太陽能清潔裝置設(shè)計*
——為碳中和護航的太陽能清潔使者

蘇文華 ，王學(xué)軍 ，孫長勇 ，耿欣宇 ，初津宇

（山東華宇工學(xué)院機械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們越來越重視資源的利用率和使用壽命，節(jié)約資源受到全世界的關(guān)注，現(xiàn)在更多是利用可再生資源。關(guān)于提高太陽能資源利用率的研究也成為維持光伏發(fā)電站效率的關(guān)鍵。

龔芳馨等[1]分析了太陽能板附著灰塵的特性，著重闡述了一種適合大型光伏電站的車載清洗機的原理與工作方式，并對大型光伏電站的太陽能板的清潔技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢進行了探討。任建龍等[2]對清掃吸儲裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制方法進行闡述，并對實驗后的結(jié)果進行建模分析，驗證了清掃吸儲裝置清潔效果的可靠性。李偉等[3]設(shè)計了一款太陽能光伏基板清掃裝置，實現(xiàn)太陽能光伏基板的垂向和縱向清掃，該裝置能自由切換兩種不同的模式，應(yīng)對不同工況，達到自動掃除灰塵的效果，能夠提高清掃效率、降低人工成本，脫離水清洗的弊端。王超[4]設(shè)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，此機器人通過清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、清洗機構(gòu)等，完成對太陽能電池板的自動清掃。

第十三屆全國人大四次會議政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定關(guān)于2030年前碳排放達峰的行動方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，推動煤炭清潔高效利用，大力發(fā)展新能源。在此大背景下，一種兼顧生態(tài)修復(fù)、解決并網(wǎng)、消納隱憂同時保障安全、高效運營的“友好型光伏電站”發(fā)展理念正在重新構(gòu)建。應(yīng)適時對光伏電池板進行周期性清洗，以保證太陽能光伏電池的正常運行[5]。太陽能光伏板智能清洗機器人是隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的，其根據(jù)光伏板的傾斜角度而設(shè)計，便于機器人在傾斜的光伏板上行走，同時完成往返清洗工作。根據(jù)清潔質(zhì)量，此類機器人具備干洗、水洗和吹干等功能，其自動化程度也在不斷提高。

本設(shè)計是基于STM32 單片機控制的一種智能化程度高、綜合能力強的太陽能板清潔機器人，是能夠清潔太陽能面板表面灰塵、污染物和鳥禽糞便的清潔機器人，可以提升光伏面板的光電轉(zhuǎn)化效率，并進一步提高光伏電站的經(jīng)濟效益。在使用過程中，機器人通過電機驅(qū)動履帶行走、切換干洗或水洗模式，實現(xiàn)全方面覆蓋清洗、智能啟停等功能，能夠根據(jù)外界環(huán)境的光線變化和邊界距離進行智能化控制。在清洗過程中，采用噴淋或吹氣裝置使打掃過程的覆蓋區(qū)域更加廣泛，用水成本更低，而尼龍絲毛刷輥采用螺旋結(jié)構(gòu)以及差速轉(zhuǎn)動能提高機器人清掃的清潔度，以維持光伏發(fā)電站的發(fā)電效率，解決現(xiàn)在越來越嚴(yán)重的資源匱乏問題。

1 清潔裝置設(shè)計

1.1 清潔裝置組成

該清潔裝置包括機械部分和控制部分。機械部分主要包括履帶行走機構(gòu)、導(dǎo)向輪、清洗滾軸、驅(qū)動電機及減速器等。控制部分包括控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)等。

1.2 設(shè)計功能

1）機械部分采用鋁合金框架，避免設(shè)備銹蝕，減輕自身重量；2）控制系統(tǒng)采用具有高可靠性和高運行速度的嵌入式系統(tǒng)；3）根據(jù)太陽板所處區(qū)域環(huán)境情況，選擇干洗和水洗兩種模式；4）設(shè)計光照檢測系統(tǒng)，便于控制機器人及時工作；5）設(shè)計行程開關(guān)，便于控制機器人反向移動或停車；6）選用直流減速電機進行整機驅(qū)動，抗干擾能力強，動態(tài)響應(yīng)比較快速；7）采用鋰電池作為設(shè)備電源，保證機器人可持續(xù)工作。

1.3 具體實施措施

1.3.1 機器人履帶式行走機構(gòu)設(shè)計

1）機器人通過張緊輪調(diào)節(jié)履帶松緊，利用支撐輪和引導(dǎo)輪控制橡膠履帶的正常工作，由電動機和齒輪傳動機構(gòu)帶動驅(qū)動輪控制橡膠履帶行走。為了保證履帶克服阻力，正常行走，選擇寬面橡膠履帶。機器人通過電機驅(qū)動橡膠履帶行走、切換干洗或水洗模式，實現(xiàn)全方面覆蓋清洗、智能啟停等功能，能夠根據(jù)外界環(huán)境的光線變化和邊界距離進行智能化控制[6]。

2）引導(dǎo)輪的尺寸大小主要考慮到當(dāng)前太陽能電池板安裝的陣列間隙以及行走速度和清洗速度的差值，引導(dǎo)輪D1~D8 尺寸、齒數(shù)、材料情況如表1 所示。

3）側(cè)邊導(dǎo)向輪設(shè)計。側(cè)邊導(dǎo)向輪的作用：為防止機器人執(zhí)行清洗任務(wù)時，由于自身重力向下滑落，所以在它的兩旁加了側(cè)邊導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪可以在太陽能電池板的側(cè)面進行滾動，承載太陽能電池板清洗機器人由于自身重力產(chǎn)生向下滑動的垂直于太陽能電池板側(cè)面的力，即重力對太陽能板方向的余弦分力。側(cè)邊導(dǎo)向輪選用包膠輪，包膠輪采用聚氨酯包膠，吸振性能更好，耐機械沖擊性能較強，具有強度高、剛性好、不易產(chǎn)生形變、抗沖擊能力強、抗振性強等優(yōu)點[7]。清洗機器人結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 清洗機器人結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 控制裝置設(shè)計

本系統(tǒng)通過藍牙串口傳輸信號，通過藍牙控制上位機調(diào)節(jié)裝置，控制清洗模擬光伏板的演示板，其實際應(yīng)用價值高于傳統(tǒng)的人力清洗，相比新型的自動化清洗更加省時省力。本研究設(shè)計的藍牙控制功能能夠保證清洗效率，能夠有效解決自動化清洗不徹底等問題，并通過上位機對設(shè)備進行控制，使模擬光伏板的演示板具有更高的實際應(yīng)用價值。

1）控制系統(tǒng)：選用STM32 單片機作為機器人的核心部位，根據(jù)實際情況對核心控制器輸入指令，控制器STM32 會輸出PWM 控制信號作用于直流電機的控制電路，控制直流電機的驅(qū)動以及調(diào)速，從而完成對清潔機器人的清掃系統(tǒng)毛刷的驅(qū)動和行走系統(tǒng)行走輪的驅(qū)動。

2）傳感系統(tǒng)：包括光照檢測模塊和邊界檢測模塊。光照檢測模塊中光敏電阻器選用TELESKY，因為該傳感器有信號清晰、波形好、驅(qū)動能力強等優(yōu)點。光照檢測模塊檢測環(huán)境光線強度，傍晚來臨的時候，當(dāng)周邊環(huán)境的光線強度減小到特定數(shù)值時，太陽能板清潔機器人才會進行工作[8]。邊界檢測模塊使用歐姆龍限位開關(guān)D4N-212G 的行程開關(guān)，這是一種單輪自動恢復(fù)行程開關(guān)。要想實現(xiàn)邊界條件控制，則當(dāng)機器人清洗完一片區(qū)域的太陽能電池板時，安裝在側(cè)邊的限位開關(guān)向下運動，輸出低電位，機器人停止工作。

3）驅(qū)動系統(tǒng)：采用直流電機進行整機驅(qū)動，直流減速電機額定電壓為24 V，在減速齒輪減速下可以滿足所設(shè)計的清洗速度并驅(qū)動整個清洗機器人完成清洗過程。該減速電機帶有剎車裝置，在清洗機器人清掃完畢返回停車位或到達光伏太陽板組件邊界時可以更好地進行停車。

4）清洗系統(tǒng)：主要分為噴淋（吹氣）裝置和清掃裝置。清洗機器人機械部分結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，由PVC 管或鍍鋅管構(gòu)成，管上安裝霧化噴嘴[9]。清洗機器人進行工作任務(wù)時，會從管的一端進水（壓縮空氣），自動打開霧化噴嘴，對各自區(qū)域內(nèi)的太陽能電池板進行噴淋（吹氣）工作，噴淋（吹氣）裝置較于傳統(tǒng)人工沖洗，覆蓋區(qū)域更加全面，用水總量是人工沖洗的四分之一，減少了清洗成本，節(jié)省了水資源。清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作業(yè)過程如下：①清洗滾軸采用尼龍絲毛刷輥。由直流電機和減速器驅(qū)動，同步輪的齒數(shù)通過同步帶傳動設(shè)計，使其清洗機構(gòu)和行走機構(gòu)形成差速傳動。尼龍絲毛刷輥采用螺旋結(jié)構(gòu)以及差速轉(zhuǎn)動能使清洗機器人提高清掃的清潔度。②清洗模式的轉(zhuǎn)換是根據(jù)太陽板所處區(qū)域來選擇，如果區(qū)域水源充足可以選用噴淋或噴霧，如果水源不充足可以選用高壓氣體吹除。③選用直流伺服電動機作為機器人的動力源，便于機器人的移動和清洗滾筒裝置的正常工作。④選用24 V 的鐵鋰電池作為機器人的電源，并設(shè)置有充電孔，保證機器人續(xù)航時間達到2 h（一個陣列的光伏板組件長度為200 m）。

圖2 清洗機器人機械部分結(jié)構(gòu)圖

1.4 技術(shù)路線

機器人控制硬件電路包括STM32 單片機、PWM電機驅(qū)動電路、整機電源、直流電機、傳感器等。STM32 單片機是清洗機器人的核心控制器，通過外界環(huán)境對核心控制器發(fā)出指令，控制直流電機的驅(qū)動和調(diào)速，從而完成對清洗機器人的清掃系統(tǒng)毛刷的驅(qū)動和行走系統(tǒng)行走輪的驅(qū)動，而核心控制器STM32輸出PWM 控制信號作用于直流電機的控制電路。整機電源為STM32 單片機、控制電路、除塵過程中所需的傳感器以及直流電機提供電源。機器人工作流程圖如圖3所示。

圖3 機器人工作流程圖

太陽能板清潔機器人的設(shè)計，可以減輕人工的勞動強度，提升清潔質(zhì)量，多種模式的轉(zhuǎn)換，提高了清潔效率。太陽能板清潔機器人的應(yīng)用為碳中和的實施提供了便利條件，改善了人工作業(yè)環(huán)境，降低了光伏電站造價。

2 應(yīng)用前景

本系統(tǒng)基于STM32 單片機控制，智能化程度高、操作方便簡單，同時在對太陽能電池板清潔的基礎(chǔ)上，最大限度地利用太陽能，以達到清潔的目的，可以應(yīng)用于各種不同環(huán)境中的清潔工作。控制清洗機器人只有在光線環(huán)境較弱情況下才工作，因此不影響光伏太陽板的正常發(fā)電。相較于現(xiàn)有的清潔裝置，該裝置配備了噴淋、吹氣兩種方式，可以對不同情況的光伏電板所在區(qū)域進行針對性的清潔工作，大大節(jié)省了水資源[10]。本產(chǎn)品配備24 V 的鐵鋰電池作為機器人的電源，并設(shè)置有充電孔，保證機器人續(xù)航時間達到2 h，大大提高了產(chǎn)品的工作時間和耐用性。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，在“碳達峰、碳中和”的目標(biāo)下，以光伏為主導(dǎo)的太陽能產(chǎn)業(yè)被賦予高增長、高景氣度的成長空間[11]。隨著太陽能裝機容量的增加，電站運維問題逐漸凸顯，其中積灰問題最為嚴(yán)重，灰塵的覆蓋大大降低了太陽能組件的發(fā)電效率，成為太陽能發(fā)展最大的障礙。現(xiàn)有的太陽能板清洗方式水資源消耗大、效率低下、清洗成本高，需要不斷創(chuàng)新太陽能清潔裝置的開發(fā)設(shè)計，提高裝置的質(zhì)量，只有這樣才能真正地提高工作效率。本研究設(shè)計的裝置可以提高資源的利用率，減少浪費，實現(xiàn)理想的工作成果，有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＧ译S著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們越來越注重資源節(jié)約等問題，所以本清潔裝置具有廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)語

綜上所述，本裝置由履帶行走機構(gòu)、導(dǎo)向輪、清洗滾軸、驅(qū)動電機及減速器、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)等組成，通過STM32 單片機控制，達到清潔太陽能面板表面灰塵、污染物和鳥禽糞便的目的，可以提升光伏面板的光電轉(zhuǎn)化效率，并進一步提高光伏電站的經(jīng)濟效益。在使用過程中，機器人通過電機驅(qū)動履帶行走、切換干洗或水洗模式，實現(xiàn)全方面覆蓋清洗、智能啟停等功能，能夠根據(jù)外界環(huán)境的光線變化和邊界距離進行智能化控制，達到節(jié)約資源的目的。