CN107743015B - 气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能光伏/光热阵列维护技术领域，尤其涉及一种气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统。该系统包括控制装置、清扫行进机构、电源部分、机架和限位轮，所述清扫行进机构包括直流电机、联轴器、平衡轮、传动轴、松尘毛刷；所述控制装置包括控制器、行程开关及安装于光伏/光热阵列左右两端的反向挡板，控制器还设有无线通信模块，用于接收控制指令；该系统还包括气体喷射机构，该机构固定于机架上，用于向光伏/光热板面喷射高速气流。本发明依靠毛刷与板面间的摩擦力提供行走动力，节省了能源耗费。利用毛刷松动板面积灰，利用高速气流吹落灰尘，提高除尘效果；利用气流对系统的反作用力，平衡系统自重，保证系统的平稳行走。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏/光热阵列维护技术领域，尤其涉及一种气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统。
背景技术
随着经济的发展和进步，人类社会对能源的需求量越来越大，煤炭、石油等传统能源已不能满足日益增长的社会需求，而且传统能源对环境的影响也不容忽视，因此当今社会对风能、太阳能等可再生能源的研究和应用越来越多，尤其是太阳能，以其能源量大、清洁、环保，在集热和发电领域得到广泛应用。在太阳能丰富的地区已经铺设了众多大规模的光伏电站，而且在建筑行业，也有很多太阳能集热器或光伏电池板的应用。这些应用方式都是将光伏或光热板暴露在阳光下，长期使用后，板面会积聚大量灰尘，极大地影响了太阳能组件的转换效率，严重时，还会损坏太阳能组件。为避免这些不利影响，需定期对光伏/光热板进行清扫。
目前，清扫光伏/光热阵列主要有人工清扫和机器清扫两类方式，当光伏/光热阵列面积较大时，采用人工清扫，费时费力，效率低且成本高。现有的机器清扫设备有地面移动清扫作业车和板面移动清扫机。对于第一种设备，因清扫作业车需在光伏阵列之间行走，光伏阵列之间需预留足够大的间距，这样导致光伏板的铺设数量减少，降低了能源利用量；而且，清扫作业车仍需人工驾驶，逐块清扫，不能自行启动运行，效率并没有得到很大提升；另外，大型光伏电站大多位于山区、高原等地势起伏比较大的地区，清扫作业车在这类地区的使用很受限制。针对第一种方式存在的缺陷，进一步研究出了第二种能在光伏/光热板面上自行移动的智能清扫机，申请号为2017101835647、名称为一种用于光伏板的清扫机的专利申请就公开了这种清扫机，所公开的清扫机是利用驱动装置带动行走轮转动，从而实现机器的移动，这种方式需为行走轮设置传动装置，导致装置结构复杂，并且仅靠毛刷清除灰尘，力度不足，导致清扫效果不佳。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，利用高速气流冲击光伏/光热板面，提高了对灰尘的清除力度，同时摒弃了行走轮的动力装置，仅靠毛刷与板面的摩擦力带动系统移动，有效简化了系统的结构配置。
本发明的技术方案如下：
一种气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，包括控制装置、清扫行进机构、电源部分及用于固定上述装置的机架和机架两端的限位轮，所述清扫行进机构包括直流电机、联轴器、传动轴及环绕传动轴设置的松尘毛刷，传动轴一端通过联轴器与直流电机输出轴连接，另一端通过平衡轴承与机架固定；清扫行进机构还包括至少两对平衡轮，每对平衡轮对称安装于机架两侧并且底部略高于松尘毛刷底面；所述控制装置包括控制器、位于清扫行进机构左右两侧的行程开关及安装于光伏/光热阵列左右两端的反向挡板，行程开关与控制器输入端连接，用于在行程开关接触到反向挡板时向控制器反馈信号，控制器输出端通过电机驱动电路与直流电机连接，用于控制直流电机运转和反向；控制器还设有无线通信模块，用于与控制终端和/或光伏/光热阵列监控主站通信，接收控制指令；所述限位轮横向固定于机架两端底部，用于与光伏/光热阵列上下两端面滚动接触，使机架沿阵列横向移动且不掉落；该系统还包括气体喷射机构，所述气体喷射机构固定于机架上，用于向光伏/光热板面喷射高速气流，吹落灰尘，同时利用气流对板面的冲击力反作用于机架，平衡系统自重，防止下滑。
本发明的控制器可以直接与光伏/光热阵列监控主站通信，主站会根据太阳辐照及系统运行效率数据，实时分析判断某区域阵列板面积尘是否超标，并在超标时向该区域清扫系统的控制器发送控制指令，使系统开启工作进行除尘；在运行效率达标后发送停止指令，使清扫系统停止运行，这样实现了清扫系统的自动开启和关停。当然，本发明系统也可以通过现场控制或远程APP控制，满足控制方式的多元化要求。
本发明不设置行走轮，只有用于平衡机架保证其稳定行走的平衡轮，平衡轮不需与驱动装置连接，本发明中的直流电机只用来带动传动轴和毛刷旋转，利用毛刷与板面的摩擦力带动系统本体向前移动。由于系统本体具有一定质量，系统本体的重力可分解为平行于板面向下的分力和垂直于板面向下的分力，垂直于板面向下的分力会导致毛刷与板面产生较大传动摩擦力，平行于板面向下的分力将使系统具有沿板面向下的滑动趋势，导致系统行走时纵向受力不均，可能出现行走倾斜现象，进而导致行走卡死。为此，本发明设置了气体喷射机构，通过向板面喷射高速气流对板面产生设定角度的冲击力，冲击力的反作用力将作用于系统本体，反作用力的分力与重力各分力方向相反，平行于板面方向反作用力分力大小与重力分力相等，可保证系统的行走方向，防止系统下滑。在能满足行走速度的基础上，最大限度平衡本体在垂直于板面方向的分力，既能减小由于大摩擦而产生的板面损坏，而且不影响行走，此分力大小可通过调节风机安装方向来调节，故此举进一步减小了系统对轻质的要求。本发明同时还设置了行程开关，利用行程开关与阵列边界的反向挡板配合，界定系统的行走边界，待其行走到边界时控制其反向行走，实现系统的自动往复。
进一步，所述的气体喷射机构包括至少一对对称设置在机架两侧的喷管式风机，喷管式风机与机架活动连接。喷管式风机可喷出高速气流，其出风口方向可调，从而可调节气流的方向，以便使系统受到的反作用力分力能很好的抵消掉系统重力分力，保证系统行走的平稳性并减少对板面的摩擦力。
优选的，所述离心式风机为出口接有渐缩喷管的喷管式风机。利用渐缩喷管可进一步加大风机喷出的气流初速度，从而提高气流与板面的冲击力。
优选的，所述直流电机为双轴直流电机，两侧的输出轴各通过联轴器连接一环绕有松尘毛刷的传动轴，两传动轴另一端均通过平衡轴承与机架固定。利用这种直流电机，可以在两侧各连接一段传动轴和毛刷，这样通过两段毛刷实现清扫行走机构总长度的增长，可缩短单根传动轴的长度，避免单根传动轴过长，长期运行后发生变形。
本发明需设置电源为直流电机、风机供电，所述电源部分包括锂电池、光伏电池板和充电控制器，光伏电池板通过充电控制器为锂电池充电。充电控制器可对锂电池的充放电过程进行控制，防止过充或过放。
进一步，所述的光伏电池板位于机架顶部。
进一步，所述的行程开关呈一定角度安装于机架两侧，并且角度可调。系统安装到光伏/光热阵列后，需根据反向挡板的位置对行程开关进行调试，以使其能准确检测阵列的边界，保证行走过程的精准控制。
本发明的有益效果：
1、本发明系统属于单独清扫装置，安装于光伏/光热阵列板面上，与板面间不需要任何连接件，结构简单，安装方便，不占用地面空间，因此可增加光伏/光热板的排列密度。
2、本发明系统与监控主站联合，能根据太阳辐照及系统运行效率自动启动除尘，无需人工操作，实现系统自动工作，节省了人力成本，提高了除尘效率。
3、本发明系统的行进无需借助动力源，依靠系统自身的重力和毛刷与板面间的摩擦力提供行走动力，节省了能源耗费。
4、本发明利用毛刷先松动板面的积灰，再借助风机向板面喷射的高速气流吹落灰尘，提高除尘效果；同时，还利用流体力学原理，利用气流对系统的反作用力，平衡系统自重，保证系统的平稳行走，减少对板面的磨损。
附图说明
图1是本发明顺时针旋转90度后的主视图；
图2是本发明顺时针旋转90度后的俯视图；
图3是图2的A-A向剖视图；
图4是本发明的安装示意图；
图中，1、限位支架，2、平衡轴承，3、机架，4、喷管式风机，5、松尘毛刷，6、双轴直流电机，7、联轴器，8、限位轮，9、平衡轮，10、光伏电池板，11、行程开关，12、控制器，13、锂电池，14、传动轴，15、反向挡板，16、光伏/光热板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。文中所用到的“上”、“下”、“左”、“右”是从面向光伏/光热阵列板面方向所界定的，仅用于清楚描述安装位置关系，不具有限定意义。
一种气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，如图1、2、3所示，包括控制装置、清扫行进机构、电源部分、气体喷射机构和机架3。所述控制装置包括控制器12、行程开关11和安装于光伏/光热阵列左右两边界的反向挡板15，反向挡板15通过G型卡与板面固定。所述电源部分包括锂电池13、光伏电池板10和充电控制器(图中未显示)，锂电池为系统用电器件供电，光伏电池板通过充电控制器与锂电池连接，充电控制器负责锂电池的充放电管理，防止过充和过放。(具体原理过程为现有技术，在此不再赘述。)所述机架3为底面敞开的壳体，光伏电池板10和控制器12安装于机架顶部，锂电池13位于机架内部顶层。行程开关11包括两个，分别设置在机架左右两侧，并与反向挡板的安装位置对应，行程开关的角度可以调节，以适应不同的阵列。所述清扫行进机构包括双轴直流电机6、两个联轴器7、两对平衡轮9、两根传动轴14及环绕传动轴设置的松尘毛刷5，传动轴14和松尘毛刷5采用分体式结构，松尘毛刷可定期更换，传动轴的轴径与双轴直流电机输出轴的轴径匹配，大约为8mm。两个传动轴14一端分别通过一联轴器7与双轴直流电机6两侧的输出轴连接，另一端分别通过一平衡轴承2和螺栓与机架3两端板固定。两对平衡轮9相对于机架中心对称设置于机架上下两段，并且每对平衡轮对称安装于机架左右两侧，平衡轮底部略高于松尘毛刷底面，以保证毛刷与板面有一定压力从而形成摩擦动力。机架两端底部还各设有一限位支架1，分别安装有一对限位轮8，限位轮横向设置，合理设置机架长度及限位支架长度使得系统安装到光伏/光热阵列后，限位轮能与阵列的上下两端面滚动接触。所述气体喷射机构包括相对机架轴线对称设置的两列喷管式风机4，喷管式风机通过螺栓与机架活动连接，以保证其出风口的角度可调，从而调整气流对板面的冲击力方向。喷管式风机的出风口上连接有渐缩喷管，因此能增大气流的初速度，进而增大对板面的冲击力。控制器12还设有无线传输模块，用于接收光伏/光热阵列监控主站或控制终端发来的控制指令，以便实现系统自动运行或终端APP控制运行。行程开关11与控制器12输入端连接，用于采集系统到达边界的信号，以便在到达边界时控制系统转向。控制器12输出端通过电机驱动电路与双轴直流电机6连接，用于根据指令控制直流电机启动、反向和停止。
下面对本发明的安装和使用过程进行描述：
如图4所示，光伏/光热板16一般倾斜设置，将该系统置于板面上，并使两端的限位轮与光伏/光热板上下两端面接触，这样即可将系统固定在光伏/光热板上，防止其掉落。系统空闲状态均位于光伏/光热板阵列一端的初始位置，控制器接收到现场或终端APP或监控主站发来的开启控制指令，启动系统，直流电机通电，带动毛刷旋转，毛刷松动板面的灰尘，毛刷与板面间有一定摩擦力，在该摩擦力带动下，系统开始行进。同时，风机也通电开始工作，喷出高速气流，借助高速气流对板面的冲击力，系统受到反作用力，从而平衡系统自重，防止系统下滑卡死，保证系统正常的行走方向，该反作用力在垂直板面方向的分力还能减轻系统对板面的压力，从而减少毛刷对板面的摩擦损坏。另外，均匀分布的风源还可将板面松动的灰尘吹扫到地面上，对板面除尘起关键作用。当系统行进至光伏/光热板阵列另一端时，行程开关接触到该端的反向挡板发出信号，控制器接收到开关信号，控制直流电机反转，使系统反向行进，后续将重复此循环过程，直至系统接收到停止运行指令，控制器将传送给电机结束信号，不论电机处于何种旋转方向，控制器均控制电机返回初始位置。到达初始位置后，初始侧行程开关接触初始侧反向挡板，系统停止运行。
该系统还可安装报警器，并具备故障检测功能，系统故障检测通过系统运行一个周期的时长进行衡量，当控制系统检测到一个周期时长内，行程开关还未接触初始侧反向挡板，控制系统将发出远程及就地报警信号，同时给电机与风机断电。由于该机械传动难免存在周期误差，故根据测试经验结果，控制系统实际需检测时长应略大于周期时长，可设置一定误差范围，例如误差为0.03T，T为周期时长，即当实际检测时长大于1.03T时行程开关仍未接触初始侧反向挡板，系统再报警。
以上仅为本发明的一个实施例，不能用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员根据本发明的技术方案做出的任何等同变换均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，包括控制装置、清扫行进机构、电源部分及用于固定上述装置的机架(3)和机架两端的限位轮(8)，其特征在于：所述清扫行进机构包括直流电机、联轴器(7)、传动轴(14)及环绕传动轴设置的松尘毛刷(5)，传动轴(14)一端通过联轴器(7)与直流电机输出轴连接，另一端通过平衡轴承(2)与机架(3)固定；清扫行进机构还包括至少两对平衡轮(9)，每对平衡轮对称安装于机架两侧并且底部略高于松尘毛刷底面；所述控制装置包括控制器(12)、位于清扫行进机构左右两侧的行程开关(11)及安装于光伏/光热阵列左右两端的反向挡板(15)，行程开关(11)与控制器(12)输入端连接，用于在行程开关接触到反向挡板时向控制器反馈信号，控制器(12)输出端通过电机驱动电路与直流电机连接，用于控制直流电机运转和反向；控制器(12)还设有无线通信模块，用于与控制终端和/或光伏/光热阵列监控主站通信，接收控制指令；所述限位轮(8)横向固定于机架两端底部，用于与光伏/光热阵列上下两端面滚动接触，使机架沿阵列横向移动且不掉落；该系统还包括气体喷射机构，所述气体喷射机构固定于机架上，用于向光伏/光热板面喷射高速气流，吹落灰尘，同时利用气流对板面的冲击力反作用于机架，反作用力的分力与系统重力各分力方向相反，平行于板面方向反作用力分力大小与重力分力相等，平衡系统自重，防止下滑，保证系统的行走方向；所述的气体喷射机构包括至少一对对称设置在机架两侧的离心式风机，离心式风机与机架活动连接，其出风口方向可调。
2.根据权利要求1所述的气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，其特征在于：所述离心式风机为出口接有渐缩喷管的喷管式风机(4)。
3.根据权利要求1所述的气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，其特征在于：所述直流电机为双轴直流电机(6)，两侧的输出轴各通过联轴器连接一环绕有松尘毛刷的传动轴(14)，两传动轴另一端均通过平衡轴承与机架固定。
4.根据权利要求1或3所述的气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，其特征在于：所述传动轴(14)和松尘毛刷(5)采用分体式结构，传动轴的轴径与直流电机输出轴轴径相匹配。
5.根据权利要求1至3任一项所述的气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，其特征在于：所述电源部分包括锂电池(13)、光伏电池板(10)和充电控制器，光伏电池板通过充电控制器为锂电池充电。
6.根据权利要求5所述的气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，其特征在于：所述的光伏电池板(10)位于机架顶部。
7.根据权利要求1至3任一项所述的气体喷射式光伏/光热阵列板面自动清扫系统，其特征在于：所述的行程开关(11)呈一定角度安装于机架两侧，并且角度可调。
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