太陽能清潔小車的設計

王儒卿 張鴻 江仲洋 程廉升 廉法博

遼寧科技大學機械工程與自動化學院 遼寧 鞍山 114000

引言

目前出現的清潔車基本都是中大型的用吹吸式或沖水式來清除垃圾，這些清潔車駕駛操作較為困難，往往需要專業人士駕駛工作，普及性不高，物力、人力消耗多，消耗能源多，并且基本上都只是對大路的清理，清潔范圍十分有限[1]。路邊或小路上等都無法用清潔車來清掃。所研究的太陽能清潔小車利用太陽能工作，滿足了可持續性發展、綠色環保以及節能減排的要求。另外，本小車的遠程遙控，操作簡單，容易上手，從而減輕人工勞動強度，解放雙手，方便快捷，省時省力，來進一步落實節能減排的要求。本小車制作成本低，不僅符合節能減排的要求，也有利于大量普及。

1 設計方案

太陽能清潔小車主要分為太陽能發電系統，清潔系統，控制系統以及動力系統四個部分組成。太陽能清潔小車的solidworks 3D建模圖如圖1所示。

圖1 三維仿真建模圖

太陽能發電系統由太陽能電池板以及電池組成，工作模式下可以采用電池放電來工作，同時太陽能板還可以進行一定的充電；工作完成進入休息模式時可通過太陽能板給電池充電以備下次繼續使用，從而滿足可持續性發展、綠色環保以及節能減排的要求[2]。清潔系統包括垃圾箱、吸塵管、吸塵風扇，過濾網等。控制系統由遙控裝置組成，通過遙控手柄來實現小車的移動和吸塵工作。動力系統主要包括電機、變速器等，用于推動小車移動和完成吸塵工作。

機械部分三維設計如圖2所示，其中太陽能板、底座和車身如圖1所示。

圖2 部件三維設計圖

設計時考慮的主要問題[3]：①太陽能電池板的選擇和布局：需要根據清潔小車的功率需求和工作時間等因素來確定太陽能電池板的數量、型號和布局，以確保足夠的電量供應。②驅動系統的設計：需要根據清潔小車的負載、行駛速度和路面狀況等因素來設計驅動系統，包括電機、減速器等部件。③清潔裝置的設計：需要設計電機，吸塵風扇等部件，以滿足吸塵效果和工作效率的要求。④控制系統的設計：根據遙控手柄的設計實現對清潔小車的遙控控制和運行安全。⑤結構設計的優化：需要優化清潔小車的結構設計，使其具有輕量化、緊湊、穩定等特點，以提高工作效率和移動性能。⑥安全性的考慮：需要考慮清潔小車在工作過程中的如密封性等安全性問題。

2 理論設計計算

2.1 太陽能發電系統

考慮到清潔小車工作狀態的整體吸塵清潔能力，選定太陽能清潔小車外形尺寸為直徑×高為400mm×800mm的圓柱體結構，并且太陽能板安裝在筒壁外側。總體質量約40kg。

首先，太陽能電池板的選擇和安裝需要根據太陽能清潔小車的功率需求，選擇合適的太陽能電池板類型（如單晶、多晶、薄膜等），并考慮其尺寸、轉換效率、成本、重量等因素。太陽能電池板的安裝位置和角度也需要考慮，以保證最大化地接收太陽輻射，并避免遮擋和反射的影響。

此外，需考慮太陽能電池板類型的選擇，目前行業中主要分為單晶、多晶以及薄膜太陽能電池板。它們的轉換效率不同。單晶電池板的轉換效率一般在16%以上，多晶電池板的轉換效率一般在14%～16%之間，薄膜電池板的轉換效率一般在10%以下[4]。但是薄膜電池板有較好的弱光性能，即在清晨、傍晚或陰雨天等光照弱的情況下，仍能發揮較高的效率。電性能衰減不同。單晶和多晶電池板的衰減速度相對較慢，一般在25年內衰減到80%以下。而薄膜電池板的衰減速度較快，一般在10年內衰減到80%以下。價錢不同。單晶電池板的價格一般最高，多晶電池板的價格次之，薄膜電池板的價格最低。但是考慮到轉換效率、使用壽命等因素，單晶和多晶電池板的性價比可能更高。因此，本裝置采用單晶太陽能電池板。

初選電池板尺寸為500mm*500mm的單晶太陽能板。

則太陽能板的發電量：

式中：S——太陽能板面積，S=0.5×0.5=0.25m2；

IPCE——光電轉化效率，IPCE一般在16%～20%之間，取IPCE=18%；

FF——填充因子，FF=80%

2.2 吸塵系統

吸塵裝置主要由風扇、吸塵裝置、灰塵收集箱和殼體4部分組成。殼體設計為一個直徑高為400mm×800mm的圓柱形箱體，將吸塵裝置置于該箱體內，實現良好的封閉性，從而增強清理效果。其次，為了更好地吸塵，我們將吸塵道口設計成“一”字形結構，來擴大吸塵面積，以增強吸塵效果。此外，內置1個灰塵收集箱，通過管道連接到過濾網和吸塵口，使灰塵快速收集到箱體內，以便集中處理。

2.3 動力系統

電機的功率匹配直接影響到小車的動力性能。匹配合理的電機功率不僅可以延長小車的行駛距離，同時也可以提高能源利用率。因此，在本小部分中，研究人員將考慮車輪電機在何種功率下運行最佳。在傳動系的傳動比一定的情況下,電機的功率往往能夠影響其最高車速。所以在設計中一般都是以保證設計的最高車速來初步計算電機的功率。根據設計的最高車速目標, 太陽能清潔小車備選的電機功率需要大于或等于該車以最高車速運行時所有阻力功率的和。

電機驅動力:

式中：μ-摩擦系數，μ=0.3；

mg-清潔小車重量。

則小車電機功率為：

式中：Vmax-小車最大走行速度，Vmax=0.5m/s.

3 工作原理及性能分析

太陽能清潔小車的工作原理是利用太陽能板將太陽能轉換為電能，再通過電機驅動車輪運動以及借助遙控手柄來達到小車移動的目的。同時清潔小車還配備吸塵裝置，利用風扇和吸塵管等設備來實現對戶外小型道路（樓道、人行道），大型道路的路邊以及醫院等風險較高的不適合人工作業區域的垃圾清理工作。太陽能清潔小車的工作流程圖如圖3所示。

圖3 太陽能清潔小車工作流程圖

在性能方面，太陽能清潔小車具有以下幾個優點。

（1）節能環保。太陽能是一種清潔的能源，使用太陽能清潔小車可以減少化石燃料消耗，降低二氧化碳排放，來達到可持續發展的要求。

（2）自主性強。太陽能清潔小車對外部能源供應依賴程度低，只需要在充足的陽光下進行充電就可以工作，具有較強的自主性。

（3）靈活性好。由于太陽能清潔小車是輕量級設備，因此其靈活性很高，可以適應不同場合的清潔需求。

（4）維護成本低。太陽能清潔小車的結構簡單、故障率低，因此維護成本相對較低。

4 結論

本小車配置了太陽能光伏發電板，使其工作模式下可以采用電池放電來工作，同時太陽能板還可以進行一定的充電；工作完成進入休息模式時可通過太陽能板給電池充電以備下次繼續使用。

本小車在紅外傳感器與遙控裝置的作用下實現遠程遙控，操作和控制簡便，容易地使用它，減輕了人工勞動強度，解放雙手，方便快捷，省時省力，來進一步落實節能減排的要求。

面向碳中和情景，迫切需要探索低碳能源技術路線，可再生能源高效利用是實現碳中和的重要途徑，太陽能清潔小車利用可再生能源工作減少了有碳氣體的排放。