一種適合大面積清掃的光伏板清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

鐘 勇，李方舟，邱煌樂(lè)，張 樹(shù)，湯韜略

（福建工程學(xué)院，福建 福州 350118）

光伏板是目前利用太陽(yáng)能的主要方式，通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行利用和儲(chǔ)存。因此光電轉(zhuǎn)換效率是光伏板運(yùn)行過(guò)程中的重要技術(shù)指標(biāo)，而光伏板的發(fā)電效率會(huì)受到環(huán)境影響，尤其是表面積灰會(huì)極大降低發(fā)電效率。一方面，灰塵遮擋會(huì)使光伏板表面玻璃的透射率減小，降低了總體太陽(yáng)輻射量；另一方面，長(zhǎng)期的灰塵積累，會(huì)對(duì)光伏板表面造成腐蝕，并可能導(dǎo)致光伏發(fā)電的熱平衡發(fā)生改變，造成不可逆的損傷[1]。

目前光伏板表面的清潔方式包括人工清潔、清潔車(chē)輛清潔、清潔機(jī)器人清潔等。人工清潔效果好，但清潔效率低且人工成本高，只適合小面積光伏板的清潔；清潔車(chē)輛多用于中大型光伏陣列，但會(huì)受到陣列排布、地形等的限制；一般的清潔機(jī)器人清潔效果較好且成本低，但無(wú)法滿足大面積清潔需要。

本文設(shè)計(jì)了一種光伏板清潔機(jī)器人，利用可拼接式的模塊化軌道，不受光伏板的尺寸限制，無(wú)清洗死角，減少了板面的無(wú)效清潔區(qū)域，能更好地滿足大面積光伏板清潔的需要，提高了大面積清潔光伏板的工作效率。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較早，尤其是美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，早在20 世紀(jì)末就已制定了一系列光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃，使得光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，許多光伏板清潔機(jī)器人也因此應(yīng)運(yùn)而生。例如，瑞士GEKKO 公司研發(fā)的SERBOT 清潔機(jī)器人、意大利UEMME 公司研發(fā)的MANTASOLAR 清潔機(jī)器人、以色列企業(yè)ECOPPIA 研制的光伏電池板清潔機(jī)器人等[2]。

近些年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，相關(guān)的光伏清潔機(jī)器人也隨之蓬勃發(fā)展。自2012 年以來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)投入到了光伏板清潔技術(shù)的研究中，將國(guó)外已有的先進(jìn)技術(shù)與國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，同時(shí)也自主研發(fā)出了多項(xiàng)清潔技術(shù)，打破了技術(shù)壟斷。例如，2014 年昱臣智能研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)無(wú)水清潔光伏板機(jī)器人亮相。其產(chǎn)品與意大利UEMME 公司所研發(fā)的清潔機(jī)器人有相似之處，但是實(shí)現(xiàn)了無(wú)水清潔，同時(shí)擁有更高的感應(yīng)靈敏度。此外，西安運(yùn)維電氣也在近年研發(fā)了OMRobot 光伏清潔機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)單排清潔及跨排清潔，整體灰塵清潔率超過(guò)98%。這些光伏清潔機(jī)器人的研發(fā)，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)光伏清潔領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，也讓中國(guó)在光伏清潔領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

2 光伏清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

光伏清潔機(jī)器人基于類行車(chē)架構(gòu)，通過(guò)可拼接式的雙軌道排布，在保證高效、有效清潔的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積光伏板的清潔，解決了現(xiàn)有光伏清潔機(jī)器人無(wú)法適應(yīng)大面積清掃需求等問(wèn)題。采用噴水、輥刷清掃等多種清潔裝置，利用傳感器規(guī)劃路徑，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)各組件部分進(jìn)行行走、工作控制和相互的聯(lián)通。光伏清潔機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主清潔作業(yè)、充電等，無(wú)需過(guò)多的人工干預(yù)。此外控制系統(tǒng)也可將傳感器和攝像頭所獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，也可通過(guò)云端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。光伏清潔機(jī)器人總體工作流程如圖1 所示。

圖1 光伏清潔機(jī)器人總體工作流程圖

2.2 光伏清潔機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括清掃組件、清掃軌道、行走組件、行車(chē)軌道和充電樁，除清掃組件外，其余組件為對(duì)稱架構(gòu)。

圖2 光伏清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

清掃組件包含噴水裝置、輥刷、平板拖等清掃裝置，能在清掃軌道上運(yùn)動(dòng)，并可清潔光伏板表面。清掃軌道承載清掃組件，并約束清掃組件的運(yùn)動(dòng)，其兩端連接行走組件。行走組件的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)清掃軌道及其上方的清掃組件整體移動(dòng)[3]，且行走組件的運(yùn)動(dòng)受到行車(chē)軌道的約束。行車(chē)軌道兩側(cè)端有無(wú)線充電樁，能為行走組件進(jìn)行無(wú)線充電，無(wú)線充電樁的電能由光伏板工作直接提供。

2.2.1 清掃組件設(shè)計(jì)

清掃組件在行進(jìn)的過(guò)程中，同時(shí)對(duì)光伏板進(jìn)行清掃，是實(shí)現(xiàn)光伏板清潔功能的重要組件。清洗組件的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。攝像頭能收集清掃組件所清潔區(qū)域的情況，幫助清掃組件正常工作運(yùn)行。清掃組件蓄電池為清掃驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，清掃驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)減速器輸出至驅(qū)動(dòng)輪，從而帶動(dòng)清掃組件整體運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)輪在運(yùn)行過(guò)程中帶動(dòng)輥刷工作，清潔光伏板表面。水箱內(nèi)裝有清洗液，清洗液經(jīng)由下方設(shè)置的噴嘴霧化，噴射至輥刷行進(jìn)方向的光伏板表面[4]，提高輥刷的清潔效果。在清潔過(guò)程中，平板拖將輥刷剩余的灰塵收集，保證灰塵向前推進(jìn)，不會(huì)殘留于清潔區(qū)域，同時(shí)對(duì)光伏板表面進(jìn)行二次清潔。

圖3 清掃組件結(jié)構(gòu)

2.2.2 行走組件設(shè)計(jì)

行走組件是清掃機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大范圍清潔的重要部分，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 行走組件結(jié)構(gòu)

圖4 中一側(cè)為行走組件，另一側(cè)行走組件的結(jié)構(gòu)與它相同。行走組件蓄電池能為行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電力，行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)由減速器至下方行走輪，行走輪帶動(dòng)行走組件整體運(yùn)動(dòng)[5]。行走組件蓄電池、行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器都固定于行走組件固定支架上。引導(dǎo)輪與行車(chē)軌道外側(cè)相接，約束行車(chē)組件的運(yùn)動(dòng)，防止行走組件脫離軌道。

2.2.3 行車(chē)軌道設(shè)計(jì)

行車(chē)軌道如圖5 所示，為了保證軌道有良好的承載能力，行車(chē)軌道采用了U 形軌道，可通過(guò)多類緊固方式固定在地面、墻體或機(jī)架等位置。此外行車(chē)軌道為可拼接式軌道，兩截軌道可相互連接，可大面積清掃光伏板，且便于安裝和拆卸。行車(chē)軌道內(nèi)部單側(cè)面有齒，與行走組件的行走輪之間形成齒輪齒條配合連接，保證行走輪在行車(chē)軌道上長(zhǎng)距離大負(fù)載的直線運(yùn)動(dòng)中，有良好的傳動(dòng)精度和定位精度。

圖5 行車(chē)軌道

2.2.4 清掃軌道設(shè)計(jì)

清掃軌道結(jié)構(gòu)如圖6 所示。清掃軌道同樣為U 形可拼接式軌道，在保證軌道有穩(wěn)定可靠的承載能力、不易發(fā)生變形的前提下，便于軌道的安裝拆卸，并可根據(jù)清掃區(qū)域調(diào)整安裝的軌道長(zhǎng)度。清掃軌道內(nèi)底面有齒，能夠和清掃組件的驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)齒輪齒條配合連接，使清掃組件在運(yùn)作時(shí)有一定傳動(dòng)精度，且保證有良好的承載能力和定位能力[6]。清掃軌道下方附有粗清掃模塊，大面積掃去浮塵，對(duì)光伏板表面實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單清潔。將壓緊彈簧和伸縮桿連接，使粗清掃模塊與待清掃光伏板面之間有一定壓力，但不會(huì)對(duì)光伏板面造成損害，從而提高粗清掃模塊的清潔能力。

圖6 清掃軌道

2.2.5 清掃軌道應(yīng)力校核

清掃軌道是保證清掃組件正常工作運(yùn)行的基礎(chǔ)。而清掃軌道的兩端固定搭架在行走模塊上，不免會(huì)發(fā)生變形狀況，特別是當(dāng)清掃模塊行走到中間段的時(shí)，變形更為嚴(yán)重。使用Soildworks 軟件對(duì)清掃軌道的槽鋼模型進(jìn)行變形分析計(jì)算。

清掃軌道選用槽鋼材料。由于清掃軌道模塊內(nèi)的齒條結(jié)構(gòu)需要額外安裝，因此根據(jù)齒輪齒條和實(shí)際所需的截面積，清掃軌道的槽鋼選擇型號(hào)32a，理論質(zhì)量為38.22 kg/m，槽鋼長(zhǎng)度為10 m。

清掃組件在工作的過(guò)程中時(shí)，其質(zhì)量由2 個(gè)對(duì)稱的清掃軌道共同承擔(dān)，方向垂直于清掃軌道，豎直向下。忽略槽鋼上安裝的齒條質(zhì)量，清掃組件的質(zhì)量由2個(gè)清掃軌道均勻承擔(dān)，即每個(gè)清掃軌道承受的清掃組件質(zhì)量的1/2，最大為100 N。

槽鋼總變形如圖7 所示。由圖可知，當(dāng)清掃組件工作運(yùn)行到清掃軌道中部時(shí)，槽鋼發(fā)生的最大變形量為5.4 mm，變形量較小，不會(huì)對(duì)清掃組件的正常工作造成影響，理論上可滿足基本工作需求。

圖7 槽鋼總變形

3 解決的主要問(wèn)題

本設(shè)計(jì)對(duì)象為光伏板清潔機(jī)器人，光伏板清潔機(jī)器人存在的主要問(wèn)題及解決方法如下：①如何保證工作效率，使清潔機(jī)器人能夠適應(yīng)大面積清掃作業(yè)。為此，本設(shè)計(jì)利用了雙軌道結(jié)構(gòu)，增加了清潔組件的清掃面積，更能滿足大面積光伏板清潔的需要[7]，同時(shí)可拼接式的模塊化軌道，不受光伏板的尺寸限制，通過(guò)行走組件和清潔組件的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，保證了整個(gè)光伏板表面都能被清洗，不會(huì)出現(xiàn)清洗死角，減少了板面的無(wú)效清潔區(qū)域，提高了大面積清潔光伏板的工作效率。②如何減少作業(yè)對(duì)光伏板表面的損傷。在本設(shè)計(jì)中清洗組件由一對(duì)清洗軌道承載，清洗軌道由兩端行走組件支持，行走組件由行走軌道承載，而行走軌道設(shè)置于光伏板區(qū)域邊緣兩側(cè)，即本方案中各組件和軌道的質(zhì)量都不會(huì)由光伏板直接承載，對(duì)光伏板表面各區(qū)域不會(huì)造成過(guò)大的壓力，因此對(duì)光伏板的直接壓力損害較小。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的光伏板清潔機(jī)器人利用類行架式的雙軌道架構(gòu)實(shí)現(xiàn)行走，行走過(guò)程中利用清掃組件中的多種清掃裝置對(duì)光伏板表面進(jìn)行清潔，解決了大面積光伏板清掃過(guò)程中清掃效率和清掃效果無(wú)法兼顧的矛盾。光伏板清潔機(jī)器人自動(dòng)行走于光伏板之上，進(jìn)行高效自主清潔作業(yè)。通過(guò)攝像頭等收集數(shù)據(jù)至云端，操作人員可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控并查看清潔效果。隨著光伏板設(shè)備數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的光伏板清潔機(jī)器人已經(jīng)無(wú)法滿足大面積光伏板的清潔需求，該清潔機(jī)器人自動(dòng)化程度高、清潔效果好、維護(hù)成本低、具有廣闊的應(yīng)用前景。