李佳樂(lè)，向旭宏，廖力達(dá)，剛琳俐，朱顏寧，陳慧琳，陳秀竹

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)a.汽車與機(jī)械工程學(xué)院；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

目前光伏發(fā)電行業(yè)已發(fā)展到較為龐大的規(guī)模。太陽(yáng)能發(fā)電是采用光-熱-電的形式來(lái)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即通過(guò)晶體硅材料對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)換。在太陽(yáng)能的利用過(guò)程中，光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能利用的重要指標(biāo)。而電池板表面的積灰會(huì)影響太陽(yáng)能板對(duì)光輻射的吸收，從而影響光電轉(zhuǎn)換效率。由于太陽(yáng)能發(fā)電站一般建設(shè)在人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，甚至于自然環(huán)境惡劣的沙漠地區(qū)。因此，太陽(yáng)能板的清潔問(wèn)題演變成一個(gè)新的研究課題。

光伏電站的太陽(yáng)能板清潔方式主要包括人工清洗、機(jī)械化清洗車清洗和智能太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人清洗。人工清洗太陽(yáng)能板不僅浪費(fèi)水資源，而且自動(dòng)化程度較低，需要大量的人工成本；機(jī)械化清洗車清洗雖然自動(dòng)化程度較高，但車型的體積較大移動(dòng)不方便，且清洗時(shí)易造成光伏板損壞?；谶@些缺陷，采用太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人清洗光伏板，能夠有效解決人工清理效率低、成本高、效果差等諸多問(wèn)題，因而太陽(yáng)能板清洗機(jī)器人受到了國(guó)內(nèi)外企業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。以色列某企業(yè)設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)智能化清掃的太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人，其主要原理是鼓風(fēng)機(jī)與一個(gè)特殊的毛刷相互配合，能夠清掃太陽(yáng)能板積灰面積的99%[1]。日本某公司研發(fā)了一款基于最優(yōu)路徑的太陽(yáng)能組件表面行走清掃機(jī)器人，其主要原理是通過(guò)設(shè)計(jì)最優(yōu)路徑實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能組件表面無(wú)死角行走，并使清潔劑和清掃刷相互配合對(duì)太陽(yáng)能板表面污漬進(jìn)行清掃[2]。上海某公司推出了一款新型的太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人，其本體結(jié)構(gòu)由吸盤(pán)與伸縮桿構(gòu)成，其工作原理為依靠?jī)?nèi)部首尾相連的一枚伸縮桿進(jìn)行往復(fù)式運(yùn)動(dòng)[3]。新疆某光伏公司設(shè)計(jì)了一款智能太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人采用上下兩端橫跨光伏板的形式對(duì)光伏陣列表面的積灰進(jìn)行清掃[4]。

現(xiàn)有的太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的普及性還不高。究其原因是清洗機(jī)器人的移動(dòng)范圍、清洗效率和靈活性等的設(shè)計(jì)還未滿足光伏電站實(shí)際清洗的要求。因此本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款具有移動(dòng)范圍廣、體型小、清洗成本低和效率高的無(wú)水干式太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人，能夠縮短作業(yè)人員的工作時(shí)間和改善其工作環(huán)境，較大程度上降低了人力和物力成本，對(duì)提升光伏電站的總發(fā)電效益起到重要作用。

1 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人吸附受力分析

真空吸附是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人在光伏板上移動(dòng)作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人吸附原理是利用內(nèi)部螺旋槳推壓的負(fù)壓吸附，采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出，從而產(chǎn)生負(fù)壓來(lái)吸附，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在傾斜的太陽(yáng)能板上，以進(jìn)行前后左右的移動(dòng)和完成較為完整的清潔作業(yè)。清潔機(jī)器人底部與太陽(yáng)能板完全貼合形成密封，由吸盤(pán)內(nèi)外壓強(qiáng)差決定的真空吸附力FΔp隨之產(chǎn)生，即

式中：Δp為殼體內(nèi)外大氣壓之差（真空度），S為風(fēng)扇的回轉(zhuǎn)面積。

清洗刷要保證對(duì)壁面進(jìn)行有效地清洗，就必須具有一定的清洗力Fr，清洗刷與壁面間的摩擦力Fs，即：

式中：μs為清洗刷與壁面之間的摩擦因數(shù)，F(xiàn)Δ1為清洗刷形成清洗力所需要的壓力，k1為清洗刷的彈性剛度，Δ1為清洗刷的彈性變形。

支撐機(jī)構(gòu)主要是麥克納姆輪，以確保機(jī)器人在斜面上運(yùn)行穩(wěn)定，麥克納姆輪的彈性力FΔ2和摩擦力Fd可表示為：

式中：μd為麥克納姆輪與太陽(yáng)能板間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，F(xiàn)Δ2為麥克納姆輪所受到的壓力，k2為麥克納姆輪的彈性剛度，Δ2為麥克納姆輪的彈性變形。

將清洗刷及麥克納姆輪所受到的壓力總和稱為本體壓力F。它們與太陽(yáng)能板之間的摩擦因數(shù)為本體摩擦因數(shù)μ，由受力平衡可知：

式中：G為清潔機(jī)器人的重力，α為太陽(yáng)能板與水平面之間的夾角。

以上表明清潔機(jī)器人清洗刷的壓力、支撐力均由FΔ1、FΔ2提供，綜上所述，可得：

2 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)型式

太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人是無(wú)水干式設(shè)計(jì)，依靠螺旋槳產(chǎn)生負(fù)壓吸附，麥克納姆輪全方位轉(zhuǎn)向以及滾刷旋轉(zhuǎn)清潔，即可實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人在太陽(yáng)能板上平穩(wěn)行駛和無(wú)水清潔的功能。太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人正視結(jié)構(gòu)圖

圖2 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人俯視結(jié)構(gòu)圖

2.2 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人移動(dòng)方式設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人移動(dòng)方式設(shè)計(jì)包括車輪結(jié)構(gòu)和清潔路徑的設(shè)計(jì)。一是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板清潔機(jī)器人能夠在太陽(yáng)能板上吸附移動(dòng)，在到達(dá)電池板末端時(shí)自動(dòng)返回；二是清潔機(jī)器人應(yīng)具有一定的爬坡能力。

太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的滾輪采用麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，其由兩個(gè)半麥克納姆輪組合，每個(gè)半麥克納姆輪上裝有6個(gè)輥?zhàn)?，兩個(gè)半麥克納姆輪之間的輥?zhàn)硬捎瞄g隔布置。麥克納姆輪可實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人橫向、豎向和斜向行駛。這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。為保證清潔機(jī)器人能在一定坡度的太陽(yáng)能板上移動(dòng)并且不損傷太陽(yáng)能板，在動(dòng)力系統(tǒng)中主要由大轉(zhuǎn)矩直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)麥克納姆輪轉(zhuǎn)向，并且實(shí)現(xiàn)了45°坡度的爬坡能力。

2.3 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人清潔裝置設(shè)計(jì)

清潔裝置由滾刷、底部環(huán)式抹布和集塵箱等部分組成。為了達(dá)到高效清潔的目的，滾刷選取纖維軟絨材質(zhì)。清潔機(jī)器人清潔過(guò)程是利用裝在裝置前方的滾刷進(jìn)行初步清掃，將易清掃的灰塵消除，再利用螺旋槳產(chǎn)生的負(fù)壓，在吸塵口處將所清掃的灰塵吸進(jìn)集塵箱完成集塵，最后利用底部的抹布對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行二次清潔，既保證了清潔效率，又實(shí)現(xiàn)了無(wú)水自動(dòng)清潔的功能。

2.4 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了便于控制和提高吸附穩(wěn)定性，太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的是基于Android板開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)[5]，該控制系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)雙控制模式，可編輯程序上傳至Android開(kāi)發(fā)板。主控系統(tǒng)主要包括：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。該單元控制器接收信號(hào)后，完成對(duì)車輪電動(dòng)機(jī)及螺旋槳電動(dòng)機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)在具有一定坡度的太陽(yáng)能板上的行走。

2）主控制器。主控制器為Android板對(duì)外部指令和內(nèi)部反饋的信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算，并且給出進(jìn)一步的指令，指導(dǎo)各部分進(jìn)行下一步操作。

3）反饋裝置。主要為安裝在外殼周圍的紅外線儀，將外部的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，反饋給主控制器，使其調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到平移的目的。

4）執(zhí)行元件。主要執(zhí)行元件為電動(dòng)機(jī)，包括車輪的4個(gè)小電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的1個(gè)大電動(dòng)機(jī)。其中麥克納姆輪電動(dòng)機(jī)控制較為復(fù)雜，通過(guò)控制各個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)輪子的不同轉(zhuǎn)向。

太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的控制過(guò)程如圖3所示。該控制有兩種模式。模式一為手動(dòng)模式，選擇此模式后，可以通過(guò)控制手柄按鈕直接控制麥克納姆輪的電動(dòng)機(jī)，從而可以控制機(jī)器人朝著預(yù)想的方向行駛。模式二為自動(dòng)模式，進(jìn)入自動(dòng)模式后，麥克納姆輪電動(dòng)機(jī)首先會(huì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，然后傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將反饋的信號(hào)傳入主控制器，再控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)使機(jī)器人向預(yù)想的方 向 移動(dòng)。通過(guò)傳感器的反饋和主控制器的信號(hào)處理，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在太陽(yáng)能板上的全方位行走和無(wú)水清潔的功能。

圖3 太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的控制流程圖

3 系統(tǒng)協(xié)同清潔實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步完善太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的各項(xiàng)功能，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)機(jī)器人的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。

如圖4所示，在露天陽(yáng)臺(tái)上已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間裸露的太陽(yáng)能板，其表面上已經(jīng)覆蓋了大量的灰塵，較大程度上能夠模擬實(shí)際環(huán)境。

圖4 功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的模擬環(huán)境

1）爬行功能測(cè)試。

通過(guò)對(duì)麥克納姆輪電動(dòng)機(jī)程序的編寫(xiě)，控制機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，測(cè)試清潔機(jī)器人能否完成啟動(dòng)、停止、前后運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等功能。通過(guò)爬行測(cè)試，測(cè)出了清潔機(jī)器人運(yùn)行的最佳速度。清潔機(jī)器人速度過(guò)快或過(guò)慢時(shí)，都會(huì)影響清潔效率。根據(jù)清掃和運(yùn)動(dòng)測(cè)試以及車輪直徑，得到清潔機(jī)器人的最佳行駛速度在0.3 m/s。

2）吸附功能測(cè)試。

清潔機(jī)器人需要與吸附裝置配合，才能保證其在太陽(yáng)能板上運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到清潔機(jī)器人與太陽(yáng)能板的滑動(dòng)摩擦因數(shù)約為0.467，因此，可根據(jù)數(shù)據(jù)選擇功率匹配的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪。

3）清掃性能測(cè)試。

清潔機(jī)器人采用無(wú)水干式設(shè)計(jì)，清掃裝置包括滾刷和位于底盤(pán)的抹布。滾刷進(jìn)行初步的清掃，底部的抹布對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行二次清潔。為了模擬實(shí)驗(yàn)條件，首先將收集的細(xì)沙和灰塵均勻地撒在5塊太陽(yáng)能板上，設(shè)置太陽(yáng)能板的坡度為19.34°。在相同條件下分別進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是通過(guò)清掃覆蓋率和一次清掃率來(lái)評(píng)估清潔機(jī)器人的清潔能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 清掃性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表

太陽(yáng)能板的尺寸為1.65 m×0.991 m，面積為1.635 m2。由于太陽(yáng)能板的邊緣和拐角處不易清掃，清潔機(jī)器人平均清掃面積為1.49 m2，平均清掃覆蓋率為91.25%。實(shí)驗(yàn)初始在太陽(yáng)能板上均勻?yàn)⒘?0 g的灰塵，待清潔機(jī)器人完成清掃后，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能板上殘留灰塵質(zhì)量和原質(zhì)量之差值求出一次清掃率。殘留灰塵的平均質(zhì)量為4.38 g，平均一次清掃率為91.24%。清掃效果最好的是第5組，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。相比于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能板清洗機(jī)器人，所開(kāi)發(fā)的無(wú)水干式太陽(yáng)能板清洗機(jī)器人能夠完全避免水資源的消耗，降低了人力和物力成本，并且達(dá)到了較高的清潔效率。

4 結(jié)論

無(wú)水干式太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的研發(fā)，解決了水資源流失的弊端，兩種操作模式的切換，減輕了作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度；不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便拆檢換洗，而且實(shí)用性較強(qiáng)，麥克納姆輪的特殊結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)小車的自由運(yùn)動(dòng)，除了光伏板的清洗之外，還可適用于各種板狀結(jié)構(gòu)的清潔；能夠在傾斜的太陽(yáng)能光伏板上移動(dòng)清洗，并且不需要消耗外部能源，且可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移動(dòng)清洗，較大程度上降低了設(shè)備使用的成本。