太阳能清洁小车的设计

王儒卿 张鸿 江仲洋 程廉升 廉法博

辽宁科技大学机械工程与自动化学院 辽宁 鞍山 114000

引言

目前出现的清洁车基本都是中大型的用吹吸式或冲水式来清除垃圾，这些清洁车驾驶操作较为困难，往往需要专业人士驾驶工作，普及性不高，物力、人力消耗多，消耗能源多，并且基本上都只是对大路的清理，清洁范围十分有限[1]。路边或小路上等都无法用清洁车来清扫。所研究的太阳能清洁小车利用太阳能工作，满足了可持续性发展、绿色环保以及节能减排的要求。另外，本小车的远程遥控，操作简单，容易上手，从而减轻人工劳动强度，解放双手，方便快捷，省时省力，来进一步落实节能减排的要求。本小车制作成本低，不仅符合节能减排的要求，也有利于大量普及。

1 设计方案

太阳能清洁小车主要分为太阳能发电系统，清洁系统，控制系统以及动力系统四个部分组成。太阳能清洁小车的solidworks 3D建模图如图1所示。

图1 三维仿真建模图

太阳能发电系统由太阳能电池板以及电池组成，工作模式下可以采用电池放电来工作，同时太阳能板还可以进行一定的充电；工作完成进入休息模式时可通过太阳能板给电池充电以备下次继续使用，从而满足可持续性发展、绿色环保以及节能减排的要求[2]。清洁系统包括垃圾箱、吸尘管、吸尘风扇，过滤网等。控制系统由遥控装置组成，通过遥控手柄来实现小车的移动和吸尘工作。动力系统主要包括电机、变速器等，用于推动小车移动和完成吸尘工作。

机械部分三维设计如图2所示，其中太阳能板、底座和车身如图1所示。

图2 部件三维设计图

设计时考虑的主要问题[3]：①太阳能电池板的选择和布局：需要根据清洁小车的功率需求和工作时间等因素来确定太阳能电池板的数量、型号和布局，以确保足够的电量供应。②驱动系统的设计：需要根据清洁小车的负载、行驶速度和路面状况等因素来设计驱动系统，包括电机、减速器等部件。③清洁装置的设计：需要设计电机，吸尘风扇等部件，以满足吸尘效果和工作效率的要求。④控制系统的设计：根据遥控手柄的设计实现对清洁小车的遥控控制和运行安全。⑤结构设计的优化：需要优化清洁小车的结构设计，使其具有轻量化、紧凑、稳定等特点，以提高工作效率和移动性能。⑥安全性的考虑：需要考虑清洁小车在工作过程中的如密封性等安全性问题。

2 理论设计计算

2.1 太阳能发电系统

考虑到清洁小车工作状态的整体吸尘清洁能力，选定太阳能清洁小车外形尺寸为直径×高为400mm×800mm的圆柱体结构，并且太阳能板安装在筒壁外侧。总体质量约40kg。

首先，太阳能电池板的选择和安装需要根据太阳能清洁小车的功率需求，选择合适的太阳能电池板类型（如单晶、多晶、薄膜等），并考虑其尺寸、转换效率、成本、重量等因素。太阳能电池板的安装位置和角度也需要考虑，以保证最大化地接收太阳辐射，并避免遮挡和反射的影响。

此外，需考虑太阳能电池板类型的选择，目前行业中主要分为单晶、多晶以及薄膜太阳能电池板。它们的转换效率不同。单晶电池板的转换效率一般在16%以上，多晶电池板的转换效率一般在14%～16%之间，薄膜电池板的转换效率一般在10%以下[4]。但是薄膜电池板有较好的弱光性能，即在清晨、傍晚或阴雨天等光照弱的情况下，仍能发挥较高的效率。电性能衰减不同。单晶和多晶电池板的衰减速度相对较慢，一般在25年内衰减到80%以下。而薄膜电池板的衰减速度较快，一般在10年内衰减到80%以下。价钱不同。单晶电池板的价格一般最高，多晶电池板的价格次之，薄膜电池板的价格最低。但是考虑到转换效率、使用寿命等因素，单晶和多晶电池板的性价比可能更高。因此，本装置采用单晶太阳能电池板。

初选电池板尺寸为500mm*500mm的单晶太阳能板。

则太阳能板的发电量：

式中：S——太阳能板面积，S=0.5×0.5=0.25m2；

IPCE——光电转化效率，IPCE一般在16%～20%之间，取IPCE=18%；

FF——填充因子，FF=80%

2.2 吸尘系统

吸尘装置主要由风扇、吸尘装置、灰尘收集箱和壳体4部分组成。壳体设计为一个直径高为400mm×800mm的圆柱形箱体，将吸尘装置置于该箱体内，实现良好的封闭性，从而增强清理效果。其次，为了更好地吸尘，我们将吸尘道口设计成“一”字形结构，来扩大吸尘面积，以增强吸尘效果。此外，内置1个灰尘收集箱，通过管道连接到过滤网和吸尘口，使灰尘快速收集到箱体内，以便集中处理。

2.3 动力系统

电机的功率匹配直接影响到小车的动力性能。匹配合理的电机功率不仅可以延长小车的行驶距离，同时也可以提高能源利用率。因此，在本小部分中，研究人员将考虑车轮电机在何种功率下运行最佳。在传动系的传动比一定的情况下,电机的功率往往能够影响其最高车速。所以在设计中一般都是以保证设计的最高车速来初步计算电机的功率。根据设计的最高车速目标, 太阳能清洁小车备选的电机功率需要大于或等于该车以最高车速运行时所有阻力功率的和。

电机驱动力:

式中：μ-摩擦系数，μ=0.3；

mg-清洁小车重量。

则小车电机功率为：

式中：Vmax-小车最大走行速度，Vmax=0.5m/s.

3 工作原理及性能分析

太阳能清洁小车的工作原理是利用太阳能板将太阳能转换为电能，再通过电机驱动车轮运动以及借助遥控手柄来达到小车移动的目的。同时清洁小车还配备吸尘装置，利用风扇和吸尘管等设备来实现对户外小型道路（楼道、人行道），大型道路的路边以及医院等风险较高的不适合人工作业区域的垃圾清理工作。太阳能清洁小车的工作流程图如图3所示。

图3 太阳能清洁小车工作流程图

在性能方面，太阳能清洁小车具有以下几个优点。

（1）节能环保。太阳能是一种清洁的能源，使用太阳能清洁小车可以减少化石燃料消耗，降低二氧化碳排放，来达到可持续发展的要求。

（2）自主性强。太阳能清洁小车对外部能源供应依赖程度低，只需要在充足的阳光下进行充电就可以工作，具有较强的自主性。

（3）灵活性好。由于太阳能清洁小车是轻量级设备，因此其灵活性很高，可以适应不同场合的清洁需求。

（4）维护成本低。太阳能清洁小车的结构简单、故障率低，因此维护成本相对较低。

4 结论

本小车配置了太阳能光伏发电板，使其工作模式下可以采用电池放电来工作，同时太阳能板还可以进行一定的充电；工作完成进入休息模式时可通过太阳能板给电池充电以备下次继续使用。

本小车在红外传感器与遥控装置的作用下实现远程遥控，操作和控制简便，容易地使用它，减轻了人工劳动强度，解放双手，方便快捷，省时省力，来进一步落实节能减排的要求。

面向碳中和情景，迫切需要探索低碳能源技术路线，可再生能源高效利用是实现碳中和的重要途径，太阳能清洁小车利用可再生能源工作减少了有碳气体的排放。