一種新型光伏電池板清潔機器人設(shè)計

摘要：針對現(xiàn)有光伏電池板清潔機器人存在的可靠性低、成本較高和維護不便等不足，設(shè)計了一種新型光伏電池板清潔機器人。該清潔機器人具有自動化程度高、清潔效果好、維護成本低等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：光伏電池板;表面光潔度;發(fā)電效率;清潔機器人

0 引言

自21世紀(jì)以來，全球能源危機日益突出，能源供求矛盾日益激化，開發(fā)新能源成為人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。2017年，天津市人民政府發(fā)布的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的實施意見》中指出：“到2020年，天津要將新能源、節(jié)能環(huán)保等綠色產(chǎn)業(yè)培育成為產(chǎn)值規(guī)模超千億元的支柱性產(chǎn)業(yè)。在新能源領(lǐng)域，天津?qū)l(fā)展綠色電池、風(fēng)電、光熱發(fā)電和光伏產(chǎn)業(yè)?！碧柲茏鳛橐环N取之不盡、用之不竭的潔凈安全的可再生能源，最具極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，對太陽能的利用主要通過光伏電池板吸收太陽光，經(jīng)光電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能。光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能發(fā)電過程中的重要技術(shù)指標(biāo)，而影響光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素之一是光伏電池板表面光潔度。光伏面板輸出特性測試結(jié)果表明，光伏面板光電轉(zhuǎn)化效率與灰塵覆蓋程度成負相關(guān)關(guān)系，自然條件下，當(dāng)積灰量為5.56 g/m2時，光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率下降大約15.2%，嚴(yán)重時還會造成光伏面板表面溫度不均，導(dǎo)致光伏面板損毀。因此，保持太陽能電池板表面的透光性能，對于提高光伏面板光電轉(zhuǎn)化效率，延長光伏面板使用壽命具有重要意義。對于集中式光伏電站來說，光伏電池板的人工清潔效率太低，無法滿足實際需求，因此，如何高效清潔光伏電池板成為了目前光伏發(fā)電中一個亟待解決的問題。

現(xiàn)有的光伏電池板除塵方式主要有：（1）人工高壓水槍清洗;（2）片上清洗機器人清洗;（3）移動式清洗機清洗。其中，片上清洗機器人價格昂貴，一臺清洗機器人只能清洗一塊光伏電池板，適用于小型光伏發(fā)電場所。其余兩種清洗方式需配置移動水箱，使用不便，且需耗費大量水資源，而我國建設(shè)光伏發(fā)電站的大部分地區(qū)都沒有充足的水源，所以并不符合我國可持續(xù)發(fā)展要求。因此，亟需設(shè)計一種機電液一體化的干式除塵的光伏電池板清潔機器人，可以有效提高光伏發(fā)電效率，加快促進我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

歐美的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，相關(guān)的商業(yè)公司已研制出多種光伏面板清掃機器人產(chǎn)品。比如，瑞士GEKKO公司研發(fā)的SERBOT清潔機器人，意大利UEMME公司研發(fā)的MANTASOLAR清潔機器人，以色列企業(yè)ECOPPIA研制的光伏電池板清潔機器人等。

近些年國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了很多光伏面板清掃機器人產(chǎn)品，例如北京某清潔公司研制了SOLAR-TC 3500光伏電池板清潔機器人，其采用類似挖掘機的車輛形態(tài)，清潔原理與意大利UEMME研發(fā)的產(chǎn)品類似，也是利用水和滾刷進行清潔。2015年，總部位于蘇州的科沃斯電器有限公司推出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的光伏面板清掃機器人RAYBOT。

2 設(shè)計方案

本文設(shè)計的是一種干式除塵的光伏電池板清潔機器人，依靠真空負壓作用，使其能夠在無水、無清潔劑條件下快速完成清潔工作。

2.1? ? 清潔機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

該清潔機器人主要包括車架、車輪、機械臂、回轉(zhuǎn)立柱、末端操作器及清潔裝置等。若想節(jié)約清潔成本且保證光伏電池板在清潔過程中不會被損壞，同時保證清潔效果，就必須使光伏電池板清潔機器人末端可自動調(diào)節(jié)位姿，以無水清潔方式完成清潔工作。設(shè)計人員以機器人學(xué)為基礎(chǔ)，完成工作裝置的靜力學(xué)和動力學(xué)分析，通過對系統(tǒng)的計算分析，確定執(zhí)行機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

2.2? ? 清潔機器人液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計人員根據(jù)系統(tǒng)控制需要，設(shè)計出符合要求的清潔機器人液壓系統(tǒng)，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計結(jié)果，確定液壓缸參數(shù)，并選擇與系統(tǒng)需求相匹配的伺服閥和反饋裝置，保證清潔裝置始終與光伏面板表面平行;通過對系統(tǒng)的動態(tài)分析，考察系統(tǒng)穩(wěn)定性，最后確定不同液壓回路的液壓原理，并完成液壓系統(tǒng)中涉及的其他液壓元件的選型，利用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真，分析液壓系統(tǒng)參數(shù)對機器人除塵作業(yè)的影響，并優(yōu)化參數(shù)，以提高機器人的除塵效率。

2.3? ? 清潔機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計人員根據(jù)執(zhí)行元件的動作控制要求，設(shè)計電氣控制原理圖，確定電氣控制方案以及各部分元件的參數(shù)，并完成元件選型及程序編寫工作，利用STEP7軟件對控制過程進行仿真，從電控角度保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高除塵效率。

2.4? ? 清潔機器人空間軌跡規(guī)劃

設(shè)計人員利用MATLAB軟件計算清潔機器人的工作空間，對機器人進行軌跡規(guī)劃，采取合理的控制算法對機械臂的運動軌跡進行優(yōu)化，從機械臂算法控制角度，分析如何有效提高機器人的工作效率，實現(xiàn)高效除塵。

2.5? ? 清潔機器人真空清潔系統(tǒng)設(shè)計

光伏電池板清潔機器人的清潔系統(tǒng)由毛刷、吸塵口、風(fēng)管、沉降室以及風(fēng)機組成，考慮到實際條件下灰塵顆粒的物理特性，根據(jù)預(yù)計達到的清潔效果，確定合理的吸塵口參數(shù)，分析吸塵對象的物理性質(zhì)，得到FLUENT軟件仿真時需要的重要參數(shù)，建立流體仿真的控制方程，利用FLUENT軟件完成流體仿真，設(shè)計合理的吸塵口、沉降室，同時完成風(fēng)機選型，通過對清潔裝置的合理設(shè)計，提高機器人的除塵效率。

3 解決的主要問題

本設(shè)計對象為光伏電池板清潔機器人，對影響機器人除塵效率的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，光伏電池板清潔機器人存在的主要問題及解決方法包括：

（1）如何在作業(yè)過程中始終保持清潔裝置與光伏面板平行，并保持合適的距離。為此，我們使用高效的液壓系統(tǒng)為清潔機器人提供動力，改善清潔機器人的工作性能。液壓油具有可壓縮性和泄漏性，液壓系統(tǒng)位置控制精度差，工作效率低，且負載匹配困難，所以采用負載獨立流量分配（LUDV）系統(tǒng)，該系統(tǒng)以執(zhí)行元件的最高負載壓力來控制變量泵的擺角，同時對壓力進行補償。液壓伺服閥的反饋控制信號來自清潔裝置末端的超聲波傳感器，通過實時檢測清潔裝置兩端與光伏太陽能面板之間的距離，保證液壓系統(tǒng)的位置控制精度。

（2）如何提高工作效率，使作業(yè)開始和完成時清潔機器人的手臂運動過程更加合理。為此，我們對機器人機械臂進行軌跡規(guī)劃。末端操作器在運動過程中，速度在不斷變化，加速度不為零，使末端操作器產(chǎn)生振動;臂架系統(tǒng)中的油液流經(jīng)液壓閥口時，也會產(chǎn)生振動。如果兩者同時作用，將使振動更加明顯，清掃裝置可能會損壞光伏電池板，所以需對機械臂進行軌跡規(guī)劃。

4 結(jié)語

本文以光伏電池板的清潔維護為研究對象，對國內(nèi)外現(xiàn)有清潔設(shè)備進行了簡單介紹，設(shè)計了一種新型光伏電池板清潔機器人，分析了其設(shè)計與控制中需要考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。該清潔機器人自動化程度高，清潔效果好，維護成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-07-30

作者簡介：李楓（1995—），男，河南焦作人，講師，研究方向：機電液一體化。