一種適合大面積清掃的光伏板清潔機器人設計

鐘 勇，李方舟，邱煌樂，張 樹，湯韜略

（福建工程學院，福建 福州 350118）

光伏板是目前利用太陽能的主要方式，通過光伏效應將太陽能轉換為電能進行利用和儲存。因此光電轉換效率是光伏板運行過程中的重要技術指標，而光伏板的發電效率會受到環境影響，尤其是表面積灰會極大降低發電效率。一方面，灰塵遮擋會使光伏板表面玻璃的透射率減小，降低了總體太陽輻射量；另一方面，長期的灰塵積累，會對光伏板表面造成腐蝕，并可能導致光伏發電的熱平衡發生改變，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、清潔車輛清潔、清潔機器人清潔等。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；清潔車輛多用于中大型光伏陣列，但會受到陣列排布、地形等的限制；一般的清潔機器人清潔效果較好且成本低，但無法滿足大面積清潔需要。

本文設計了一種光伏板清潔機器人，利用可拼接式的模塊化軌道，不受光伏板的尺寸限制，無清洗死角，減少了板面的無效清潔區域，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 國內外研究現狀

國外的光伏發電產業起步較早，尤其是美國、日本等發達國家，早在20 世紀末就已制定了一系列光伏發電的發展規劃，使得光伏發電產業得到了快速發展，許多光伏板清潔機器人也因此應運而生。例如，瑞士GEKKO 公司研發的SERBOT 清潔機器人、意大利UEMME 公司研發的MANTASOLAR 清潔機器人、以色列企業ECOPPIA 研制的光伏電池板清潔機器人等[2]。

近些年來隨著國內光伏產業的發展進步，相關的光伏清潔機器人也隨之蓬勃發展。自2012 年以來，越來越多的企業投入到了光伏板清潔技術的研究中，將國外已有的先進技術與國內光伏產業相結合，同時也自主研發出了多項清潔技術，打破了技術壟斷。例如，2014 年昱臣智能研發的國內首臺無水清潔光伏板機器人亮相。其產品與意大利UEMME 公司所研發的清潔機器人有相似之處，但是實現了無水清潔，同時擁有更高的感應靈敏度。此外，西安運維電氣也在近年研發了OMRobot 光伏清潔機器人，能夠實現單排清潔及跨排清潔，整體灰塵清潔率超過98%。這些光伏清潔機器人的研發，不僅填補了國內光伏清潔領域的多項空白，也讓中國在光伏清潔領域的關鍵技術達到了國際領先水平。

2 光伏清潔機器人的結構設計

2.1 系統簡介

光伏清潔機器人基于類行車架構，通過可拼接式的雙軌道排布，在保證高效、有效清潔的前提下，實現對大面積光伏板的清潔，解決了現有光伏清潔機器人無法適應大面積清掃需求等問題。采用噴水、輥刷清掃等多種清潔裝置，利用傳感器規劃路徑，通過控制系統對各組件部分進行行走、工作控制和相互的聯通。光伏清潔機器人能夠實現自主清潔作業、充電等，無需過多的人工干預。此外控制系統也可將傳感器和攝像頭所獲得的數據實時上傳至云端，也可通過云端對系統進行遠程控制。光伏清潔機器人總體工作流程如圖1 所示。

圖1 光伏清潔機器人總體工作流程圖

2.2 光伏清潔機器人整體設計方案

本文設計的清潔機器人主體結構如圖2 所示，主要包括清掃組件、清掃軌道、行走組件、行車軌道和充電樁，除清掃組件外，其余組件為對稱架構。

圖2 光伏清潔機器人總體結構

清掃組件包含噴水裝置、輥刷、平板拖等清掃裝置，能在清掃軌道上運動，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動，其兩端連接行走組件。行走組件的運動帶動清掃軌道及其上方的清掃組件整體移動[3]，且行走組件的運動受到行車軌道的約束。行車軌道兩側端有無線充電樁，能為行走組件進行無線充電，無線充電樁的電能由光伏板工作直接提供。

2.2.1 清掃組件設計

清掃組件在行進的過程中，同時對光伏板進行清掃，是實現光伏板清潔功能的重要組件。清洗組件的結構如圖3 所示。攝像頭能收集清掃組件所清潔區域的情況，幫助清掃組件正常工作運行。清掃組件蓄電池為清掃驅動電機提供動力，清掃驅動電機輸出轉矩，經減速器輸出至驅動輪，從而帶動清掃組件整體運動。從動輪在運行過程中帶動輥刷工作，清潔光伏板表面。水箱內裝有清洗液，清洗液經由下方設置的噴嘴霧化，噴射至輥刷行進方向的光伏板表面[4]，提高輥刷的清潔效果。在清潔過程中，平板拖將輥刷剩余的灰塵收集，保證灰塵向前推進，不會殘留于清潔區域，同時對光伏板表面進行二次清潔。

圖3 清掃組件結構

2.2.2 行走組件設計

行走組件是清掃機器人實現大范圍清潔的重要部分，結構如圖4 所示。

圖4 行走組件結構

圖4 中一側為行走組件，另一側行走組件的結構與它相同。行走組件蓄電池能為行走驅動電機提供電力，行走驅動電機輸出轉矩，經由減速器至下方行走輪，行走輪帶動行走組件整體運動[5]。行走組件蓄電池、行走驅動電機和減速器都固定于行走組件固定支架上。引導輪與行車軌道外側相接，約束行車組件的運動，防止行走組件脫離軌道。

2.2.3 行車軌道設計

行車軌道如圖5 所示，為了保證軌道有良好的承載能力，行車軌道采用了U 形軌道，可通過多類緊固方式固定在地面、墻體或機架等位置。此外行車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。行車軌道內部單側面有齒，與行走組件的行走輪之間形成齒輪齒條配合連接，保證行走輪在行車軌道上長距離大負載的直線運動中，有良好的傳動精度和定位精度。

圖5 行車軌道

2.2.4 清掃軌道設計

清掃軌道結構如圖6 所示。清掃軌道同樣為U 形可拼接式軌道，在保證軌道有穩定可靠的承載能力、不易發生變形的前提下，便于軌道的安裝拆卸，并可根據清掃區域調整安裝的軌道長度。清掃軌道內底面有齒，能夠和清掃組件的驅動輪和從動輪實現齒輪齒條配合連接，使清掃組件在運作時有一定傳動精度，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，對光伏板表面實現簡單清潔。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，但不會對光伏板面造成損害，從而提高粗清掃模塊的清潔能力。

圖6 清掃軌道

2.2.5 清掃軌道應力校核

清掃軌道是保證清掃組件正常工作運行的基礎。而清掃軌道的兩端固定搭架在行走模塊上，不免會發生變形狀況，特別是當清掃模塊行走到中間段的時，變形更為嚴重。使用Soildworks 軟件對清掃軌道的槽鋼模型進行變形分析計算。

清掃軌道選用槽鋼材料。由于清掃軌道模塊內的齒條結構需要額外安裝，因此根據齒輪齒條和實際所需的截面積，清掃軌道的槽鋼選擇型號32a，理論質量為38.22 kg/m，槽鋼長度為10 m。

清掃組件在工作的過程中時，其質量由2 個對稱的清掃軌道共同承擔，方向垂直于清掃軌道，豎直向下。忽略槽鋼上安裝的齒條質量，清掃組件的質量由2個清掃軌道均勻承擔，即每個清掃軌道承受的清掃組件質量的1/2，最大為100 N。

槽鋼總變形如圖7 所示。由圖可知，當清掃組件工作運行到清掃軌道中部時，槽鋼發生的最大變形量為5.4 mm，變形量較小，不會對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 解決的主要問題

本設計對象為光伏板清潔機器人，光伏板清潔機器人存在的主要問題及解決方法如下：①如何保證工作效率，使清潔機器人能夠適應大面積清掃作業。為此，本設計利用了雙軌道結構，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]，同時可拼接式的模塊化軌道，不受光伏板的尺寸限制，通過行走組件和清潔組件的聯合運動，保證了整個光伏板表面都能被清洗，不會出現清洗死角，減少了板面的無效清潔區域，提高了大面積清潔光伏板的工作效率。②如何減少作業對光伏板表面的損傷。在本設計中清洗組件由一對清洗軌道承載，清洗軌道由兩端行走組件支持，行走組件由行走軌道承載，而行走軌道設置于光伏板區域邊緣兩側，即本方案中各組件和軌道的質量都不會由光伏板直接承載，對光伏板表面各區域不會造成過大的壓力，因此對光伏板的直接壓力損害較小。

4 結論

本文設計的光伏板清潔機器人利用類行架式的雙軌道架構實現行走，行走過程中利用清掃組件中的多種清掃裝置對光伏板表面進行清潔，解決了大面積光伏板清掃過程中清掃效率和清掃效果無法兼顧的矛盾。光伏板清潔機器人自動行走于光伏板之上，進行高效自主清潔作業。通過攝像頭等收集數據至云端，操作人員可進行遠程操控并查看清潔效果。隨著光伏板設備數量的增加，傳統的光伏板清潔機器人已經無法滿足大面積光伏板的清潔需求，該清潔機器人自動化程度高、清潔效果好、維護成本低、具有廣闊的應用前景。