可拆卸,可装换,能够匹配现有光伏组件所有规格标准。
(6)本发明清洁过程中同时使用辊刷和吸尘两种清洁方式,无需水源,适用于中西部荒漠地区,具备机车发电***、稳压***、电源管理分配***,在光伏电站存在外部电源的情况下,可以采用外部电源,以节约成本,在不存在外部电源的情况下,也可以利用自身发电正常工作。
(7)本发明中的支臂单元与清洁单元均安装于清洁车中部,避免了安装于机车头部由于杠杆原理所引起的机车剧烈晃动问题,在工作状态时更加稳定。
(8)可以采用本发明所述的多个全自动智能清洁设备,遥控单元采用一对一编码方式,多个全自动智能清洁设备在同一现场同时工作时,彼此的每个遥控单元之间互相不干扰互相不通用,增加了清洁效率和实用性。
附图说明
图1是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备机车部分示意图;
图2是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备支臂部分示意图;
图3是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备清洁辊纵向剖面示意图;
图4是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备清洁辊横向剖面示意图;
图5是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备清洁辊俯视结构示意图;
图6是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备清洁辊单辊覆盖工作示意图;
图7是本发明的光伏电站组件全自动智能清洁设备遥控单元示意图。
附图标记:1.X表示清洁车所属部件,2.X表示供电单元所属部件,3.X表示支臂单元所属部件,4.X表示清洁单元所属部件,5.X表示感知单元所属部件,6.X表示处理单元所属部件,7.X表示遥控单元所属部件。具体附图标记为:
1.1机车履带;1.2机车履带驱动器;1.3机车底盘;1.4行走机构控制***;1.5旋转盘;
2.1机车发电***;2.2稳压***;2.3电源管理***;
3.1悬臂;3.2水平转动电动机;3.3垂直转动电动机;3.4双向回转支撑减速机;3.5悬臂气动支撑部;3.5.1支撑杆;3.5.2支撑套;3.6副悬臂;3.7副悬臂电动机;3.8副悬臂减速机;3.9副悬臂气动支撑部;
4.1清洁辊;4.2防护罩;4.3进气口;4.4清洁辊电机;4.5挡风板;4.6导管;4.7辊刷倾角减速机;4.8辊刷倾角电机;4.9支架;4.10吸尘器;
5.1倾角传感器;5.2超声波测距阵列;
6.1嵌入式处理器;6.2继电器开关阵列;6.3变频器;6.4显示屏;6.5无线收发器;6.6控制器通信接口;
7.1遥控器外壳;7.2遥控器按键区;7.3遥控器信号指示灯;7.4遥控器电源指示灯;7.5遥控器信号发射器;7.6遥控器电池;7.7遥控器电路板;
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述,但不作为对本发明的限定。
如图1-7所示,本发明包括:全自动遥控清洁车1和与全自动遥控清洁车1连接的全自动遥控清洁机构;全自动遥控清洁机构包括机电制动***和智能控制***,机电制动***包括供电单元2、支臂单元3、清洁单元4,为清洁功能的机械实施部分;智能控制***包括感知单元5、处理单元6和遥控单元7;支臂单元3与清洁单元4均安装于全自动遥控清洁车1的中部。全自动遥控清洁车1包括机车底盘1.3、行走机构控制***1.4、行走机构和旋转盘1.5,所述行走机构包括机车履带1.1和机车履带驱动器1.2。支臂单元3具备三个自由度,即悬臂3.1的水平旋转、悬臂3.1的垂直旋转和副悬臂3.6的伸缩,包括悬臂3.1、水平转动电动机3.2、垂直转动电动机3.3、双向回转支撑减速机3.4、悬臂气动支撑部件3.5、副悬臂3.6、副悬臂电动机3.7、副悬臂减速机3.8和副悬臂气动支撑部件3.9。清洁单元4具有两个自由度,实时调整自身的转动方向和与光伏电站组件表面的平行方向,清洁单元4工作过程中同时使用辊刷和吸尘两种清洁方式,无需水源,清洁单元具体包括清洁辊4.1、防护罩4.2、进气口4.3、清洁辊电机4.4、挡风板4.5、导管4.6、辊刷倾角减速机4.7、辊刷倾角电机4.8、支架4.9和吸尘器4.10。感知单元5包括倾角传感器5.1和超声波测距阵列5.2。处理单元6的硬件包括嵌入式处理器6.1、继电器开关阵列6.2、变频器6.3、显示屏6.4、无线收发器6.5和控制器通信接口6.6;遥控单元7包含遥控器外壳7.1、遥控器按键区7.2、遥控器信号指示灯7.3、遥控器电源指示灯7.4、遥控器信号发射器7.5、遥控器电池7.6和遥控器电路板7.7。供电单元2包括机车发电***2.1、稳压***2.2及电源管理***2.3。
全自动遥控清洁车1通过无线收发器6.5接收到遥控器7所发送的遥控指令,通过行走机构控制***1.4向机车履带驱动器1.2发出动作指令,然后通过机车履带1.1行驶到所需位置,旋转机车底盘1.3与光伏电站组件方向对正,进入工作就绪状态。
机车发电***2.1负责将机车内能转化成电能,或者机车发电***2.1直接引入光伏电站外部电源接口,稳压***2.2负责对电压做调理,借助电源管理***2.3分别向3支臂单元、4清洁单元、5感知单元、6处理单元分配所需电压和功率。
如图2-5所示,各模块通电后,倾角传感器5.1实时探测清洁辊4.1的倾斜角度,同时超声波测距阵列5.2实时探测清洁辊4.1与光伏电站组件表面的距离,感知单元5感知到的倾斜角度以及超声波测距阵列各个单元感知到的距离实时传输给处理单元6。嵌入式处理器6.1对倾斜角度以及超声波测距阵列5.2各个单元的探测距离值进行分析处理,发送指令至继电器开关阵列6.2和变频器6.3,同时发送工作状态信息和倾斜角度与测距等传感器信息至显示屏6.4显示,嵌入式处理器6.1和继电器开关阵列6.2、变频器6.3以及行走机构控制***1.4之间通过控制器通信接口6.6连接。继电器开关阵列6.2与水平转动电动机3.2、垂直转动电动机3.3、副悬臂电动机3.7、清洁辊电机4.4、辊刷倾角电机4.8、吸尘器4.10分别相连,控制各电机部件的工作与否;变频器6.3与双向回转支撑减速机3.4、副悬臂减速机3.8、辊刷倾角减速机4.7相连,控制各减速机部件的工作频率。各电机部件与各减速机部件互相配合,调整悬臂3.1、副悬臂3.6、清洁辊4.1、吸尘器4.10的制动状态。
具体而言,倾角传感器5.1实时探测的角度值显示其与光伏组件表面不平行时,嵌入式处理器6.1通过继电器开关阵列6.2和变频器6.3控制辊刷倾角电机4.8与辊刷倾角减速机4.7,使清洁辊4.1实时调整自己的角度,保持与光伏组件表面平行。同时,超声波测距阵列5.2实时探测清洁辊4.1与光伏组件表面的距离,嵌入式处理器6.1判断清洁辊4.1是否与光伏组件表面匹配覆盖且距离适中,如果匹配覆盖且距离适中,通过继电器开关阵列6.2开启清洁辊电机4.4和吸尘器4.10,清洁辊电机负责清扫尘土,吸尘器负责回收尘土,在此同时通过行走机构控制***1.4控制全自动遥控清洁车1保持行走状态,清洁辊电机4.4可随行走方向自动调整辊刷转动方向,使得清洁辊去除的灰尘便于被吸尘器4.10充分吸收。如果匹配覆盖但距离过近或过远,或者不匹配覆盖但距离适中,或者不匹配覆盖且距离也不适中,则嵌入式处理器6.1通过继电器开关阵列6.2和变频器6.3分别控制水平转动电动机3.2、垂直转动电动机3.3、副悬臂电动机3.7和双向回转支撑减速机3.4、副悬臂减速机3.8进行一系列动作,使清洁辊4.1实现与光伏组件表面匹配覆盖且距离适中。
如图2所示,悬臂前端3.1与副悬臂3.6末端相互铰接,配有副悬臂气动支撑部3.9,悬臂3.1前端与机车底盘1.3相铰接,配有悬臂气动支撑部3.5,包含支撑杆3.5.1和支撑套3.5.2。
如图2所示,吸尘器4.10安置于悬臂3.1下端中部,悬臂3.1中贯穿有导管4.6与清洁辊4.1末端相连,清洁辊4.1扫除的污物通过挡风板4.5,进气孔4.3和导管4.6进入到吸尘器4.10中。
如图3-图5所示,清洁辊电机可根据清洁辊4.1水平移动方向调整转动方向,使得清洁辊4.1去除的灰尘便于被吸尘器4.10充分吸收;辊刷倾角减速电机4.8配合辊刷倾角电机4.7,实时调整清洁辊4.1的角度与光伏电站组件表面平行,避免清洁辊斜触光伏电站组件表面。
清洁辊4.1外部罩有防护罩4.2,清洁辊4.1与防护罩4.2之间通过支架4.9固定;防护罩4.2背侧中部安装有倾角传感器5.1,防护罩4.2尾侧安装有清洁辊电机4.4,防护罩4.2前侧边缘安装有超声波测距阵列5.2,典型安装方式为四行二列构型,即防护罩4.2左右两侧外缘各有四枚测距单元,其中每侧各有两枚安装在防护罩4.2的上缘和下缘,以便于探测和判断清洁辊4.1和光伏组件表面是否单辊匹配覆盖。
如图4至5所示,清洁辊4.1与防护罩4.2之间的空隙内设有挡风板4.5,挡风板4.5后方防护罩4.2中部设有进气口4.3与导管4.6相连。
如图6所示,清洁辊4.1为单辊,正常工作时与光伏组件表面匹配覆盖。单辊设计可实现一遍式组件表面清洁,避免了某些设备在光伏组件表面的上下区域的反复移动和清洁,效率远高于非一遍式清洁设备,特别适用于大型光伏电站各种长短方阵光伏组件的清洁装置。清洁辊4.1可从支架4.9上拆卸,清洁辊4.1具备多种规格,可拆卸,可装换,能够匹配现有光伏组件所有规格标准。
如图7所示,遥控器电路板7.7被遥控器外壳7.1所封装,其采用一对一编码方式发送指令,多个全自动智能清洁设备在同一现场同时工作时,彼此的遥控单元之间互相不干扰,即一台全自动智能清洁设备只能接收自己的遥控单元所发出的指令,对周围的其它全自动智能清洁设备的遥控单元所发出的指令进行过滤。遥控器按键区7.2包含全自动模式、手动模式、故障自检模式三个按钮,手动模式是指支持人工调整支臂单元和清洁单元的工作状态,手动模式下各操作按钮可控制悬臂3.1上下运动、副悬臂3.6上下运动、清洁辊电机4.4正反转运动;按键指令通过遥控单元7的信号发射器7.5发送,发送成功遥控器信号指示灯7.3闪烁一次,发送失败则不闪烁;遥控单元7采用遥控器电池7.6供电,电量通过遥控器电源指示灯7.4所指示,电量不足则电源指示灯7.4不亮。故障自检模式是指对支臂单元3、清洁单元4、感知单元5和处理单元6的连接状态、工作参数、运行状态进行自检,自检完毕后通过处理单元向用户反馈自检结果,自检结果显示在显示屏6.4上,用户根据故障自检结果,就能迅速地知道是否有故障存在,并能够准确地对故障类型和故障部件进行定位。如果故障自检结果显示没有故障,则用户可进行正常的清洁工作;若故障自检结果显示存在故障并给出排除故障的方法,则用户可根据自检结果中包含的提示信息可进行快速的修复;若故障自检结果显示存在故障并且提供了故障部件的工作参数,则属于较复杂故障,需要专业人员进行维修。
全自动模式时,全自动遥控清洁车1通过无线收发器6.5接收到遥控器信号发射器7.5所发送的遥控指令,一旦指令为全自动工作模式,则感知单元5的探测信息传递给处理单元6控制支臂单元3和清洁单元4进行协同工作,全自动工作时,同时处理单元6中智能控制算法实时判断清洁单元4是否与光伏电站组件保持正常工作距离包括:实时判断清洁辊4.1是否与光伏电站组件宽度保持匹配覆盖,实时判断清洁辊4.1是否与光伏电站组件表面过近或过远,实时判断清洁辊4.1是否与光伏电站组件表面对正和平行,即实时判断清洁辊4.1始终保持与光伏组件表面平行、对正、单轴匹配覆盖、保持正常工作距离,如果全自动遥控清洁车1在行驶过程中遇到路面不平发生起伏时,控制支臂单元3和清洁单元4实时自动调整位置和角度,保证不损伤光伏组件表面。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围,例如超声波测距阵列5.2可以采用其他构型设计,其测距单元也可以选用其他类型测距模块。