太陽能板清理機(jī)的運(yùn)動學(xué)分析*

□ 劉 軍 □ 關(guān)士學(xué) □ 趙 飛

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人們對能源的需求量也在不斷增長，太陽能光伏發(fā)電作為一種新型的清潔能源有著十分廣闊的發(fā)展前景。國際能源署的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，如在全球4%的沙漠上安裝太陽能光伏系統(tǒng)，就足以滿足全球的能源需求［1］。太陽能板是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其最大的問題不是陰雨天氣，而是灰塵。太陽能板上很容易積累灰塵，如果不及時除去，會產(chǎn)生靜電，還會降低面板的能量吸收和轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。正常工作情況下，一般多晶硅的太陽能板轉(zhuǎn)換效率僅有6%～10%，單晶硅的光轉(zhuǎn)換效率有15%～20%。1998年德國費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的CaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%，為歐洲紀(jì)錄［2,3］。

國內(nèi)目前在太陽能板清洗技術(shù)方面，主要采用人工水沖洗、高壓水槍清理方式，如圖1所示。由于光伏發(fā)電廠規(guī)模較大，水資源及人工成本投入大，而且水沖洗本身以及水沖洗過后留下的污跡，會影響發(fā)電效率。

國外在太陽能板清洗技術(shù)方面除上述兩種方式外，目前正在發(fā)展高性能材料與智能裝備。芬蘭阿爾托（Aalto）大學(xué)的研究人員于2010年11月中旬宣布，開發(fā)出一種新材料，可應(yīng)用于太陽能電池，使之能制造無反射的自清潔表面，并提高太陽能電池效率［4］。但該

▲圖1 人工清理和高壓水槍清理

▲圖2 機(jī)器人清理

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號：51265032）

國際合作項(xiàng)目（編號：2011DFR70670）

隨著我國對太陽能的重視和技術(shù)的日益成熟，對太陽能板清理技術(shù)的需求也越來越緊迫。本文研究的太陽能板清理機(jī)可高效、高質(zhì)量完成清理工作，充分提高太陽能板的光電轉(zhuǎn)換效率，且大幅度降低工人的勞動量和減少開支，從而提高太陽能電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

1 移動式清理機(jī)

西北地區(qū)存在沙塵、暴雪、冰凍等多種特殊天氣，所以灰塵、雪、冰等覆蓋物是主要清理對象。本文所開發(fā)的太陽能板清理機(jī)，主要研究和解決在該種工況下的太陽能板清理問題。該設(shè)備采用噴水、洗刷和刮擦的聯(lián)合作業(yè)方式，首先，通過霧化噴水裝置使太陽能板表面的覆蓋物濕潤軟化，霧化噴水方法相對于通用的高壓水清洗方法可節(jié)約大量水資源，解決荒漠取水難的問題；然后，再通過尼龍制毛滾刷對覆蓋物進(jìn)行洗刷，尼龍絲強(qiáng)度適中，針對顆粒灰塵既能達(dá)到有效的清理效果，同時又能保護(hù)太陽能板避免撞擊劃痕；最后，通過刮板將太陽能板上的殘留物和水漬一同刮除，該方式避免了以往人工反復(fù)多次洗刷，使清洗效率明顯提高。太陽能板清理機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

太陽能板清理機(jī)屬特種車輛與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合體，由于被清理對象高4 m，整機(jī)比較龐大復(fù)雜，由基礎(chǔ)支撐、車身本體、驅(qū)動、機(jī)械手等部分組成，是集機(jī)、電、液于一體的設(shè)備。清理機(jī)機(jī)械臂各連桿是由鉸鏈串聯(lián)而成，機(jī)構(gòu)具有5個自由度，包括4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。首先，通過機(jī)械臂下臂裝配的氣缸使下臂展開，然后，通過上臂電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，使上臂伸出并且利用旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)清洗頭的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)上臂伸出指定長度后，再通過清洗頭上部裝配的氣缸將清洗頭傾斜至指定角度，使清洗滾與太陽能板表面貼合，最后啟動清洗頭電機(jī)帶動3個清洗滾進(jìn)行清洗，通過驅(qū)動小車行走就可以清洗太陽能板。太陽能板清理機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 太陽能板清理機(jī)的主要參數(shù)

機(jī)械臂在非工作狀態(tài)下可以完全自動收回，處于折疊狀態(tài)，不會占用多余空間，方便入庫，便于車輛行駛；工作狀態(tài)下對不同的板面清洗時，伸展位姿可以進(jìn)行高度和角度調(diào)節(jié)，使之達(dá)到最佳清洗狀態(tài)。機(jī)械臂具有一定柔性，主要體現(xiàn)在行駛路面平整度和移動車行駛路線方面，一旦出現(xiàn)路面高低不平和行駛偏離既定路線，控制系統(tǒng)會實(shí)時調(diào)整工作位姿，使清洗滾始終貼在板面上進(jìn)行清洗。移動式清理機(jī)具有可伸縮、多功能清理、防振動等性能，在現(xiàn)代清洗設(shè)備中具有一定的先進(jìn)性。

表2 D-H參數(shù)表

2 運(yùn)動學(xué)分析

2.1 正運(yùn)動學(xué)分析

對機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)分析，首先建立如圖4所示的坐標(biāo)系，使之能夠達(dá)到清洗滾緊貼太陽能板的工作位姿。根據(jù)表2的D-H參數(shù)表確定齊次變換矩陣為：

式中：si為 sinθi；ci為 cosθi；sαi為 sinαi；cαi為 cosαi；ai為Z軸之間的距離；αi為Z軸之間的角度;di為X軸之間的距離;θi為X軸之間的角度。

表 2 中其它參數(shù)為 a1=1 000 mm，-90°≤θ2≤0，-90°≤θ3≤0，1 237.5 mm≤d3≤1 967 mm，d4=113.5 mm。

當(dāng)已知 q=［q1，…，qn］T時，可確定n），由連續(xù)相對運(yùn)動齊次變換矩陣的求法，可得正運(yùn)動學(xué)問題的解為：

此方程又稱為機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程,代入?yún)?shù)可得：

符合工作位姿要求，機(jī)械臂位姿對太陽能板可進(jìn)行清洗工作。

2.2 逆運(yùn)動學(xué)分析

通過機(jī)械臂的位姿可利用歐拉變換逆運(yùn)動學(xué)方法來求解各個關(guān)節(jié)變量，使各個關(guān)節(jié)變量達(dá)到表2中的參數(shù)要求。

▲圖3 太陽能板清理機(jī)的結(jié)構(gòu)

▲圖4 D-H坐標(biāo)系

歐拉變換為:

采用 Rot-1（z，φ）左乘式（6）得：

將上式寫成如下形式：

式（9）～（11）中的 x、y、z分別表示 n、o、a、p 矢量的各個分量，如：

由式（8）得 f12（a）=0，所以 tanφ=sinφ/cosφ=ay/ax或tanφ=sinφ/cosφ=-ay/-ax

上述結(jié)果相差180°，如果ax和ay都為0，則式（13）無定義，此時 φ 可任意設(shè)置，如 φ=0。

同理可求得：

至此，求出了歐拉變換的逆運(yùn)動學(xué)解。

把工作位姿代入，得：

通過上述3個角度，先將坐標(biāo)系0繞Z軸旋轉(zhuǎn)0°， 再繞 Y軸旋轉(zhuǎn)90°，最后繞Z軸旋轉(zhuǎn)0°，得到坐標(biāo)系4。所以，ZYZ歐拉角變換符合從坐標(biāo)系0到坐標(biāo)系4的轉(zhuǎn)換，如圖5所示，求出的角度完全符合設(shè)備的參數(shù)要求。

②缺點(diǎn)：制造工序多，加工工藝難度相對較大，容易產(chǎn)生管體裂縫；接頭灌漿易開裂；管件重量大（DN1 800 mm 重量 2.30 t/m）。

▲圖5 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

Pro/E的運(yùn)動仿真是先設(shè)計(jì)靜態(tài)模型，然后根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，運(yùn)行動態(tài)虛擬模型。機(jī)械臂的運(yùn)動仿真可以模擬其展開與收回的全過程。設(shè)計(jì)者可以更清楚地了解整套工作過程，并驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)運(yùn)動的合理性及各構(gòu)件的協(xié)調(diào)性，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備提供參考。本文的運(yùn)動仿真主要是針對機(jī)械臂的時間與位置，圖6為運(yùn)動仿真建模過程。

機(jī)械臂各結(jié)構(gòu)軌跡的分析如下。

（1）下臂支撐氣缸的推進(jìn)與收回，使下臂連桿在平面內(nèi)伸展與收回不大于90°。

（2）上臂支撐氣缸的推進(jìn)與收回，使上臂連桿在平面內(nèi)伸展與收回不大于90°。

▲圖6 運(yùn)動仿真建模過程

（3）滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)使上臂伸出，并通過旋轉(zhuǎn)軸使清洗頭旋轉(zhuǎn)90°。

（4）清洗頭氣缸的推進(jìn)與收回，在上臂伸出一定長度后使清洗頭傾斜不大于30°。

在Pro/E內(nèi)裝配完成機(jī)械臂模型后，開始設(shè)置運(yùn)動時間。由于機(jī)械臂運(yùn)動仿真需4部伺服電機(jī)，而且各個機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)不同，電機(jī)在運(yùn)動仿真過程中的先后順序和時間設(shè)置見表3和圖7。

根據(jù)仿真步驟，對太陽能板清理機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，并制作了仿真模擬動畫，圖8為展開動作的動畫截圖。

通過表2中的參數(shù)和式（1）、（2）正運(yùn)動學(xué)方程得到機(jī)械臂的位置和姿態(tài)。在Pro/E仿真分析中，運(yùn)動的線性軌跡如圖9所示，圖9中的曲線軌跡即為機(jī)械臂的展開和回收時清洗頭部一點(diǎn)的軌跡，圖10為該點(diǎn)在坐標(biāo)X、Y、Z軸的空間位置，此運(yùn)動軌跡符合機(jī)械臂的工作位姿需求。

4 結(jié)論和前景

本文研究開發(fā)了一種快速移動式太陽能板清理機(jī)，解決了當(dāng)前太陽能板清理存在的問題。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，按全國已規(guī)劃的裝機(jī)容量21 GW的電廠計(jì)算，光伏發(fā)電站每年人工成本再加上工具材料消耗、水費(fèi)、管理費(fèi)用等，每年可節(jié)省費(fèi)用千余萬元。同時由于該設(shè)備提高了清理效率，進(jìn)而提高了單塊太陽能板年均光電轉(zhuǎn)換與發(fā)電效率，可為電廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。本文研究的設(shè)備應(yīng)用前景廣闊。

▲圖7 電機(jī)參數(shù)

▲圖8 動畫截圖

表3 運(yùn)動仿真中伺服電機(jī)設(shè)置

▲圖9 運(yùn)動的線性軌跡

▲圖10 該點(diǎn)在X、Y、Z軸的空間位置

［1］ 劉峰,張俊,李承輝,等.光伏組件封裝材料進(jìn)展［J］.無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28（3）:429-436.

［2］ N B Chaure,J Young,A P Samantilleke,et al.Electrodeposition ofp-i-n Type CulnSe2Multilayers for Photovoltaic Applications ［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2004，81（1）:125-133.

［3］ Satyen K Deb.Recent Development in High Efficiency Photovoltaic Cells［J］.Renewable Energy,1998,15（1-4）:467-472.

［4］ 塑料科技編輯部.自清潔塑料表面可以提高太陽能電池效率［J］.塑料科技,2010（12）:95.