光伏清掃機器人靜止狀態對光伏電池板的影響

單詩涵， 廖 皓， 劉 聰， 周楚昂

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072）

0 引言

隨著太陽能光伏電站的建設，影響電站發電效率的問題逐漸被發現，其中能夠人為降低其影響的有光伏板的傾角與光伏板表面的清潔度。光伏組件的傾角直接影響發電量；同時大型光伏電站大多處于地廣人稀的荒漠或丘陵地帶，由于其所在環境的限制，風沙帶來的灰塵雜物會附著在其表面，減少了光伏板受光照面積，同時導致組件表面升溫，一些腐蝕性質的雜物也會對組件表面造成損傷，從而影響面板的轉換效率，影響發電量[1-3]。

隨著工業機器人的廣泛應用，利用機器人來進行大規模作業的相關技術逐漸被研究人員重視起來。光伏清掃機器人作為清掃灰塵最有效的手段，其對光伏電站發電量的提升是顯著的。王超等設計了一款基于嵌入式微處理器的太陽能電池板清掃機器人，完成了對機器人的整體設計和控制系統的軟硬件設計[4]；李曉錕設計了一款全向移動式機器人，并完成了清掃軌跡的規劃，實現了對光伏板全覆蓋的自主清掃任務[5]。如今人們主要集中在對機器人進行結構設計與軟件規劃，忽視了將機器人與光伏電池板進行一體的分析，根據現場調查研究發現，機器人在運行時，隨著傾角以及支撐檁條位置的不同，對光伏電池板的壓力也不同，基于上述研究對此類情況展開分析。

1 機器人概述

在不進行清掃作業時，機器人停留在停靠站上，此時機器人重量都由外加的框架承擔，對光伏板沒有影響。當機器人進行作業時，會有各種突發情況使得機器人會停留在光伏板上，此時機器人的全部重力都施加在光伏板上，會對光伏板造成影響，需要關注分析此時機器人的重力分配情況。

1.1 壓力分析與計算

當機器人停留在光伏電池板上方時，作用力主要分配在與光伏板直接接觸的驅動輪或掛輪處，現場根據機器人結構的不同，分類不同的承重方式。如圖1所示：

圖1 重力分配

式中：α 為光伏板傾角；m0為框架和清掃部分質量；m1為上部組件質量；m2為末端組件與控制部分質量。

2 仿真分析

2.1 模型建立

使用CAD 軟件Solidworks 進行機器人與光伏板模型的建立，具體見圖2。對關注的零部件裝配關系進行全局變量控制，避免重復建模。根據現場情況，支撐檁條與光伏電池板之間的安裝位置是影響分析的關鍵因素，故對其進行控制，變量定義為Ds_JUli。

圖2 仿真模型

2.2 分析方法

在實際情況中，機器人會有兩種承重方式，分別為機器人的兩側主體為主要承力部件，中間部分為輕載部件，光伏組件受力集中于上側組件上邊框及下側組件下邊框以及機器人承力部件位于中部，光伏組件受力集中于中間組件邊框上；將CAD 與CAE 軟件聯接后變量參數化，通過Parameters 模塊來實現兩種情況下不同傾角的分析，比對不同情況下光伏電池板的受力情況。

與清掃機器人直接接觸的是光伏板的鋁合金框架部分，根據鋁合金性能可知塑性變形是其主要的破壞方式；所以選擇第四強度理論判斷光伏板的靜力學性能，選擇Von-Mises 等效應力作為判定準則。

Von-Mises 表達式：

強度條件：

2.3 前處理

機器人與光伏電池板直接接觸的四個驅動輪為橡膠材質，采用Ogden 本構模型；兩側掛輪為尼龍材質與聚氨酯材質，使用線彈性模型；光伏板邊框為鋁合金材質。材料參數見表1。

表1 材料參數

輪胎與光伏電池板設置為摩擦接觸，支撐檁條與光伏電池板設置為綁定接觸，模型在CAD 軟件中裝配好后可能存在接觸間隙，設定Interface Treatment 或Pinball Region 選項來避免錯誤。邊界條件設定根據重力分配計算，設置在垂直于接觸面且向下方向。

在進行網格劃分時，進行多方法多尺寸劃分，以Element Quality 為判斷準則，Aspect Ratio 為參考，調整相關性，完成網格無關性的檢查。

2.4 后處理

根據現場光伏電站的安裝形況，分析支撐檁條距離邊框0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1 m 以及光伏板傾角為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°情況下光伏板的影響。

X 軸為光伏板傾角、Y 軸為變形量或等效應力，分析兩端承重下機器人對光伏板的影響，由圖3、圖4可知，光伏板變形量與應力隨著傾角的增大逐漸減小，在距離為0.2 m 時，光伏板變形量處于0.8 m 與0.6 m之間，波動較大，造成這種原因的可能是支撐檁條距離光伏板邊框距離過近，在后續優化設計中，在綜合應力的情況下需要注意此距離下的光伏板變形量。

圖3 兩端承重變形量

圖4 兩端承重應力圖

中間承重情況下光伏板的變形和應力趨勢與兩端承重下的趨勢大體相同，都是隨著傾角的增加，變形量與應力也隨之減小。具體見圖5、圖6。

圖5 中間承重變形量

圖6 中間承重應力圖

綜合兩種情況，從變形量與應力兩個角度來看，兩端承重，中間輕載的機器人結構對光伏板的破壞性是最小的，且最大應力為67.3 MPa，遠小于鋁合金材質的屈服強度，光伏板處于安全狀態。

依據《鋼化玻璃國家標準》（GB15763.2）規定的玻璃多曲變形包含弓形變形以及波形變形要求，其中弓形時應不超過0.5%，波形時應不超過0.3%；而本次仿真模型中所使用的大尺寸模型，弓形彎曲量應在11.3 mm 以下，波浪彎曲應在6.8 mm 以下，判斷所分析出的數據，機器人的兩側主體為主要承力部件，中間部分為輕載部件，光伏組件受力集中于上側組件上邊框及下側組件下邊框時，所有支撐檁條在距離光伏板邊框不同距離的裝配方式，在不同典型傾角狀態下都可達到要求，本項目仿真所采用的低碳鋼化玻璃屈服極限為84 MPa，在所有情形下也都可達到要求。機器人承力部件位于中部，光伏組件受力集中于中間組件邊框上時，在支撐檁條在距離光伏板邊框1 000 mm 時，變形有略微超出，應避免此類工況下1000 mm的裝配。

平單軸追光系統，在0～40°情況下，組件邊框距離支撐檁條距離為0.2～1.0 m 情況下，此種情形為上述倆種情形的組合情況，與中間部件承重相比，兩端承重在組件邊框距離支撐檁條距離為400 mm 以及支架支撐角度為40°的情形下，光伏板變形最小，僅0.482 mm，推薦此類裝配方式。

3 支架改進

根據仿真結果，雖然光伏電池板的鋁合金框架可以承受清掃機器人的重量并處于安全狀態、但是上層變形量過大可能會影響到下層的電池片等構件。

依據光伏電站現有的支撐框架，在盡量避免大規模改造的前提下，對現有的支架進行優化。在現有的光伏板兩側添加鋁制框架結構，清掃機器人作業時直接在框架上運行，在最大程度上避免對光伏電池板的傷害的同時，減少改造花費。具體見圖7、圖8。

圖7 鋁合金框架設計

在某光伏電廠的實際應用中，應用了改良的鋁合金框架，清掃機器人在運行時以更穩的姿態運行在光伏電池板上，且由于框架與支撐檁條等支架焊接在一起，輪胎等主要施力部位與框架接觸，不會作用在光伏板上，只有滾刷在運行清掃時與光伏板接觸，很大程度上避免了光伏板受損問題。

4 結論

基于對光伏電池的實地考察，以及現有的研究的不足提出分析清掃機器人對光伏板的影響。結果表明不同承重結構機器人在不同裝配條件下機器人對光伏電池板進行清掃作業時產生的影響，根據分析數據生成與機器結構、組件排布方式、傾角、支撐點等變量相關聯的靜態受力公式，為現在有光伏電站調整支架結構、采購清掃機器人種類提供了參考；并提出了一種基于現有結構的改良方案，為大型光伏電站應用清掃機器人提供了思路。