一种新型光伏电池板清洁机器人设计

摘要：针对现有光伏电池板清洁机器人存在的可靠性低、成本较高和维护不便等不足，设计了一种新型光伏电池板清洁机器人。该清洁机器人具有自动化程度高、清洁效果好、维护成本低等优势。

关键词：光伏电池板;表面光洁度;发电效率;清洁机器人

0 引言

自21世纪以来，全球能源危机日益突出，能源供求矛盾日益激化，开发新能源成为人类实现可持续发展的必然选择。2017年，天津市人民政府发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的实施意见》中指出：“到2020年，天津要将新能源、节能环保等绿色产业培育成为产值规模超千亿元的支柱性产业。在新能源领域，天津将发展绿色电池、风电、光热发电和光伏产业。”太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的洁净安全的可再生能源，最具极大的发展潜力。

目前，对太阳能的利用主要通过光伏电池板吸收太阳光，经光电效应将其转化为电能。光电转换效率是太阳能发电过程中的重要技术指标，而影响光电转换效率的主要因素之一是光伏电池板表面光洁度。光伏面板输出特性测试结果表明，光伏面板光电转化效率与灰尘覆盖程度成负相关关系，自然条件下，当积灰量为5.56 g/m2时，光伏组件光电转换效率下降大约15.2%，严重时还会造成光伏面板表面温度不均，导致光伏面板损毁。因此，保持太阳能电池板表面的透光性能，对于提高光伏面板光电转化效率，延长光伏面板使用寿命具有重要意义。对于集中式光伏电站来说，光伏电池板的人工清洁效率太低，无法满足实际需求，因此，如何高效清洁光伏电池板成为了目前光伏发电中一个亟待解决的问题。

现有的光伏电池板除尘方式主要有：（1）人工高压水枪清洗;（2）片上清洗机器人清洗;（3）移动式清洗机清洗。其中，片上清洗机器人价格昂贵，一台清洗机器人只能清洗一块光伏电池板，适用于小型光伏发电场所。其余两种清洗方式需配置移动水箱，使用不便，且需耗费大量水资源，而我国建设光伏发电站的大部分地区都没有充足的水源，所以并不符合我国可持续发展要求。因此，亟需设计一种机电液一体化的干式除尘的光伏电池板清洁机器人，可以有效提高光伏发电效率，加快促进我国光伏产业发展。

1 国内外发展现状

欧美的太阳能发电产业发展较早，相关的商业公司已研制出多种光伏面板清扫机器人产品。比如，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。

近些年国内也相继出现了很多光伏面板清扫机器人产品，例如北京某清洁公司研制了SOLAR-TC 3500光伏电池板清洁机器人，其采用类似挖掘机的车辆形态，清洁原理与意大利UEMME研发的产品类似，也是利用水和滚刷进行清洁。2015年，总部位于苏州的科沃斯电器有限公司推出了拥有自主知识产权的光伏面板清扫机器人RAYBOT。

2 设计方案

本文设计的是一种干式除尘的光伏电池板清洁机器人，依靠真空负压作用，使其能够在无水、无清洁剂条件下快速完成清洁工作。

2.1    清洁机器人机械结构设计

该清洁机器人主要包括车架、车轮、机械臂、回转立柱、末端操作器及清洁装置等。若想节约清洁成本且保证光伏电池板在清洁过程中不会被损坏，同时保证清洁效果，就必须使光伏电池板清洁机器人末端可自动调节位姿，以无水清洁方式完成清洁工作。设计人员以机器人学为基础，完成工作装置的静力学和动力学分析，通过对系统的计算分析，确定执行机构的相关参数。

2.2    清洁机器人液压控制系统设计

设计人员根据系统控制需要，设计出符合要求的清洁机器人液压系统，根据机构设计结果，确定液压缸参数，并选择与系统需求相匹配的伺服阀和反馈装置，保证清洁装置始终与光伏面板表面平行;通过对系统的动态分析，考察系统稳定性，最后确定不同液压回路的液压原理，并完成液压系统中涉及的其他液压元件的选型，利用AMESim软件对液压系统进行仿真，分析液压系统参数对机器人除尘作业的影响，并优化参数，以提高机器人的除尘效率。

2.3    清洁机器人电气控制系统设计

设计人员根据执行元件的动作控制要求，设计电气控制原理图，确定电气控制方案以及各部分元件的参数，并完成元件选型及程序编写工作，利用STEP7软件对控制过程进行仿真，从电控角度保证系统稳定性，提高除尘效率。

2.4    清潔机器人空间轨迹规划

设计人员利用MATLAB软件计算清洁机器人的工作空间，对机器人进行轨迹规划，采取合理的控制算法对机械臂的运动轨迹进行优化，从机械臂算法控制角度，分析如何有效提高机器人的工作效率，实现高效除尘。

2.5    清洁机器人真空清洁系统设计

光伏电池板清洁机器人的清洁系统由毛刷、吸尘口、风管、沉降室以及风机组成，考虑到实际条件下灰尘颗粒的物理特性，根据预计达到的清洁效果，确定合理的吸尘口参数，分析吸尘对象的物理性质，得到FLUENT软件仿真时需要的重要参数，建立流体仿真的控制方程，利用FLUENT软件完成流体仿真，设计合理的吸尘口、沉降室，同时完成风机选型，通过对清洁装置的合理设计，提高机器人的除尘效率。

3 解决的主要问题

本设计对象为光伏电池板清洁机器人，对影响机器人除尘效率的关键技术进行了深入研究，光伏电池板清洁机器人存在的主要问题及解决方法包括：

（1）如何在作业过程中始终保持清洁装置与光伏面板平行，并保持合适的距离。为此，我们使用高效的液压系统为清洁机器人提供动力，改善清洁机器人的工作性能。液压油具有可压缩性和泄漏性，液压系统位置控制精度差，工作效率低，且负载匹配困难，所以采用负载独立流量分配（LUDV）系统，该系统以执行元件的最高负载压力来控制变量泵的摆角，同时对压力进行补偿。液压伺服阀的反馈控制信号来自清洁装置末端的超声波传感器，通过实时检测清洁装置两端与光伏太阳能面板之间的距离，保证液压系统的位置控制精度。

（2）如何提高工作效率，使作业开始和完成时清洁机器人的手臂运动过程更加合理。为此，我们对机器人机械臂进行轨迹规划。末端操作器在运动过程中，速度在不断变化，加速度不为零，使末端操作器产生振动;臂架系统中的油液流经液压阀口时，也会产生振动。如果两者同时作用，将使振动更加明显，清扫装置可能会损坏光伏电池板，所以需对机械臂进行轨迹规划。

4 结语

本文以光伏电池板的清洁维护为研究对象，对国内外现有清洁设备进行了简单介绍，设计了一种新型光伏电池板清洁机器人，分析了其设计与控制中需要考虑的一些关键技术问题。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。

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收稿日期：2020-07-30

作者简介：李枫（1995—），男，河南焦作人，讲师，研究方向：机电液一体化。