基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统研究_王翠香.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 超越照明115基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统研究王翠香，邵 星盐城工学院 信息工程学院，江苏 盐城 224000摘要：处于室外环境的太阳能光伏面板容易积聚灰尘、水滴等异物，这会影响太阳能光伏面板的发电效率，对此，文章设计一种基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统。该系统由太阳能光伏面板管理节点、物联网网关节点、上层应用组成。系统可以依据用户设定，运行自动或手动模式。在自动模式下，清洁设备依据光伏面板上灰尘、水滴的积聚情况，自动开启相应的清洁设备；在手动模式下，用户可以依据需要控制光伏面板的清洁设备。系统原型运行表明，该系统可以实现太阳能光伏面板的自动清洁，提高光伏面板的发电效率。关键词：光伏面板；太阳能；自动清洁；物联网分类号：TM6150引言我国能源需求量大，且较依赖外部能源供给，为了解决能源依赖问题，支持清洁能源发展成了我国的国策。大力发展绿色清洁能源，对于推动经济、社会和生态可持续发展，帮助我国实现“碳达峰、碳中和”的目标具有巨大的现实意义1。在清洁能源技术中，太阳能光伏发电技术是利用半导体界面的光生伏特效应将太阳能转化为电能的技术。太阳能在全球普遍存在，不受地域限制，太阳能光伏发电技术得到了广泛应用。近年来，我国的太阳能产业得到了快速发展。根据国家能源局数据，2021 年中国太阳能发电累计装机容量为 306 560 000 kW，同比增长 21%，中国太阳能产业规模位居全球第一2。太阳能光伏面板通常安装于便于受到阳光照射的开放区域，太阳能面板上容易积聚灰尘、水滴等物体，影响太阳能面板接收太阳能的效率，进而影响太阳能面板的发电效率。因此，对太阳能面板进行高效率清洁，是太阳能光伏发电系统的重要研究方向3。近年来，物联网产业被列为国家战略性新兴产业得到飞速发展。物联网利用感知识别设备、网络技术、信息技术等，沟通物理世界与信息世界，特别适合于对太阳能光伏面板的管理。为此，文章设计了一种基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统。该系统在每个光伏面板部署光伏面板管理节点，每个光伏面板管理节点通过水滴传感器、光照度传感器感知光伏面板表面的灰尘、水滴的积累情况，评估是否需要对光伏面板进行清洁。光伏面板管理节点可以连接光伏清洁设备，包括风扇和清灰设备。当光伏面板表面存在雨水或灰尘，影响光伏面板发电效率时，管理节点将对清洁设备发送启动指令，实现对光伏面板的清洁。光伏面板控制节点通过网络连接后台数据库和 Web 服务器，向服务器上报每个光伏面板的实时状况信息，同时可以接收来自用户的指令，对光伏面板的清洁设备进行控制，从而实现智能化的光伏清洁管理，并提高光伏面板的发电效率。1系统总体架构设计一般的物联网系统可以分为感知层、网络层、服务层、应用层。基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统的整体结构如图 1 所示，系统的整体结构按照物联网的 4 层结构设置。（1）在感知层，光伏面板管理节点连接传感器模块和面板清洁设备，可以采集光伏面板状态信息和控制光伏清洁设备，光伏面板控制节点通过网络连接到物联网网关。（2）物联网网关处于网络层，在感知网络与外界TCP/IP 网络的边界，可以沟通感知层与用户，一方面可以上报光伏面板管理节点采集的数据给服务层和应用层，另一方面可以接收用户向光伏面板管理节点下发的指令。（3）服务层包括数据库服务器和 Web 服务器。数据库服务器用于存储物联网网关上报的光伏面板感知数据，Web 服务器用于向用户提供 Web 服务。作者简介：王翠香，女，硕士，讲师，研究方向为机器学习、基于机器学习的机械故障诊断。文章编号：2096-9317（2023）01-0115-03 超越照明 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明116（4）在应用层，PC 端用户和移动端用户都可通过Web 应用访问系统，查看光伏面板的状态，并能够向光伏面板管理节点下发指令，控制清洁设备的开启与关闭。2系统硬件设计2.1 光伏面板管理节点硬件设计光伏面板管理节点是整个光伏面板自动清洁系统的核心设备。光伏面板管理节点本质是以 STM32 芯片为核心的单片机系统，电源电路和晶振电路分别为其提供能量和时钟信号。其中，传感器模块负责采集太阳能光伏面板状态的信息。光照度传感器通过光照度感知反映光伏面板积聚的灰尘厚度，雨水传感器负责感知光伏面板是否存在雨水。传感器模块感知的数据送入 STM32，由 STM32 按照预定程序判定光伏面板的清洁程度，进而确定是否启动清洁设备对光伏面板进行清洁。清洁设备包括清灰设备和风扇。当光伏面板存在雨水或者轻度灰尘时，可以启动风扇对光伏面板进行吹扫作业，清除面板表面的雨水或轻度灰尘。当光伏面板存在较重度的灰尘时，启动清灰设备，对光伏面板进行刮扫作业，清理面板表面的重度灰尘，从而提高光伏面板的光电转化效率和发电能力。为了实现组网与通信功能，STM32 芯片还连接有以太网模块和 Zigbee 模块，可以根据需要选取合适的通信方式将传感器模块采集的光伏设备状态信息上报到后台服务器，也可以通过通信接口接收上层用户发来的指令，控制清洁设备运行。以太网模块允许光伏面板管理节点通过 TCP/IP 协议栈和有线方式与外部网络连接；STM32 与 Zigbee 模块通过串口连接，在不适合部署有线网络的场景下，可以通过 Zigbee 网络以无线方式上报传感数据和接收控制指令。2.2 物联网网关硬件设计物联网网关处于感知识别网络与外界 TCP/IP 网络之间，起到数据转发和协议转换的作用。物联网网关以 ARM A9 芯片为核心，电源电路和晶振电路分别为其提供电源和时钟信号。Zigbee 协调器节点通过串口与 ARM A9 芯片通信，触屏显示模块可以显示其他光伏面板管理节点发来的光伏面板的状态信息，包括光伏面板是否有水滴、灰尘积聚厚度等数据，也可以在触屏界面向各个面板管理节点发送清洁设备控制指令，控制清洁设备的开启与关闭。网关节点提供按键输入模块，用户可以通过键盘进行输入操作。在通信方面，物联网网关的 ARM A9 芯片可以与以太网通信模块、Wi-Fi 通信模块、5G 通信模块相互连接通信，可以依据部署地的网络环境灵活选取相应的通信模块，实现感知感知识别网络与外部通信网络之间的互联互通。3系统软件设计3.1 光伏面板管理节点软件设计光伏面板管理节点直接管理和控制光伏面板，是整个系统的核心，其软件运行流程如图 2 所示。光伏面板管理节点的工作模式有自动模式和手动模式 2 种，光伏面板管理节点上电后，可以由用户选择工作模式。在自动模式下，光伏面板管理节点通过定时器 T周期性上报当前光伏面板表面的水滴数据 R 和光照度数据 I，并依据系统时钟自动判断当前时间是否为太阳照射时间，如为太阳照射时间，则依据相应规则，控制光伏面板的清洁设备。基于水滴数据 R 和光照度数据 I 的清洁设备控制规则如表 1 所示，水滴数据 R 取值为 0（无水滴）或 1（有水滴），光照度分别设置了上阈值 Ih和下阈值 Is。光照度 I Ih，表明光伏面板透光性较好；I 在 Ih和 Is之间，表示光伏面板表面有轻微灰尘；I Is，表示光伏面板积聚较多灰尘，影响发电效率，需要采取清灰措施。通过光伏面板表面灰尘与水滴的自动清洁，提高光伏面板表面的透光率，从而提升其发电效率。在手动模式下，光伏面板管理节点同样通过定时器 T 的定时，周期性上报当前光伏面板表面的水滴数据 R 和光照度数据 I，并等待用户通过上层应用，由物光伏面板管理节点光伏面板管理节点光伏面板管理节点数据库服务器物联网网关Web服务器PC端应用移动端应用服务层传感器模块清洁设备传感器模块清洁设备传感器模块清洁设备应用层感知层网络层图 1基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统结构图光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 超越照明117联网网关发来的指令。当用户的指令到达，将自动判断指令类别，并按照要求控制清灰设备和风扇的开启与关闭，实现手动控制清洁设备。3.2 物联网网关软件设计物联网网关节点处于感知设备与上层应用之间，是感知网络与应用之间的沟通桥梁。物联网网关节点一方面通过各种网络接口接收光伏面板管理节点发来的水滴数据、光照度数据、清洁设备状态数据，并在液晶屏幕显示，一方面通过 MQTT 协议的发布功能“Publish()”将相关数据上报至服务器。用户既可以在物联网网关节点的液晶屏上发布清洁设备控制指令，也可通过应用和服务器向网关发送清洁设备控制指令，实现对光伏清洁设备的本地和远程控制。4系统测试为了验证文章设计的太阳能光伏面板自动清洁系统的可行性，使用相关硬件设备搭建了一个光伏面板管理节点原型系统。在原型系统中，采用小风扇模拟光伏面板上面的清灰风扇，使用舵机模拟清灰设备。在光伏面板管理节点原型系统中，通过液晶屏可以查看传感器实时采集的光伏面板水滴数据、光照度数据、清灰设备状态、除尘风扇状态。用户可以在液晶屏选择节点的工作模式（自动模式和手动模式），并可以分别设置光照度上阈值 Ih和下阈值 Is。此外，用户也可直接通过液晶屏发送清洁设备控制指令，实现对清灰设备和风扇的控制，从而实现对光伏面板的清洁。测试发现，系统满足设计需求，各项功能正常工作。5结束语针对当前光伏面板表面存在灰尘和水滴，降低光伏面板发电效率的问题，文章设计了一种基于物联网的太阳能光伏面板自动清洁系统。整个系统由光伏面板管理节点、物联网节点和上层应用组成，可以实现自动模式和手动模式下的太阳能光伏面板的智能化自动清洁，提高光伏面板的发电效率。参考文献1 高天宇.新能源光伏发电站项目建设管理优化策略研究J.光源与照明,2022(11):71-73.2 舒印彪,陈国平,贺静波,等.构建以新能源为主体的新型电力系统框架研究J.中国工程科学,2021,23(6):61-69.3 锁箭,汤瑞丰.中国绿色能源高质量发展水平测度研究J.技术经济,2020,39(5):125-133.节点上电模式选择自动模式手动模式设置定时器T定时时间T到达？传感器模块采集水滴R和光照度I上报水滴和光照度I数据当前时刻为工作时间？依据表1规则控制清洁设备等待定时时间设置定时器T定时时间T到达？传感器模块采集水滴R和光照度I上报水滴R和光照度I数据等待定时时间指令到达？等待指令到达解析指令依据指令控制清洁设备图 2光伏面板管理节点运行流程图表 1基于水滴数据 R 和光照度数据 I 的清洁设备控制规则水滴数据 R光照度数据 I含义控制动作R=0I Ih无水滴，光照大于上阈值关闭所有清洁设备R=0Ih I Is无水滴，光照在上下阈值之间打开风扇R=0Is I无水滴，光照小于下阈值打开清灰设备R=1I Ih有水滴，光照大于上阈值打开风扇R=1Ih I Is有水滴，光照在上下阈值之间打开清灰设备R=1Is I有水滴，光照小于下阈值打开所有清洁设备