对重平衡设计原理—光伏幕墙智能清扫系统的研究与设计

摘　要：在光伏发电技术应用中，光伏组件灰尘堆积发电效率会产生显著影响，对光伏组件经常清扫可提高光伏板发电功率。针对光伏幕墙清扫系统，通过 PLC 实现系统设计和研究，光伏幕墙智能清扫系统设计分为硬件设计和软件设计，其中硬件设计包括执行功能设计和清扫功能设计。

随着光伏发电技术的不断发展，不仅在屋顶上能看到光伏板，连很多高楼幕墙都直接采用光伏板进行装饰。虽然光伏发电技术能够有效缓解能源紧张问题，但也存在着一些新问题，例如光伏组件面积大，且必须暴露在空气中，空气中灰尘堆积在光伏组件中，对光伏发电效率产生影响，而经常清洗光伏板电能输出明显比未清洗的高很多。因此基于提高光伏发电功率的初衷，研究和设计光伏幕墙智能清扫系统具有重要意义。

目前，光伏板清洗主要采用人工清洗、工程车清洗以及自由行走机器人清洗等方式，但这些清洗方式主要是针对于屋顶和太阳能电站的光伏板，而对于垂直幕墙来说，上述方式并不实用，虽然一些光伏幕墙采用人工水洗方法，但该方式不仅危险系数高，而且成本也高。本文主要针对光伏幕墙清扫系统进行研究，并对光伏幕墙智能清扫系统软硬件系统针对性设计。

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光伏幕墙智能清扫系统硬件设计

本光伏幕墙智能清扫系统主要由清扫执行部分和清扫运行部分组成。

清扫部分主要完成光伏幕墙光伏板清扫工作，具体来说就是针对光伏组件上的灰尘进行清扫，本系统清扫方法是通过给海绵喷水，然后对光伏板表面进行擦拭现，具体清扫执行部分设计如图1所示。图中水管实现喷水工作，海绵主要对幕墙灰尘进行擦拭。清扫时，水管先喷水 10s，海绵下上来回运动3次；接着整个清扫部件下行一小段距离，再喷水，再下上来回运动 3 次，又完成一段面积的光伏板清洗工作。依次重复上述步骤，直到整个垂直幕墙清扫完成。水管中的水通过注水软管引入，钢丝绳牵引清扫部件来回动作。

清扫运行部分主要实现清扫部件运行功能，具体如图2 所示。为了保证清扫部件在垂直墙面上能来回运动，且不掉坠，本设计对清扫执行部分进行了重量平衡设计。清扫部分和对重块通过钢丝绳两端进行连接，钢丝绳卷在主轴上，当主轴转动时，对重移动，清扫部件随之移动，从而实现清扫部件移动操作。主轴通过齿轮连接电机，当控制电机正转和反转时，主轴实现转动。软水管也卷在主轴上，当水阀打开，水管喷水。另外，在主轴上还安装了抱闸装置，电机断电时闸阀抱死，得电时闸阀松开。同时在光伏板顶端和末端安装了上下限位传感器，保证执行部件和对重不运行到界限外。

图1　清扫执行部分

图 2　清扫运行部分

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 光伏幕墙智能清扫系统软件设计

本系统软件主要通过核心控制部件PLC实现智能清扫， PLC 通过接收控制信号，控制喷水阀出水，抱闸系统完成智能清扫工作。具体 I/O 点包括输出点清洗开关（IO.O）、上限位（IO.1）、下限位（IO.2）、输出点主轴电机正转（QO. O）、输出点主轴电机反转（QO.1）、喷水阀（QO.2）和抱闸系统（QO.3）。

智能清扫系统清扫流程如图3所示，打开清洗开关（IO. O）控制喷水阀（Q0.2）喷水 10s，闸阀抱死；10S 后闸阀松开，主轴电机（QO.1）反转 5s 清扫部件下行，再正转 5s清扫部件上行，来回 3 次，实现对光伏组件的擦洗；接下来主轴电机（QO.1）反转5s清扫部件下行，准备下一段清扫，喷水阀（Q0.2）再次喷水 10s。重复刚才擦洗动作，直到碰到下限位（IO.2），停止整个清扫工作。

图 3　智能清扫系统清扫流程图

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 结语

本文所设计光伏智能清扫系统采用对重平衡设计原理，缓解了垂直幕墙清扫容易发生掉坠的安全问题，采用 PLC可实现实现幕墙自动清扫，较好完成了光伏幕墙清扫工作。

但本设计也存在一定局限性，即只考虑了规则幕墙清扫，对于不规则幕墙清扫则需要相关设计者，根据实际情况对设计方式进行改变。

来源：长江工程职业技术学院

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