基于圖像檢測的光伏面板自清潔系統設計與實現*

0   引言

隨著太陽能產業的迅速發展，其使用規模不斷擴大。光伏面板表面沾染的揚塵、積雪等雜質會使其發電效率大幅降低。此外，經過長時間的日曬，其表面會出現裂紋及熱斑，可能嚴重破壞太陽電池組件，甚至造成不可預估的災難，所以極有必要進行實時熱斑檢測。

市場調查顯示，目前太陽能板維護裝置只能實現清潔功能，故現迫切需要一套兼具清潔和檢測功能的太陽能板機構，以最大限度地優化現有設備。對家庭而言，可直接實時檢測太陽能板表面并進行簡單操作，降低發生事故的風險。對于企業而言，可以達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，其他材料的太陽能光伏板使用壽命也被認為在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%）；組件內部電池脫焊，由于太陽電池片之間的間距設計不合理或焊接質量不良，且組件晝夜間溫差使焊帶和電池之間每天都要經歷熱脹冷縮的運動，最終導致焊帶和電池片焊接脫焊而導致組件報廢；太陽能光伏組件工作環境惡劣，日溫差：-30~+70 ℃；由于太陽電池片之間的間距設計不合理或焊帶質量不良，導致由于組件晝夜間溫差使焊帶每天都要經歷熱脹冷縮的彎折運動；惡劣氣候對光伏組件的破壞：晝夜、東西溫差、風沙、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）應用過程中“熱斑效應”。

為此，光伏面板清潔與監測系統設計有以下幾個需求。

1）提高能源轉換率

●   對面板的清潔能力增強；

●   及時檢測到熱斑和裂紋，并反饋。

2）提升維護效率，減少人力成本

●   自動化程度大幅提升；

●   遠程控制的實現。

1.2 系統接入設計

本產品通過外置清刷裝置掛載在目標太陽能板上，由主機和從機協調配合執行各項任務。通過掛載在太陽能板頂端的移動機構，可實現清刷機構在目標太陽能板上的橫/ 縱向移動。置于清刷機構內部的兩列滾刷，可對目標太陽能板板面進行清刷揚塵及積雪。清刷機構的機身裝有太陽能電源管理模組，對機器本身進行能源收集，以增加續航。同時還配備攝像頭進行面板表面裂紋視覺監測。該系統利用藍牙實現本地主從機的信息交互；利用無線模塊與服務器進行傳輸數據，再由服務器與用戶前端進行數據交互及控制。總體結構設計框圖如圖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 層為四輪從動輪，同時裝有兩列滾刷，用于對目標太陽能板的清刷其表面灰塵、微粘黏、積雪雜質。兩列滾刷均由一臺低扭矩、高轉速馬達通過同步帶輪帶動。

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。裝載了主控芯片樹莓派以及其他傳輸信號板等電路。為了實現檢測功能，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；當需要使用視覺檢測功能時，由微型馬達帶動齒輪旋轉，推出齒條；齒條末端裝有攝像頭及其支架。即可實現回收攝像頭，以保護攝像頭在惡劣環境下導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，可為整套系統收集工作能源。該系統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數據，并發送至MCU 進行處理及存儲。此外針對不穩定的環境因素進行備用供電模組設計搭建，保證在惡劣環境下迅速恢復，實現不斷點持續穩壓穩流送電。同時利用物聯網技術構建數據可視化頁面進行實時電源監控^[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主機在目標太陽能板上的移動，置有兩個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）傳動機構

傳動結構主要位于目標太陽能板上方的金屬滑塊。

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

●   為達到行程限位，在主機上、下各安裝了兩個接近開關，以保證裝載在主機上的清刷機構在太陽能板上來回清刷。

●   選用步進電機帶動裝載在從機上的金屬滑塊在目標太陽能板上方做橫向運動。步進電機能通過脈沖信號轉為角位移，從而做到精確控制運動速度和位移，這對于步進電機的扭矩的選擇要求同樣嚴格。通過傳統的一橫一縱的傳動方式，即可讓主機全方位覆蓋目標太陽能板，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完成一個縱向行程單位的清刷任務后進行抬起且磁吸回收；回收后移動一個橫向行程單位，消磁放下主機進行下一個縱向清刷任務。

1.3 基于圖像檢測的自清潔裝置控制設計

用戶可通過手機端小程序對光伏面板進行實時監測、清洗，并及時收到面板表面安全隱患的提示。本產品在夜間可對目標太陽能面板進行清刷，同時利用視覺對目標太陽能面板進行圖像采集及分析目標太陽能面板表面狀態^[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能電池組件上各電池片的發熱狀況。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，進行遠程控制。用戶端也可查看能源轉換的數據^[3]、設備狀態數據，以達到用戶在日常使用光伏系統的過程中，實現智能化、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，并將元素與數據點進行關聯后，實現圖標數據更新可視化。通過平臺的發布審核，用戶群體即可通過URL 鏈接訪問生成的應用界面。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 小程序頁面設計

用戶可以通過操作小程序實現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 協議實現本地、小程序和服務器之間的通信。

圖6 光之翼小程序

實現小程序websocket 連接功能的關鍵語句如下：

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，未來依然有很大的發展空間。在可視化界面的應用上，可將自動化清洗檢測與實時天氣掛鉤，通過預判的天氣情況實現自動化操作。與此同時，利用機器學習，對大量光伏板裂紋與熱斑的檢測數據進行分析與算法優化，使系統的精準度得到進一步提高。

其應用領域可拓寬到光伏扶貧助農。隨著我國扶貧政策的推進，“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大棚上鋪設太陽能電池板。通過分布式太陽能發電，每戶人家都將成為微型太陽能電站。但新聞資訊及江西、云南的實地調查顯示，在光伏面板給眾農戶帶來收入的同時，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，不僅會大大降低光伏面板的使用壽命，更可能給農戶帶來危險。本裝置緊跟國家政策，扶貧助農，可協助各農戶高效、便捷、準確地實現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

3.1 難點與改進

3.1.1 機械結構

由于光伏面板較脆弱，在其上作業的機器不宜體積過大、重量過重，這對整臺機器的外形設計及尺寸把握是個挑戰，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]，最終確立傳動方案，選擇相關硬件及材料。

未來的改進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 電控設計

本裝置通過ESP8266 通信MQTT 服務器， 從而傳輸數據至微信用戶小程序，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、齒輪傳動、圖像攝取以及藍牙通信等功能。由于ESP8266 連接WiFi 會有短暫的延遲，從而導致與Arduino Mega 2560 硬串口通信會短暫打印0、1 代碼，Arduino 單片機誤以為接受數據控制電機傳動。考慮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冗雜代碼。供電線路設計，由于裝置涉及傳動機構較多，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。從機裝置通過雙出軸直流電機牽引主機于光伏面板上縱向運動，考慮到主機質量、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一定的函數關系：

因此，當A 與η _N 均為常數時，電動機額定功率PN與允許溫升τ _max 成正比關系，絕緣材料等級越高，電動機額定功率越大。同時，上式還表明，一臺電動機允許溫升不變時，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、過載倍數等因素。結合《電機拖動與基礎》[5] 綜合考慮種種因素，最終確定電機選擇方案并經過多次實驗測試確定最終方案。

3.2 比賽參后感

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

參考文獻：

[1] 劉根水,蔣健,陳煒.基于物聯網和云計算的可視化工程測量平臺設計與實現[J].網絡首發,2020.8.21.

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

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

[4] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

[5] 李發海,王巖.電機拖動與基礎[M].3版.北京:清華大學出版社,2013.

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年1月期）