一种适合大面积清扫的光伏板清洁机器人设计

钟 勇，李方舟，邱煌乐，张 树，汤韬略

（福建工程学院，福建 福州 350118）

光伏板是目前利用太阳能的主要方式，通过光伏效应将太阳能转换为电能进行利用和储存。因此光电转换效率是光伏板运行过程中的重要技术指标，而光伏板的发电效率会受到环境影响，尤其是表面积灰会极大降低发电效率。一方面，灰尘遮挡会使光伏板表面玻璃的透射率减小，降低了总体太阳辐射量；另一方面，长期的灰尘积累，会对光伏板表面造成腐蚀，并可能导致光伏发电的热平衡发生改变，造成不可逆的损伤[1]。

目前光伏板表面的清洁方式包括人工清洁、清洁车辆清洁、清洁机器人清洁等。人工清洁效果好，但清洁效率低且人工成本高，只适合小面积光伏板的清洁；清洁车辆多用于中大型光伏阵列，但会受到阵列排布、地形等的限制；一般的清洁机器人清洁效果较好且成本低，但无法满足大面积清洁需要。

本文设计了一种光伏板清洁机器人，利用可拼接式的模块化轨道，不受光伏板的尺寸限制，无清洗死角，减少了板面的无效清洁区域，能更好地满足大面积光伏板清洁的需要，提高了大面积清洁光伏板的工作效率。

1 国内外研究现状

国外的光伏发电产业起步较早，尤其是美国、日本等发达国家，早在20 世纪末就已制定了一系列光伏发电的发展规划，使得光伏发电产业得到了快速发展，许多光伏板清洁机器人也因此应运而生。例如，瑞士GEKKO 公司研发的SERBOT 清洁机器人、意大利UEMME 公司研发的MANTASOLAR 清洁机器人、以色列企业ECOPPIA 研制的光伏电池板清洁机器人等[2]。

近些年来随着国内光伏产业的发展进步，相关的光伏清洁机器人也随之蓬勃发展。自2012 年以来，越来越多的企业投入到了光伏板清洁技术的研究中，将国外已有的先进技术与国内光伏产业相结合，同时也自主研发出了多项清洁技术，打破了技术垄断。例如，2014 年昱臣智能研发的国内首台无水清洁光伏板机器人亮相。其产品与意大利UEMME 公司所研发的清洁机器人有相似之处，但是实现了无水清洁，同时拥有更高的感应灵敏度。此外，西安运维电气也在近年研发了OMRobot 光伏清洁机器人，能够实现单排清洁及跨排清洁，整体灰尘清洁率超过98%。这些光伏清洁机器人的研发，不仅填补了国内光伏清洁领域的多项空白，也让中国在光伏清洁领域的关键技术达到了国际领先水平。

2 光伏清洁机器人的结构设计

2.1 系统简介

光伏清洁机器人基于类行车架构，通过可拼接式的双轨道排布，在保证高效、有效清洁的前提下，实现对大面积光伏板的清洁，解决了现有光伏清洁机器人无法适应大面积清扫需求等问题。采用喷水、辊刷清扫等多种清洁装置，利用传感器规划路径，通过控制系统对各组件部分进行行走、工作控制和相互的联通。光伏清洁机器人能够实现自主清洁作业、充电等，无需过多的人工干预。此外控制系统也可将传感器和摄像头所获得的数据实时上传至云端，也可通过云端对系统进行远程控制。光伏清洁机器人总体工作流程如图1 所示。

图1 光伏清洁机器人总体工作流程图

2.2 光伏清洁机器人整体设计方案

本文设计的清洁机器人主体结构如图2 所示，主要包括清扫组件、清扫轨道、行走组件、行车轨道和充电桩，除清扫组件外，其余组件为对称架构。

图2 光伏清洁机器人总体结构

清扫组件包含喷水装置、辊刷、平板拖等清扫装置，能在清扫轨道上运动，并可清洁光伏板表面。清扫轨道承载清扫组件，并约束清扫组件的运动，其两端连接行走组件。行走组件的运动带动清扫轨道及其上方的清扫组件整体移动[3]，且行走组件的运动受到行车轨道的约束。行车轨道两侧端有无线充电桩，能为行走组件进行无线充电，无线充电桩的电能由光伏板工作直接提供。

2.2.1 清扫组件设计

清扫组件在行进的过程中，同时对光伏板进行清扫，是实现光伏板清洁功能的重要组件。清洗组件的结构如图3 所示。摄像头能收集清扫组件所清洁区域的情况，帮助清扫组件正常工作运行。清扫组件蓄电池为清扫驱动电机提供动力，清扫驱动电机输出转矩，经减速器输出至驱动轮，从而带动清扫组件整体运动。从动轮在运行过程中带动辊刷工作，清洁光伏板表面。水箱内装有清洗液，清洗液经由下方设置的喷嘴雾化，喷射至辊刷行进方向的光伏板表面[4]，提高辊刷的清洁效果。在清洁过程中，平板拖将辊刷剩余的灰尘收集，保证灰尘向前推进，不会残留于清洁区域，同时对光伏板表面进行二次清洁。

图3 清扫组件结构

2.2.2 行走组件设计

行走组件是清扫机器人实现大范围清洁的重要部分，结构如图4 所示。

图4 行走组件结构

图4 中一侧为行走组件，另一侧行走组件的结构与它相同。行走组件蓄电池能为行走驱动电机提供电力，行走驱动电机输出转矩，经由减速器至下方行走轮，行走轮带动行走组件整体运动[5]。行走组件蓄电池、行走驱动电机和减速器都固定于行走组件固定支架上。引导轮与行车轨道外侧相接，约束行车组件的运动，防止行走组件脱离轨道。

2.2.3 行车轨道设计

行车轨道如图5 所示，为了保证轨道有良好的承载能力，行车轨道采用了U 形轨道，可通过多类紧固方式固定在地面、墙体或机架等位置。此外行车轨道为可拼接式轨道，两截轨道可相互连接，可大面积清扫光伏板，且便于安装和拆卸。行车轨道内部单侧面有齿，与行走组件的行走轮之间形成齿轮齿条配合连接，保证行走轮在行车轨道上长距离大负载的直线运动中，有良好的传动精度和定位精度。

图5 行车轨道

2.2.4 清扫轨道设计

清扫轨道结构如图6 所示。清扫轨道同样为U 形可拼接式轨道，在保证轨道有稳定可靠的承载能力、不易发生变形的前提下，便于轨道的安装拆卸，并可根据清扫区域调整安装的轨道长度。清扫轨道内底面有齿，能够和清扫组件的驱动轮和从动轮实现齿轮齿条配合连接，使清扫组件在运作时有一定传动精度，且保证有良好的承载能力和定位能力[6]。清扫轨道下方附有粗清扫模块，大面积扫去浮尘，对光伏板表面实现简单清洁。将压紧弹簧和伸缩杆连接，使粗清扫模块与待清扫光伏板面之间有一定压力，但不会对光伏板面造成损害，从而提高粗清扫模块的清洁能力。

图6 清扫轨道

2.2.5 清扫轨道应力校核

清扫轨道是保证清扫组件正常工作运行的基础。而清扫轨道的两端固定搭架在行走模块上，不免会发生变形状况，特别是当清扫模块行走到中间段的时，变形更为严重。使用Soildworks 软件对清扫轨道的槽钢模型进行变形分析计算。

清扫轨道选用槽钢材料。由于清扫轨道模块内的齿条结构需要额外安装，因此根据齿轮齿条和实际所需的截面积，清扫轨道的槽钢选择型号32a，理论质量为38.22 kg/m，槽钢长度为10 m。

清扫组件在工作的过程中时，其质量由2 个对称的清扫轨道共同承担，方向垂直于清扫轨道，竖直向下。忽略槽钢上安装的齿条质量，清扫组件的质量由2个清扫轨道均匀承担，即每个清扫轨道承受的清扫组件质量的1/2，最大为100 N。

槽钢总变形如图7 所示。由图可知，当清扫组件工作运行到清扫轨道中部时，槽钢发生的最大变形量为5.4 mm，变形量较小，不会对清扫组件的正常工作造成影响，理论上可满足基本工作需求。

图7 槽钢总变形

3 解决的主要问题

本设计对象为光伏板清洁机器人，光伏板清洁机器人存在的主要问题及解决方法如下：①如何保证工作效率，使清洁机器人能够适应大面积清扫作业。为此，本设计利用了双轨道结构，增加了清洁组件的清扫面积，更能满足大面积光伏板清洁的需要[7]，同时可拼接式的模块化轨道，不受光伏板的尺寸限制，通过行走组件和清洁组件的联合运动，保证了整个光伏板表面都能被清洗，不会出现清洗死角，减少了板面的无效清洁区域，提高了大面积清洁光伏板的工作效率。②如何减少作业对光伏板表面的损伤。在本设计中清洗组件由一对清洗轨道承载，清洗轨道由两端行走组件支持，行走组件由行走轨道承载，而行走轨道设置于光伏板区域边缘两侧，即本方案中各组件和轨道的质量都不会由光伏板直接承载，对光伏板表面各区域不会造成过大的压力，因此对光伏板的直接压力损害较小。

4 结论

本文设计的光伏板清洁机器人利用类行架式的双轨道架构实现行走，行走过程中利用清扫组件中的多种清扫装置对光伏板表面进行清洁，解决了大面积光伏板清扫过程中清扫效率和清扫效果无法兼顾的矛盾。光伏板清洁机器人自动行走于光伏板之上，进行高效自主清洁作业。通过摄像头等收集数据至云端，操作人员可进行远程操控并查看清洁效果。随着光伏板设备数量的增加，传统的光伏板清洁机器人已经无法满足大面积光伏板的清洁需求，该清洁机器人自动化程度高、清洁效果好、维护成本低、具有广阔的应用前景。