可贴合光伏面板起伏实行自动清扫的光伏组件清洁机器人设计探析

摘 要： 光伏组件清洁机器人能够实现光伏组件的自动清扫。文章结合光伏组件清洁机器人设计项目，从上方传动盒模组、中间行走轮模组、下方控制盒模组、传动杆、万向节联轴器等方面分析了光伏组件清洁机器人的设计要点。项目通过万向节联轴器连接传动杆与中间行走轮模组、上方传动盒模组、下方控制盒模组，实现了柔性驱动，能够根据光伏面板的高低落差自动调节整体结构，贴合光伏面板，实现自动清扫。

关键词： 光伏组件清扫机器人;万向节联轴器;自动清扫

一、 引言

光伏发电具有能源质量高、环保等优点。但是，光伏发电所用的光伏板组件通常安装在室外，较为容易受到扬尘、雾霾、雨水、鸟类粪便等的污染。为了保证光伏组件的转换效率，需要使用自动清扫装置定期对光伏组件面板进行清扫。由于光伏组件的排列存在沉降、错位落差，因而需要保证光伏组件清洁机器人设计具有一定的越障能力。

二、 项目概况

光伏组件清洁机器人能够实现光伏组件的自动清扫，有效提升了光伏组件的转换效率。但是，目前市面上大部分光伏组件清洁机器人产品在越障能力方面仍存在不足。由于光伏组件的沉降、落差或障碍事，光伏组件清洁机器人会出现卡涩、清扫不到位的问题。对此，公司开展可贴合光伏面板起伏实行自动清扫的光伏组件清洁机器人研发项目，要求光伏组件清洁机器人能够贴合光伏面板通行，并实行自动清扫工作，以提高光伏组件始终处于正常运行状态。

三、 光伏组件清洁机器人设计要点

项目机器人的结构主要包括上方传动盒模组、框架、中间行走轮模组、下方控制盒模组。中间行走轮模组、上方传动模组、下方控制盒模组分别固定于框架的中间、左端和右端。此外，项目机器人通过万向节联轴器设计实现柔性驱动，易拆装的传动杆设计便于对设备进行维护。

（一）上方传动盒模组

该项目上方传动盒模组设有限位轮、行走轮、清扫电机和行走电机。行走轮的作用主要为控制装置机器人，在行走轮踏面的内侧与外侧分别设置截头圆锥形的凸缘，截头圆锥形凸缘的细端邻接走轮的踏面，行走轮环形踏面的直径小于细端端面直径，踏面一侧的位置形成挡边，截头圆锥形凸缘的粗端与行走轮踏面的距离较短，凸缘粗端与细端的圆锥形可以形成导向面。清扫电机的作用主要为将动力传输至毛刷上，该项目清扫电机工作介质为压缩空气0.8～1.0MPa，功率约8kW，工作模式为自动，除尘间形式为半封闭式，工作电源为AC380（1±10 % ）V，50Hz。清扫电机采用气动马达驱动，没有设置其他电气元件，具有较高的实用效果。行走电机的作用主要为将动力传输至主动轮上，在传动盒内部设置充电装置，行走制动靠电机自身带的制动器制动，制动器安装在电机非轴伸端端盖的位置，运用电磁感应将制动器中的衔铁吸过来，制动摩擦片脱开之后，制动器会自动打开。

（二）中间行走轮模组

该项目中间行走轮内部设置了主动轮，主要用于控制装置机器人运动。主动轮包括制动器和轮毂电机。进行主动轮制动器设计时，要根据项目要求设计制动块冷却通道，制动块冷却通道主要是为了输送轮毂电机的冷却液。除此之外，制动器还包括制动圆盘和制动圆盘冷却通道，并且在主动轮中间插入一个滑动密封件，将制动圆盘冷却通道与轮毂电机冷却回路连接在一起，能够提升主动轮的制动效果。

该项目中间行走轮模组中的轮毂电机主要包括：轮毂电机本体、轮轴、磁编码器，磁编码器等。项目将轮毂电机与磁极固定连接在一起、轮轴与磁编码芯片连接在一起，轮毂电机围绕轮轴转动，轮毂电机本体转动时，可以实现磁极同步转动。磁编码芯片能够将磁极变化转为编码信号，以达到输出编码信号的目的。磁编码器包括固定座和外壳两部分，外壳与轮毂电机本体固定连接在一起，磁极设置在外壳内部的侧壁上，采用固定方式连接固定座与轮轴，磁编码芯片设置在固定座上，以达到提升轮毂电机编码精度的目的。

（三）下方控制盒模组

下方控制盒模组主要包括：限位轮、控制主板、行走轮，其中行走轮主要用于控制装置机器人运动。该项目控制主板采用PCBA主体，将一条边框设置为圆弧形边框，并在沿边框的位置设置2个通信接口、1个电源接口、复数个普通接口，在PCBA主体上设置1个电源转模块和MCU模块，并将MCU模块与电源转模块连接在一起，电源转换模块与电源接口连接、MCU模块与通信接口模块连接。按照项目设计要求将普通接口分别于MCU模块、电源转换模块连接起来。另外，该项目控制主板的PCBA本体之间主要通过通讯接口实现联机，要在PCBA本体背面位置规划功能标识区，按照要求印上PCBA本体的功能编号和功能标识。同时，每个防呆接口都设置了对应接口编号。

下方控制轮的限位轮主要包括销轴、底座和双列圆柱滚子轴承、下支撑板、滚轮、上支撑板等。在限位轮设计中，将双列圆柱滚子轴承设置在下支撑板与上支撑板之间、销轴之上，滚轮外圆周面上设置一圈环形凸槽，设置在容纳筒体坡口端面上，要求筒体对接处的V型槽始终与同一轴向位置。

（四）毛刷

进行光伏组件清洁机器人设计期间，我们通过开口销与定位销配合将毛刷与上方传动盒模组连接在一起，以满足项目对光伏组件清洁的要求。采用的毛刷类型为细纤维毛刷，毛刷设置在清洁机器人外壳底端外侧，运用均匀固定方式，毛刷底端安装了缓冲垫，并在上方传动盒模组上设置安装孔和开口槽，以达到100 % 利用排刷和盘刷刷丝的目的。此外，在毛刷下方设置刷架，刷丝能够有效缓冲刷架，保证开展清洁工作期间，刷丝不会拍打电池板，有效避免损伤电池板。

（五）传动杆

该项目共有传动杆两根，设计人员采用平行设置方式，每根传动杆都分为两节，两节传动杆分别设置于下方控制盒模组、中间行走轮模组、上方传动盒模组之间，采用分别固定方式，传动杆始终在移动区域内部运动，内部设有传动杆导向元件，由固定托架穿过传动杆导向槽到达支持家，支持架覆盖传动杆的整个顶面。考虑到传动杆横截面在移动区域内成形的问题，传动杆的固定托架和导向槽壁要形成一个楔形空间。另外，我们将传动杆支撑架设计成弯曲止动钩，要求止动钩包围传动杆的纵向端面，传动杆的纵向端面与止动钩内侧要形成楔形间隔空间，固定托架与传动杆之间采用螺钉安装方式，该项目采用的传动杆为金属冲压板件，传动杆导向元件为压铸件和注塑件。

（六）万向节联轴器设计

开展万向节联轴器设计期间，将传动杆与下方控制盒模组、中间行走轮模组、上方传动盒模组全部连接于万向节联轴器上。该项目万向节联轴器主要包括：电机联轴套、减速器联轴套。在刹车轴与电机联轴套之间设置万向节，运用固定连接方式，将刹车轮与高强度螺栓连接于萬向节顶部，万向节的底部采用电机联轴套和固定螺栓方式连接。项目采用的联轴器是由尼龙柱销联结成的。该项目万向节联轴器每节最大转动角度为30°，成品孔径为φ20，成品孔公差为H7，安装长度为550-650Lmax，两个接头的偏转角度相同，内接投插销设置在同一平面上，输出轴与输入轴同样设置在同一平面上。

万向节联轴器具有传递运动和转矩的作用，具备不同程度的轴向、径向、角向补偿性能，并具有不同程度的减振、缓冲作用，使得机器人能够根据光伏面板的高低落差自动调节整体结构使其完全贴合光伏面板，顺利执行清扫任务。

四、 总结

综上，项目设计的光伏组件清洁机器人通过上方传动盒模组中的限位轮支撑在光伏面板侧边框，通过下方控制盒模组中的控制主板发送指令到上方传动盒模组的清扫电机和行走电机，毛刷接收清扫电机传输的动力执行清扫任务，主动轮接收行走电机传输的动力实现在光伏面板上来回运动;通过万向节联轴器实现柔性驱动，在光伏组件之间存在较大落差、沉降或障碍时，其行走轮能贴合光伏组件表面，实行自动行走清扫，满足光伏组件定期清扫光伏面板的要求，保证了光伏面板发电效率。

参考文献：

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[2]段春艳，冯泽君，许继源，等.光伏电站运维机器人系统的设计与制作[J].电子世界，2019（1）：125-127.

[3]王璐.一种光伏发电站组件自动清扫机器人的应用[J].电工技术，2018，476（14）：102-103.

作者简介：  郑翠英，南京天创电子技术有限公司。