光伏板表面無(wú)水除塵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜振海， 張作良， 谷東偉， 盛萬(wàn)強(qiáng)

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.南京華群光電技術(shù)有限公司，南京210012；3.吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司 研發(fā)中心，吉林 吉林132021）

0 引言

隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，行業(yè)發(fā)展總體趨勢(shì)好，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，光伏行業(yè)市場(chǎng)容量將呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。從目前我國(guó)光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)光伏行業(yè)投資收益率將得到進(jìn)一步的提升。光伏板作為光伏發(fā)電中的核心部件，其表面清潔度對(duì)光伏發(fā)電效率有著重要的影響。光伏板表面的灰塵若不及時(shí)清理，不僅會(huì)影響光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率，甚至可能損壞光伏板[1]。對(duì)于光伏板表面的除塵設(shè)備，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。邢玉東[2]設(shè)計(jì)了一款基于負(fù)壓吸附履帶式光伏清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采用多吸盤(pán)吸附式的吸附結(jié)構(gòu)、履帶式的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)傳感器檢測(cè)光伏板的邊緣，在移動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板的無(wú)死角清潔，但是該機(jī)器人清掃面積較小，清掃效率較低。羅奧[3]設(shè)計(jì)了一輛光伏板無(wú)水除塵清掃車(chē)，該除塵清掃車(chē)的吸塵裝置由液壓馬達(dá)帶動(dòng)引風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)輸塵管路將工作過(guò)程中掃進(jìn)引風(fēng)管的灰塵吸入除塵袋中，該除塵清掃車(chē)具有自動(dòng)化程度高、清潔效率高等特點(diǎn)，但是該除塵清掃車(chē)受工作環(huán)境影響，在一些道路崎嶇的山區(qū)無(wú)法使用。陳澤糧[4]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型電池板除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光伏發(fā)電中無(wú)法并入電網(wǎng)的棄光電量進(jìn)行壓縮空氣，再利用壓縮空氣的沖擊力對(duì)光伏電池板進(jìn)行除塵。 Hiroyuki Kawamoto[5]設(shè)計(jì)了一款光伏板表面靜電清洗設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)在平行屏幕電極之間施加高壓交流電進(jìn)行除塵。該靜電清洗設(shè)備雖然清洗效果好，但是成本較高，不適合大面積推廣使用。Michele Gabrio Antonelli等[6]研發(fā)了一款適用于沙漠地區(qū)光伏板表面的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采用12 V的電池供電，通過(guò)螺旋刷旋轉(zhuǎn)清掃光伏板表面的灰塵。該機(jī)器人裝有超聲波傳感器，能夠?qū)崟r(shí)有效地獲得機(jī)器人的位置、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。

本文設(shè)計(jì)了一款適用于兩排拼接、陣列式排布的光伏板表面無(wú)水除塵裝置。對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。將該裝置進(jìn)行除塵試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做擬合處理，用MATLAB軟件優(yōu)化出除塵率最高的工作參數(shù)。

1 除塵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該除塵裝置主要由清掃系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、限位系統(tǒng)、光伏組件和外殼等組成，采用光伏組件發(fā)電作為除塵裝置自供電單元，采用超寬溫-40～70 ℃鋰電池組儲(chǔ)存電能，除塵裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。每一排光伏板左側(cè)安裝有轉(zhuǎn)向架，右側(cè)安裝有停機(jī)架，每?jī)闪泄夥逯g通過(guò)橋接板連接在一起。除塵裝置安裝有限位開(kāi)關(guān)和自鎖開(kāi)關(guān)，當(dāng)除塵裝置清掃至轉(zhuǎn)向架邊緣時(shí)會(huì)自動(dòng)往回清掃，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)除塵裝置的往返運(yùn)動(dòng)。除塵裝置不工作時(shí)會(huì)停放在光伏板右側(cè)的停機(jī)架上，自鎖開(kāi)關(guān)會(huì)將除塵裝置鎖緊，避免大風(fēng)環(huán)境對(duì)除塵裝置造成損害。除塵裝置及光伏板的布局如圖2所示。

圖1 除塵裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 除塵裝置及光伏板布局圖

2 上端限位系統(tǒng)有限元仿真

上端限位系統(tǒng)是光伏板表面無(wú)水除塵裝置的重要支撐系統(tǒng)，它不但需要限制除塵裝置的向下移動(dòng)，而且承載著除塵裝置重力沿著光伏板表面的分力。上端限位系統(tǒng)對(duì)除塵裝置正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，一旦上端限位系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重變形或者斷裂的情況，除塵裝置則無(wú)法正常運(yùn)行，有可能會(huì)從光伏板表面滑落，造成裝置損壞甚至人員傷亡。因此，需要對(duì)上端限位系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。上端限位系統(tǒng)的應(yīng)變和應(yīng)力分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，上端限位系統(tǒng)的整體變形量較小，最大變形發(fā)生在限位輪的邊緣處，最大應(yīng)變值為0.028 02 mm，上端限位系統(tǒng)的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。由圖4可知，上端限位系統(tǒng)的整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力發(fā)生在螺桿處，最大應(yīng)力值為19.725 MPa，上端限位系統(tǒng)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。上端限位系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能夠承受除塵裝置防止除塵裝置沿著光伏板表面滑落。

圖3 上端限位系統(tǒng)應(yīng)變圖

圖4 上端限位系統(tǒng)應(yīng)力圖

3 基于響應(yīng)面法的傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)

3.1 響應(yīng)面法

響應(yīng)面法是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并通過(guò)試驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)方法[7]。響應(yīng)面的模型為

式中：y為響應(yīng)面函數(shù)；β0、βi、βii、βij為回歸系數(shù)；zi、zj為第i、j個(gè)設(shè)計(jì)變量；ε為誤差項(xiàng)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是響應(yīng)面法不可缺少的環(huán)節(jié)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)是通過(guò)抽取較少數(shù)量的能夠反映出空間樣本特性的點(diǎn)來(lái)反映響應(yīng)的特性。本文采用優(yōu)化空間條填充設(shè)計(jì)（Optimal Space-Filling Design）選取試驗(yàn)點(diǎn)，該方法在整個(gè)設(shè)計(jì)空間均勻分布，空間填充能力強(qiáng)。

3.2 多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）

傳動(dòng)軸的輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題是指在滿足傳動(dòng)軸的機(jī)械強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，使傳動(dòng)軸的質(zhì)量盡量小，因此該問(wèn)題屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。MOGA的中心思想是每個(gè)個(gè)體的序號(hào)取決于它前面種群支配它的個(gè)體數(shù)量。MOGA的獨(dú)特之處在于適應(yīng)值的分配方式。首先會(huì)對(duì)種群中的每一個(gè)解進(jìn)行占優(yōu)性檢驗(yàn)，每一個(gè)解的等級(jí)是以1為基礎(chǔ)，然后在此基礎(chǔ)上加上優(yōu)于這個(gè)解的個(gè)數(shù)。然后根據(jù)這些解的等級(jí)分配初始適應(yīng)值，將同等級(jí)個(gè)體的初始適應(yīng)值求平均，將此平均值設(shè)定為各等級(jí)的指定適應(yīng)值，這樣能夠保證較高等級(jí)的個(gè)體的適應(yīng)值較高，強(qiáng)調(diào)了種群中存在非劣解的問(wèn)題[8]。MOGA的流程如圖5所示。

圖5 MOGA流程圖

3.3 輕量化設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸是行走系統(tǒng)中的重要?jiǎng)恿鬏斄慵?，它承載著除塵裝置的行走轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)軸出現(xiàn)斷裂或嚴(yán)重變形會(huì)導(dǎo)致除塵裝置無(wú)法正常移動(dòng)，除塵裝置也會(huì)因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)清掃功能?？紤]到傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，若傳動(dòng)軸兩端變形較大，可能會(huì)造成除塵裝置兩端移動(dòng)不同步，造成卡死等故障；若傳動(dòng)軸質(zhì)量較重，可能會(huì)壓壞光伏板。因此需要對(duì)傳動(dòng)軸做輕量化設(shè)計(jì)，使其既能滿足強(qiáng)度和剛度的要求，又能使質(zhì)量較輕。

應(yīng)用ANSYS 軟件中的Static Structural 模塊和Response Surface Optimization模塊對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。以傳動(dòng)軸的內(nèi)徑d和外徑D作為輸入變量，設(shè)定8≤d≤12、14≤D≤18，采用Optimal Space-Filling Design進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用Kriging插值法生產(chǎn)響應(yīng)面，響應(yīng)面結(jié)果如圖6所示。

圖6 響應(yīng)面結(jié)果圖

由圖6可以看出，選取的觀測(cè)點(diǎn)全部在響應(yīng)面上，響應(yīng)面生成效果很理想，可以用于下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

選用MOGA對(duì)傳動(dòng)軸做優(yōu)化設(shè)計(jì)，以質(zhì)量最輕作為目標(biāo)函數(shù)，以應(yīng)變和應(yīng)力作為約束條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)及約束條件如下：

優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化后該傳動(dòng)軸的最大變形量為0.551 68 mm，最大應(yīng)力值為18.213 MPa，該傳動(dòng)軸的剛度和強(qiáng)度優(yōu)異。優(yōu)化后該傳動(dòng)軸的質(zhì)量為0.473 16 kg，比優(yōu)化前減輕了40.84%，能夠盡量減小因該裝置過(guò)重而對(duì)光伏板的損壞。

4 除塵裝置工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 除塵試驗(yàn)

將本文所設(shè)計(jì)的除塵裝置按照設(shè)計(jì)圖樣加工出來(lái)，安裝在光伏板上。試驗(yàn)裝置如圖8所示。

該試驗(yàn)以除塵裝置的除塵率為試驗(yàn)指標(biāo)。以η表示除塵率，則有表達(dá)式為

式中：A為撒在光伏板表面每份灰塵的總質(zhì)量，g；B為清掃過(guò)后光伏板表面剩余灰塵的質(zhì)量，g。

圖7 優(yōu)化結(jié)果圖

圖8 試驗(yàn)裝置圖

該試驗(yàn)采用控制變量法，分別設(shè)定滾刷的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為70、80、90、100、110、120 r/min，滾刷的移動(dòng)速度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m/s，進(jìn)行36種不同工作參數(shù)的試驗(yàn)。每次試驗(yàn)在光伏板表面均勻地布置灰塵25 g。每種工作參數(shù)的試驗(yàn)進(jìn)行5次，記錄試驗(yàn)后光伏板表面剩余的灰塵的質(zhì)量，然后取平均值。 除塵裝置在不同工作參數(shù)下的除塵率如表1所示。

表1 不同工作參數(shù)下除塵裝置除塵率 %

4.2 工作參數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立

模型假設(shè)

式中：η為除塵裝置的除塵率；x1為滾刷的旋轉(zhuǎn)速度，r/min；x2為 滾刷的移動(dòng)速度，m/s；β0、β1、β2、β3為 模 型參數(shù)；ε為誤差項(xiàng)。

應(yīng)用EViews軟件對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法回歸擬合，擬合結(jié)果如圖9所示。由圖9所示的最小二乘法回歸擬合結(jié)果可以得出擬合關(guān)系：

4.3 基于MATLAB的工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖9 最小二乘法回歸擬合結(jié)果

本文在4.2節(jié)中根據(jù)除塵裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將除塵裝置的除塵率、滾刷的旋轉(zhuǎn)速度和滾刷的移動(dòng)速度擬合成一個(gè)二元二次函數(shù)，該除塵裝置工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問(wèn)題。為了使該除塵裝置擁有最高的除塵率，通過(guò)MATLAB對(duì)除塵裝置的兩個(gè)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

通過(guò)除塵裝置工作參數(shù)優(yōu)化，得出最優(yōu)解。當(dāng)滾刷的旋轉(zhuǎn)速度為112.2642 r/min，滾刷的移動(dòng)速度為0.2 m/s時(shí)，該除塵裝置的除塵率最高。將優(yōu)化后的最優(yōu)解代入到式（3）中計(jì)算出該除塵裝置的最大除塵率為97.38%。優(yōu)化后的除塵率高于任何一組試驗(yàn)時(shí)除塵率，這充分說(shuō)明了對(duì)除塵裝置工作參數(shù)優(yōu)化的有效性和必要性。

5 結(jié)論

本文研發(fā)了一款光伏板表面無(wú)水除塵裝置并對(duì)該裝置進(jìn)行了有限元仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。上端限位系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度足夠，能夠防止除塵裝置從光伏板表面滑落。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后傳動(dòng)軸的質(zhì)量減輕了40.84%。經(jīng)過(guò)除塵試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，優(yōu)化出該除塵裝置的最佳工作參數(shù)，該除塵裝置的最高除塵率可以達(dá)到97.38%。本文的研究成果對(duì)同類(lèi)的光伏板除塵裝置設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考意義。