Autonomiczny czyszczący robot solarny. Nowoczesne rozwiązanie dla maksymalnej sprawności farm fotowoltaicznych
Dynamiczny rozwój sektora OZE w ostatnich latach doprowadził do powstania wielu dodatkowych gałęzi przemysłu, które generują różnego rodzaju rozwiązania wspomagające pracę i eksploatację infrastruktury „zielonej energii”. Jednym z takich rozwiązań są różnego rodzaju systemy czyszczące dedykowane panelom fotowoltaicznym (PV) [1,2]. Branżowe firmy prześcigają się w opracowywaniu zaawansowanych rozwiązań do czyszczenia i obsługi PV, co skutkuje rynkowymi wdrożeniami coraz to nowszych pomysłów w zakresie ich eksploatacji oraz optymalnego wykorzystania. Inteligentne roboty czyszczące, pokrywanie szkła warstwą hydrofobową lub usuwanie kurzu i piasku za pomocą ładunków elektrostatycznych na powierzchni szkła, to tylko niektóre z przykładów obecnie dostępnych na rynku rozwiązań.
Jak pokazują wieloletnie badania nawet 50 % – 60 % spadku mocy instalacji fotowoltaicznej spowodowane jest długotrwałym osadzaniem się kurzu czy piasku. Najtrudniejsze warunki występują na terenach pustynnych, gdzie jest susza i są duże ilości drobnego piasku [3]. W przypadku farm fotowoltaicznych, zajmujących duże obszary, proces kondycjonowania urządzeń staje się bardzo złożony. Nierzadko odbiorcy czy prosumenci zmuszani są do odstąpienia od takich zabiegów, ponieważ pochłania to zbyt dużo czasu i pieniędzy. Ciekawym rozwiązaniem tego problemu są autonomiczne roboty czyszczące powierzchnie paneli fotowoltaicznych. Wśród nich można wyróżnić: samobieżne jednostki z napędem gąsienicowym, z napędem przyssawkowym [4] oraz głowice czyszczące [5], poruszające się na specjalnie skonstruowanych ramach stanowiących „tor” jezdny dla urządzenia. To ostatnie rozwiązanie, z dodatkowym systemem prowadzenia dla elementu czyszczącego, ma istotną zaletę. Rama lub sztywny trakt ulokowany wzdłuż „stołu fotowoltaicznego” zapewnia dodatkowy udźwig i sztywność całej konstrukcji. Co więcej, głowica, jak i dodatkowe oprzyrządowanie nie spoczywają bezpośrednio na tafli szkła. Dzięki takiemu rozwiązaniu na głowicy można zainstalować dodatkowo różnego rodzaju oprzyrządowanie w postaci urządzeń diagnostycznych działających na podczerwień, skanerów powierzchni czy chociażby dodatkowego zbiornika z detergentem.
Firma Roltec jest jednym z niewielu w skali światowej konstruktorów urządzenia wyposażonego w głowicę czyszczącą. Dzięki finansowemu wsparciu m.in. z Unii Europejskiej Solarbot jest już obecnie na bardzo zaawansowanym etapie. Projekt jest realizowany w ramach Strategii na rzecz inteligentnego i zrównoważonego rozwoju „Europa 2020”,
Konstrukcja
Solarbot został zaprojektowany do utrzymywania w optymalnej kondycji paneli fotowoltaicznych. Podstawowym jego zadaniem jest okresowe czyszczenie paneli z zalegających drobin, które zmniejszają efektywność produkcji energii elektrycznej.
Elementami odpowiedzialnymi za usuwanie brudu z powierzchni paneli są dwie walcowe szczotki z włókna poliuretanowego. Podczas pracy robot obraca szczotkami, przemieszczając je nad panelami. Błoto, pył, śnieg oraz inne cząsteczki blokujące dostęp promieni słonecznych do warstwy światłoczułej zostają starte, a powierzchnia paneli pozostaje czysta. Elementami wprawiającymi robota w ruch są cztery silniki. Dwa z nich służą jako napęd poziomy i pozwalają na przemieszczanie się robota wzdłuż szeregu paneli fotowoltaicznych. Jeden silnik za pośrednictwem liniowej przekładni zębatej przemieszcza głowicę, na której zamontowane są szczotki, w kierunku góra-dół. Ostatni silnik wprawia szczotki w ruch obrotowy.
Pozycje skrajne robota wykrywane są przez wyłączniki krańcowe. Dwa ograniczają ruch głowicy w pionie, a kolejne dwa ruch całego robota w poziomie. Dwa dodatkowe wyłączniki krańcowe służą jako zabezpieczenie w przypadku awarii. Zamontowane są w taki sposób, że gdy robot traci kontakt z panelem lub dotrze do krawędzi szeregu, następuje przerwanie obwodu bezpieczeństwa i w rezultacie zatrzymanie wszystkich silników. Pakiety akumulatorów, ładowane podczas postoju, stanowią źródło zasilania elementów automatyki robota w czasie pracy. Pojemność pakietów wpływa na zasięg robota i można ją dostosować pod konkretną aplikację. Algorytm sterowania jest realizowany na dwóch dedykowanych sterownikach, komunikujących się za pośrednictwem transmisji radiowej.
Model robota w programie CAD
Infrastruktura i sterowanie
Nadzorowanie pracy zespołu robotów odbywa się za pośrednictwem przeglądarki internetowej. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwa jest kontrola stanu oraz przesyłanie komend dla robotów z dowolnego miejsca z dostępem do Internetu. Przeglądarka łączy się z serwerem aplikacji, którego zadaniem (poza pośredniczeniem w komunikacji między użytkownikiem, a urządzeniem końcowym) jest gromadzenie i prezentacja danych. Serwer aplikacji zdalnie łączy się z serwerem lokalnym znajdującym się w zasięgu sieci LoRa (Long Range) farmy fotowoltaicznej. System transmisji LoRa pozwala na komunikację z nielicencjonowaną częstotliwością radiową 868 MHz na dystansie do kilkunastu kilometrów. Serwer lokalny wyposażony jest w moduł transmisji LoRa i komunikuje się ze wszystkimi robotami pracującymi na farmie. Każdy z dwóch sterowników robota ma podłączony jeden moduł transmisji LoRa, za pośrednictwem którego odbiera i przesyła dane. Sterownik zamontowany przy ramie nośnej robota pełni rolę nadrzędną. Do jego zadań należy sterowanie silnikami napędu realizującego ruch wzdłuż stołu fotowoltaicznego zgodnie z zaimplementowanym algorytmem oraz synchronizacja pracy drugiego sterownika. Drugi sterownik (slave) jest odpowiedzialny za ruch głowicy wzdłuż ramy konstrukcji nośnej robota.
Algorytmy sterowników
Program sterowników zasadą działania przypomina sterownik PLC. Pętla główna uruchamiana jest z ustaloną częstotliwością, a kod realizowany jest bez opóźnień. Przerwania generowane, np. przez potwierdzenia zakończenia transmisji, powoduje ustawienie odpowiednich flag i wypełnienie buforów. Następnie są przetwarzane już po powrocie z funkcji przerwania, w ściśle określonej kolejności. Bazą algorytmu jest automat Moor’a, rozszerzony o poziomy sterowania. Najwyższy poziom stanowi graf trybu pracy, w którym przejścia pomiędzy stanami są wywoływane przez komendy przychodzące z serwera. Na poziomie pośrednim stany reprezentują aktualną czynność realizowaną przez sterownik np. ładuję akumulatory, przemieszczam się na kolejny pas do czyszczenia. Przejścia na tym poziomie są wywoływane głównie przez komunikaty z drugiego sterownika lub przez zakończenie określonego interwału czasowego. Niższy poziom sterowania jest najbliżej warstwy sprzętowej robota. Przejścia między stanami wykonywane są przy zaistnieniu odpowiednich warunków, np. aktywacji wyłącznika krańcowego. Jednocześnie przy zaistnieniu przejścia generowane są sygnały sterujące, np. sygnał – uruchom silniki na 50 % mocy. Do najnowszej wersji wprowadzono jeszcze jeden dodatkowy poziom, który pozwala na zatrzymanie robota w dowolnym momencie pracy i kontynuację w tym samym miejscu programu po przerwie.
Dlaczego właśnie Solarbot?
Wyposażenie farmy fotowoltaicznej w Solarboty przynosi wymierne korzyści. Eliminuje potrzebę organizowania regularnych prac konserwacyjnych, których celem jest przywrócenie elektrowni jej nominalnej wydajności. Częstotliwość pracy Solarbotów może być dowolnie sterowana, przez co jest znacznie większa niż w przypadku gdy tę samą pracę wykonują pracownicy manualnie. Efekt gromadzenia się zabrudzeń praktycznie nie występuje. Możliwość zdalnego monitorowania robotów pozwala szybko reagować w przypadku awarii i przywrócić urządzenia do działania.
Główne cechy Solarbota:
- odporność na warunki atmosferyczne,
- prosta konstrukcja, która przekłada się na niższy koszt i większą niezawodność,
- lekka (45 kg), bardzo wytrzymała konstrukcja ze stopu aluminium zapewniająca dużą sztywność całego układu podczas ruchu,
- uniwersalność – robot może pracować w dowolnej szerokości geograficznej, na farmach fotowoltaicznych o dowolnej wielkości,
- prędkość przejazdu 1 m/s, posuw roboczy głowicy automatycznie dostosowuje się do bieżącego stanu po którym aktualnie porusza się robot czyszczący,
- prędkość obrotowa szczotek dobierana jest automatycznie przez program w zależności od stopnia zabrudzenia.
Roltec Sp. z o.o.
Żylice 31 e, 63-900 Rawicz
tel. +48 65 537 39 99
Literatura
1. Automated, robotic dry-cleaning of solar panels in Thuwal, Saudi Arabia using a silicone rubber brush Brian Parrott*, Pablo Carrasco Zanini, Ali Shehri, Konstantinos Kotsovos, Issam Gereige, Solar Energy 171 (2018) 526–533]
2. Assembly of Modular Robot for Cleaning Various Length of Solar Panels K Chailoet and E Pengwang, International Conference on Engineering, Applied Sciences and Technology 2019 IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 639 (2019) 012014
3. Dust and soiling issues and impacts relating to solar energy systems: Literature review update for 2012–2015 Suellen Costa, Antonia Sonia ALVES Cardoso Diniz, Lawrence L. Kazmerski, Renewable and Sustainable Energy Reviews 63 (2016) 33–61
4. Autonomous robot for cleaning photovoltaic panels in desert zones, Michele Gabrio Antonelli*, Pierluigi Beomonte Zobel, Andrea De Marcellis, Elia Palange, Mechatronics 68 (2020) 102372
5. Automated, robotic dry-cleaning of solar panels in Thuwal, Saudi Arabia using a silicone rubber brush Brian Parrott*, Pablo Carrasco Zanini, Ali Shehri, Konstantinos Kotsovos, Issam Gereige Solar Energy 171 (2018) 526–533
source: Automatyka 12/2022