可貼合光伏面板起伏實行自動清掃的光伏組件清潔機器人設計探析

摘 要： 光伏組件清潔機器人能夠實現光伏組件的自動清掃。文章結合光伏組件清潔機器人設計項目，從上方傳動盒模組、中間行走輪模組、下方控制盒模組、傳動桿、萬向節聯軸器等方面分析了光伏組件清潔機器人的設計要點。項目通過萬向節聯軸器連接傳動桿與中間行走輪模組、上方傳動盒模組、下方控制盒模組，實現了柔性驅動，能夠根據光伏面板的高低落差自動調節整體結構，貼合光伏面板，實現自動清掃。

關鍵詞： 光伏組件清掃機器人;萬向節聯軸器;自動清掃

一、 引言

光伏發電具有能源質量高、環保等優點。但是，光伏發電所用的光伏板組件通常安裝在室外，較為容易受到揚塵、霧霾、雨水、鳥類糞便等的污染。為了保證光伏組件的轉換效率，需要使用自動清掃裝置定期對光伏組件面板進行清掃。由于光伏組件的排列存在沉降、錯位落差，因而需要保證光伏組件清潔機器人設計具有一定的越障能力。

二、 項目概況

光伏組件清潔機器人能夠實現光伏組件的自動清掃，有效提升了光伏組件的轉換效率。但是，目前市面上大部分光伏組件清潔機器人產品在越障能力方面仍存在不足。由于光伏組件的沉降、落差或障礙事，光伏組件清潔機器人會出現卡澀、清掃不到位的問題。對此，公司開展可貼合光伏面板起伏實行自動清掃的光伏組件清潔機器人研發項目，要求光伏組件清潔機器人能夠貼合光伏面板通行，并實行自動清掃工作，以提高光伏組件始終處于正常運行狀態。

三、 光伏組件清潔機器人設計要點

項目機器人的結構主要包括上方傳動盒模組、框架、中間行走輪模組、下方控制盒模組。中間行走輪模組、上方傳動模組、下方控制盒模組分別固定于框架的中間、左端和右端。此外，項目機器人通過萬向節聯軸器設計實現柔性驅動，易拆裝的傳動桿設計便于對設備進行維護。

（一）上方傳動盒模組

該項目上方傳動盒模組設有限位輪、行走輪、清掃電機和行走電機。行走輪的作用主要為控制裝置機器人，在行走輪踏面的內側與外側分別設置截頭圓錐形的凸緣，截頭圓錐形凸緣的細端鄰接走輪的踏面，行走輪環形踏面的直徑小于細端端面直徑，踏面一側的位置形成擋邊，截頭圓錐形凸緣的粗端與行走輪踏面的距離較短，凸緣粗端與細端的圓錐形可以形成導向面。清掃電機的作用主要為將動力傳輸至毛刷上，該項目清掃電機工作介質為壓縮空氣0.8～1.0MPa，功率約8kW，工作模式為自動，除塵間形式為半封閉式，工作電源為AC380（1±10 % ）V，50Hz。清掃電機采用氣動馬達驅動，沒有設置其他電氣元件，具有較高的實用效果。行走電機的作用主要為將動力傳輸至主動輪上，在傳動盒內部設置充電裝置，行走制動靠電機自身帶的制動器制動，制動器安裝在電機非軸伸端端蓋的位置，運用電磁感應將制動器中的銜鐵吸過來，制動摩擦片脫開之后，制動器會自動打開。

（二）中間行走輪模組

該項目中間行走輪內部設置了主動輪，主要用于控制裝置機器人運動。主動輪包括制動器和輪轂電機。進行主動輪制動器設計時，要根據項目要求設計制動塊冷卻通道，制動塊冷卻通道主要是為了輸送輪轂電機的冷卻液。除此之外，制動器還包括制動圓盤和制動圓盤冷卻通道，并且在主動輪中間插入一個滑動密封件，將制動圓盤冷卻通道與輪轂電機冷卻回路連接在一起，能夠提升主動輪的制動效果。

該項目中間行走輪模組中的輪轂電機主要包括：輪轂電機本體、輪軸、磁編碼器，磁編碼器等。項目將輪轂電機與磁極固定連接在一起、輪軸與磁編碼芯片連接在一起，輪轂電機圍繞輪軸轉動，輪轂電機本體轉動時，可以實現磁極同步轉動。磁編碼芯片能夠將磁極變化轉為編碼信號，以達到輸出編碼信號的目的。磁編碼器包括固定座和外殼兩部分，外殼與輪轂電機本體固定連接在一起，磁極設置在外殼內部的側壁上，采用固定方式連接固定座與輪軸，磁編碼芯片設置在固定座上，以達到提升輪轂電機編碼精度的目的。

（三）下方控制盒模組

下方控制盒模組主要包括：限位輪、控制主板、行走輪，其中行走輪主要用于控制裝置機器人運動。該項目控制主板采用PCBA主體，將一條邊框設置為圓弧形邊框，并在沿邊框的位置設置2個通信接口、1個電源接口、復數個普通接口，在PCBA主體上設置1個電源轉模塊和MCU模塊，并將MCU模塊與電源轉模塊連接在一起，電源轉換模塊與電源接口連接、MCU模塊與通信接口模塊連接。按照項目設計要求將普通接口分別于MCU模塊、電源轉換模塊連接起來。另外，該項目控制主板的PCBA本體之間主要通過通訊接口實現聯機，要在PCBA本體背面位置規劃功能標識區，按照要求印上PCBA本體的功能編號和功能標識。同時，每個防呆接口都設置了對應接口編號。

下方控制輪的限位輪主要包括銷軸、底座和雙列圓柱滾子軸承、下支撐板、滾輪、上支撐板等。在限位輪設計中，將雙列圓柱滾子軸承設置在下支撐板與上支撐板之間、銷軸之上，滾輪外圓周面上設置一圈環形凸槽，設置在容納筒體坡口端面上，要求筒體對接處的V型槽始終與同一軸向位置。

（四）毛刷

進行光伏組件清潔機器人設計期間，我們通過開口銷與定位銷配合將毛刷與上方傳動盒模組連接在一起，以滿足項目對光伏組件清潔的要求。采用的毛刷類型為細纖維毛刷，毛刷設置在清潔機器人外殼底端外側，運用均勻固定方式，毛刷底端安裝了緩沖墊，并在上方傳動盒模組上設置安裝孔和開口槽，以達到100 % 利用排刷和盤刷刷絲的目的。此外，在毛刷下方設置刷架，刷絲能夠有效緩沖刷架，保證開展清潔工作期間，刷絲不會拍打電池板，有效避免損傷電池板。

（五）傳動桿

該項目共有傳動桿兩根，設計人員采用平行設置方式，每根傳動桿都分為兩節，兩節傳動桿分別設置于下方控制盒模組、中間行走輪模組、上方傳動盒模組之間，采用分別固定方式，傳動桿始終在移動區域內部運動，內部設有傳動桿導向元件，由固定托架穿過傳動桿導向槽到達支持家，支持架覆蓋傳動桿的整個頂面?？紤]到傳動桿橫截面在移動區域內成形的問題，傳動桿的固定托架和導向槽壁要形成一個楔形空間。另外，我們將傳動桿支撐架設計成彎曲止動鉤，要求止動鉤包圍傳動桿的縱向端面，傳動桿的縱向端面與止動鉤內側要形成楔形間隔空間，固定托架與傳動桿之間采用螺釘安裝方式，該項目采用的傳動桿為金屬沖壓板件，傳動桿導向元件為壓鑄件和注塑件。

（六）萬向節聯軸器設計

開展萬向節聯軸器設計期間，將傳動桿與下方控制盒模組、中間行走輪模組、上方傳動盒模組全部連接于萬向節聯軸器上。該項目萬向節聯軸器主要包括：電機聯軸套、減速器聯軸套。在剎車軸與電機聯軸套之間設置萬向節，運用固定連接方式，將剎車輪與高強度螺栓連接于萬向節頂部，萬向節的底部采用電機聯軸套和固定螺栓方式連接。項目采用的聯軸器是由尼龍柱銷聯結成的。該項目萬向節聯軸器每節最大轉動角度為30°，成品孔徑為φ20，成品孔公差為H7，安裝長度為550-650Lmax，兩個接頭的偏轉角度相同，內接投插銷設置在同一平面上，輸出軸與輸入軸同樣設置在同一平面上。

萬向節聯軸器具有傳遞運動和轉矩的作用，具備不同程度的軸向、徑向、角向補償性能，并具有不同程度的減振、緩沖作用，使得機器人能夠根據光伏面板的高低落差自動調節整體結構使其完全貼合光伏面板，順利執行清掃任務。

四、 總結

綜上，項目設計的光伏組件清潔機器人通過上方傳動盒模組中的限位輪支撐在光伏面板側邊框，通過下方控制盒模組中的控制主板發送指令到上方傳動盒模組的清掃電機和行走電機，毛刷接收清掃電機傳輸的動力執行清掃任務，主動輪接收行走電機傳輸的動力實現在光伏面板上來回運動;通過萬向節聯軸器實現柔性驅動，在光伏組件之間存在較大落差、沉降或障礙時，其行走輪能貼合光伏組件表面，實行自動行走清掃，滿足光伏組件定期清掃光伏面板的要求，保證了光伏面板發電效率。

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作者簡介：? 鄭翠英，南京天創電子技術有限公司。