基于圖像檢測的光伏面板自清潔系統設計與實(shí)現*

0   引言

隨著(zhù)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其使用規模不斷擴大。光伏面板表面沾染的揚塵、積雪等雜質(zhì)會(huì )使其發(fā)電效率大幅降低。此外，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的日曬，其表面會(huì )出現裂紋及熱斑，可能?chē)乐仄茐奶?yáng)電池組件，甚至造成不可預估的災難，所以極有必要進(jìn)行實(shí)時(shí)熱斑檢測。

市場(chǎng)調查顯示，目前太陽(yáng)能板維護裝置只能實(shí)現清潔功能，故現迫切需要一套兼具清潔和檢測功能的太陽(yáng)能板機構，以最大限度地優(yōu)化現有設備。對家庭而言，可直接實(shí)時(shí)檢測太陽(yáng)能板表面并進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，降低發(fā)生事故的風(fēng)險。對于企業(yè)而言，可以達到定時(shí)清掃太陽(yáng)能板及自動(dòng)查找裂紋的功能，最大限度地提高經(jīng)濟效益。

1   光伏面板清潔與監測系統分析與設計

1.1 系統需求分析

目前世界上普遍認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(yáng)能光伏板使用壽命也被認為在20~30 年左右。

影響太陽(yáng)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%）；組件內部電池脫焊，由于太陽(yáng)電池片之間的間距設計不合理或焊接質(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(dòng)，最終導致焊帶和電池片焊接脫焊而導致組件報廢；太陽(yáng)能光伏組件工作環(huán)境惡劣，日溫差：-30~+70 ℃；由于太陽(yáng)電池片之間的間距設計不合理或焊帶質(zhì)量不良，導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(dòng)；惡劣氣候對光伏組件的破壞：晝夜、東西溫差、風(fēng)沙、雪荷載等。

目前太陽(yáng)能光伏板面臨以下痛點(diǎn)問(wèn)題：

1）灰塵、積雪阻擋光線(xiàn)；

2）維護成本高、能源效率低；

3）對面板清洗、檢查困難；

4）面板制造時(shí)隱裂、碎片等；

5）應用過(guò)程中“熱斑效應”。

為此，光伏面板清潔與監測系統設計有以下幾個(gè)需求。

1）提高能源轉換率

●   對面板的清潔能力增強；

●   及時(shí)檢測到熱斑和裂紋，并反饋。

2）提升維護效率，減少人力成本

●   自動(dòng)化程度大幅提升；

●   遠程控制的實(shí)現。

1.2 系統接入設計

本產(chǎn)品通過(guò)外置清刷裝置掛載在目標太陽(yáng)能板上，由主機和從機協(xié)調配合執行各項任務(wù)。通過(guò)掛載在太陽(yáng)能板頂端的移動(dòng)機構，可實(shí)現清刷機構在目標太陽(yáng)能板上的橫/ 縱向移動(dòng)。置于清刷機構內部的兩列滾刷，可對目標太陽(yáng)能板板面進(jìn)行清刷揚塵及積雪。清刷機構的機身裝有太陽(yáng)能電源管理模組，對機器本身進(jìn)行能源收集，以增加續航。同時(shí)還配備攝像頭進(jìn)行面板表面裂紋視覺(jué)監測。該系統利用藍牙實(shí)現本地主從機的信息交互；利用無(wú)線(xiàn)模塊與服務(wù)器進(jìn)行傳輸數據，再由服務(wù)器與用戶(hù)前端進(jìn)行數據交互及控制?？傮w結構設計框圖如圖1所示。

圖1 總體結構設計框圖

1.2.1 主機控制系統總體介紹

在本地系統中，主機主要負責信號的傳輸/ 處理與清刷功能。其控制系統安裝層如圖2 所示。

1.2.2 主機結構設計總體介紹

●   第1 層

第1 層為四輪從動(dòng)輪，同時(shí)裝有兩列滾刷，用于對目標太陽(yáng)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、高轉速馬達通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)。

圖2 主機控制系統安裝層框圖

●   第2 層

第2 層主要為控制系統安裝層。裝載了主控芯片樹(shù)莓派以及其他傳輸信號板等電路。為了實(shí)現檢測功能，在二層上部裝有由齒輪及齒條為主要的推出機構，并在該機構上安裝一顆OV2640 攝像頭；當需要使用視覺(jué)檢測功能時(shí)，由微型馬達帶動(dòng)齒輪旋轉，推出齒條；齒條末端裝有攝像頭及其支架。即可實(shí)現回收攝像頭，以保護攝像頭在惡劣環(huán)境下導致的短路及其他故障。

●   第3 層

第3 層主要為太陽(yáng)能光伏系統，可為整套系統收集工作能源。該系統在滿(mǎn)足太陽(yáng)能電源收集條件下，通過(guò)各類(lèi)傳感器收集電路中的各類(lèi)狀態(tài)數據，并發(fā)送至MCU 進(jìn)行處理及存儲。此外針對不穩定的環(huán)境因素進(jìn)行備用供電模組設計搭建，保證在惡劣環(huán)境下迅速恢復，實(shí)現不斷點(diǎn)持續穩壓穩流送電。同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構建數據可視化頁(yè)面進(jìn)行實(shí)時(shí)電源監控^[1]。

1.2.3 從機控制系統總體介紹

從機在整套裝置的頂端，主要負責信號的收集和帶動(dòng)主機在目標太陽(yáng)能板上的移動(dòng)，置有兩個(gè)馬達與回收主機機構。其控制系統安裝層如圖3 所示。

圖3 從機控制系統安裝層框圖

1.2.4 從機結構設計總體介紹

1）傳動(dòng)機構

傳動(dòng)結構主要位于目標太陽(yáng)能板上方的金屬滑塊。

●   通過(guò)一個(gè)雙出軸直流電機帶動(dòng)繞線(xiàn)軸，以線(xiàn)纜的纏繞帶動(dòng)主機，做到穩定、上下來(lái)回地牽引。為減少重力對于此過(guò)程的影響，選用轉矩較大的馬達。

●   為達到行程限位，在主機上、下各安裝了兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)，以保證裝載在主機上的清刷機構在太陽(yáng)能板上來(lái)回清刷。

●   選用步進(jìn)電機帶動(dòng)裝載在從機上的金屬滑塊在目標太陽(yáng)能板上方做橫向運動(dòng)。步進(jìn)電機能通過(guò)脈沖信號轉為角位移，從而做到精確控制運動(dòng)速度和位移，這對于步進(jìn)電機的扭矩的選擇要求同樣嚴格。通過(guò)傳統的一橫一縱的傳動(dòng)方式，即可讓主機全方位覆蓋目標太陽(yáng)能板，做到高效率、全自動(dòng)、全覆蓋的清刷。

2）回收裝置

回收裝置主要用于主機完成一個(gè)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(dòng)一個(gè)橫向行程單位，消磁放下主機進(jìn)行下一個(gè)縱向清刷任務(wù)。

1.3 基于圖像檢測的自清潔裝置控制設計

用戶(hù)可通過(guò)手機端小程序對光伏面板進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、清洗，并及時(shí)收到面板表面安全隱患的提示。本產(chǎn)品在夜間可對目標太陽(yáng)能面板進(jìn)行清刷，同時(shí)利用視覺(jué)對目標太陽(yáng)能面板進(jìn)行圖像采集及分析目標太陽(yáng)能面板表面狀態(tài)^[2]，以完成裂紋檢測。系統工作流程如圖4 所示。

裝置在白天利用熱像儀熱斑檢測太陽(yáng)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(gè)別電池片溫度異常過(guò)高，就說(shuō)明此電池片可能有問(wèn)題，用戶(hù)便可及時(shí)使用微信小程序查看太陽(yáng)能板實(shí)時(shí)圖像，進(jìn)行遠程控制。用戶(hù)端也可查看能源轉換的數據^[3]、設備狀態(tài)數據，以達到用戶(hù)在日常使用光伏系統的過(guò)程中，實(shí)現智能化、高效化和低成本。

圖4 系統工作流程

1.4 軟件可視化設計

1.4.1 平臺應用頁(yè)面設計

平臺內上傳圖片，添加可視化元素，并將元素與數據點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，實(shí)現圖標數據更新可視化。通過(guò)平臺的發(fā)布審核，用戶(hù)群體即可通過(guò)URL 鏈接訪(fǎng)問(wèn)生成的應用界面。最終后端維護平臺界面效果如圖5 所示。

圖5 平臺可視化界面

1.4.2 小程序頁(yè)面設計

用戶(hù)可以通過(guò)操作小程序實(shí)現對光之翼管理平臺的基本頁(yè)面，如圖6 所示。

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

圖6 光之翼小程序

實(shí)現小程序websocket 連接功能的關(guān)鍵語(yǔ)句如下：

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

2   系統迭代的方向與可能性

在原系統的基礎上，未來(lái)依然有很大的發(fā)展空間。在可視化界面的應用上，可將自動(dòng)化清洗檢測與實(shí)時(shí)天氣掛鉤，通過(guò)預判的天氣情況實(shí)現自動(dòng)化操作。與此同時(shí)，利用機器學(xué)習，對大量光伏板裂紋與熱斑的檢測數據進(jìn)行分析與算法優(yōu)化，使系統的精準度得到進(jìn)一步提高。

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

光伏扶貧主要涉及住房屋頂和農業(yè)大棚上鋪設太陽(yáng)能電池板。通過(guò)分布式太陽(yáng)能發(fā)電，每戶(hù)人家都將成為微型太陽(yáng)能電站。但新聞資訊及江西、云南的實(shí)地調查顯示，在光伏面板給眾農戶(hù)帶來(lái)收入的同時(shí)，對大批光伏面板的管理也成為他們面臨的一大問(wèn)題，若管理不當，不僅會(huì )大大降低光伏面板的使用壽命，更可能給農戶(hù)帶來(lái)危險。本裝置緊跟國家政策，扶貧助農，可協(xié)助各農戶(hù)高效、便捷、準確地實(shí)現對大批光伏面板的管理，帶來(lái)更多收益，減少資源浪費。

3   感悟與總結

3.1 難點(diǎn)與改進(jìn)

3.1.1 機械結構

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

未來(lái)的改進(jìn)會(huì )放在毛刷清潔部分，目前僅能處理大量灰塵堆積，未來(lái)將向無(wú)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 電控設計

本裝置通過(guò)ESP8266 通信MQTT 服務(wù)器， 從而傳輸數據至微信用戶(hù)小程序，而后 Arduino Mega 2560硬串口通信ESP8266 控制主機上的滾刷清掃、機蓋張開(kāi)、齒輪傳動(dòng)、圖像攝取以及藍牙通信等功能。由于ESP8266 連接WiFi 會(huì )有短暫的延遲，從而導致與Arduino Mega 2560 硬串口通信會(huì )短暫打印0、1 代碼，Arduino 單片機誤以為接受數據控制電機傳動(dòng)?？紤]到數據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(xiàn)路設計，由于裝置涉及傳動(dòng)機構較多，供電系統選擇既要考慮到電池容量、輸出電壓電流，還要根據光伏面板的性能及實(shí)際效率設計合適的“光之翼供電系統”。

3.1.3 電機選擇

本裝置電機涉及范圍較廣，既有直流電機亦有交流電機。從機裝置通過(guò)雙出軸直流電機牽引主機于光伏面板上縱向運動(dòng)，考慮到主機質(zhì)量、體積等因素，該直流電機的輸出轉矩選定為2.5 N·m；但又考慮到電機連續工作方式下，額定功率與溫升有著(zhù)一定的函數關(guān)系：

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

除此之外，電機的選擇還要考慮到安裝方式、防護方式、額定電壓、額定轉速、過(guò)載倍數等因素。結合《電機拖動(dòng)與基礎》[5] 綜合考慮種種因素，最終確定電機選擇方案并經(jīng)過(guò)多次實(shí)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(shí)踐的機會(huì )與平臺，作為大學(xué)生的我們不應僅著(zhù)眼于課堂理論知識的學(xué)習，更應該將理論運用到實(shí)踐中。建立項目團隊并參加科創(chuàng )競賽，從發(fā)現問(wèn)題、提出創(chuàng )意到做成實(shí)物、日益完善的過(guò)程中，自己親手解決一個(gè)個(gè)問(wèn)題，整個(gè)團隊共同克服各種困難，這些都將成為我們學(xué)習生涯中無(wú)可替代的寶貴經(jīng)歷。在“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”的時(shí)代背景下，我們將繼續帶著(zhù)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。

參考文獻：

[1] 劉根水,蔣健,陳煒.基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的可視化工程測量平臺設計與實(shí)現[J].網(wǎng)絡(luò )首發(fā),2020.8.21.

[2] 胡慧之,陳從悅,惠蘊心,等.基于STM32的人臉識別門(mén)禁系統的設計[J].電腦知識與技術(shù).2018(34):176-177.

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

[4] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）