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        一種新型光伏電池板清潔機器人設計

        2020-09-26 11:26:21李楓
        機電信息 2020年23期

        摘要:針對現(xiàn)有光伏電池板清潔機器人存在的可靠性低、成本較高和維護不便等不足,設計了一種新型光伏電池板清潔機器人。該清潔機器人具有自動化程度高、清潔效果好、維護成本低等優(yōu)勢。

        關(guān)鍵詞:光伏電池板;表面光潔度;發(fā)電效率;清潔機器人

        0 引言

        自21世紀以來,全球能源危機日益突出,能源供求矛盾日益激化,開發(fā)新能源成為人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。2017年,天津市人民政府發(fā)布的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的實施意見》中指出:“到2020年,天津要將新能源、節(jié)能環(huán)保等綠色產(chǎn)業(yè)培育成為產(chǎn)值規(guī)模超千億元的支柱性產(chǎn)業(yè)。在新能源領(lǐng)域,天津?qū)l(fā)展綠色電池、風電、光熱發(fā)電和光伏產(chǎn)業(yè)。”太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的潔凈安全的可再生能源,最具極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        目前,對太陽能的利用主要通過光伏電池板吸收太陽光,經(jīng)光電效應將其轉(zhuǎn)化為電能。光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能發(fā)電過程中的重要技術(shù)指標,而影響光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素之一是光伏電池板表面光潔度。光伏面板輸出特性測試結(jié)果表明,光伏面板光電轉(zhuǎn)化效率與灰塵覆蓋程度成負相關(guān)關(guān)系,自然條件下,當積灰量為5.56 g/m2時,光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率下降大約15.2%,嚴重時還會造成光伏面板表面溫度不均,導致光伏面板損毀。因此,保持太陽能電池板表面的透光性能,對于提高光伏面板光電轉(zhuǎn)化效率,延長光伏面板使用壽命具有重要意義。對于集中式光伏電站來說,光伏電池板的人工清潔效率太低,無法滿足實際需求,因此,如何高效清潔光伏電池板成為了目前光伏發(fā)電中一個亟待解決的問題。

        現(xiàn)有的光伏電池板除塵方式主要有:(1)人工高壓水槍清洗;(2)片上清洗機器人清洗;(3)移動式清洗機清洗。其中,片上清洗機器人價格昂貴,一臺清洗機器人只能清洗一塊光伏電池板,適用于小型光伏發(fā)電場所。其余兩種清洗方式需配置移動水箱,使用不便,且需耗費大量水資源,而我國建設光伏發(fā)電站的大部分地區(qū)都沒有充足的水源,所以并不符合我國可持續(xù)發(fā)展要求。因此,亟需設計一種機電液一體化的干式除塵的光伏電池板清潔機器人,可以有效提高光伏發(fā)電效率,加快促進我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

        1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

        歐美的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早,相關(guān)的商業(yè)公司已研制出多種光伏面板清掃機器人產(chǎn)品。比如,瑞士GEKKO公司研發(fā)的SERBOT清潔機器人,意大利UEMME公司研發(fā)的MANTASOLAR清潔機器人,以色列企業(yè)ECOPPIA研制的光伏電池板清潔機器人等。

        近些年國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了很多光伏面板清掃機器人產(chǎn)品,例如北京某清潔公司研制了SOLAR-TC 3500光伏電池板清潔機器人,其采用類似挖掘機的車輛形態(tài),清潔原理與意大利UEMME研發(fā)的產(chǎn)品類似,也是利用水和滾刷進行清潔。2015年,總部位于蘇州的科沃斯電器有限公司推出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的光伏面板清掃機器人RAYBOT。

        2 設計方案

        本文設計的是一種干式除塵的光伏電池板清潔機器人,依靠真空負壓作用,使其能夠在無水、無清潔劑條件下快速完成清潔工作。

        2.1? ? 清潔機器人機械結(jié)構(gòu)設計

        該清潔機器人主要包括車架、車輪、機械臂、回轉(zhuǎn)立柱、末端操作器及清潔裝置等。若想節(jié)約清潔成本且保證光伏電池板在清潔過程中不會被損壞,同時保證清潔效果,就必須使光伏電池板清潔機器人末端可自動調(diào)節(jié)位姿,以無水清潔方式完成清潔工作。設計人員以機器人學為基礎(chǔ),完成工作裝置的靜力學和動力學分析,通過對系統(tǒng)的計算分析,確定執(zhí)行機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

        2.2? ? 清潔機器人液壓控制系統(tǒng)設計

        設計人員根據(jù)系統(tǒng)控制需要,設計出符合要求的清潔機器人液壓系統(tǒng),根據(jù)機構(gòu)設計結(jié)果,確定液壓缸參數(shù),并選擇與系統(tǒng)需求相匹配的伺服閥和反饋裝置,保證清潔裝置始終與光伏面板表面平行;通過對系統(tǒng)的動態(tài)分析,考察系統(tǒng)穩(wěn)定性,最后確定不同液壓回路的液壓原理,并完成液壓系統(tǒng)中涉及的其他液壓元件的選型,利用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真,分析液壓系統(tǒng)參數(shù)對機器人除塵作業(yè)的影響,并優(yōu)化參數(shù),以提高機器人的除塵效率。

        2.3? ? 清潔機器人電氣控制系統(tǒng)設計

        設計人員根據(jù)執(zhí)行元件的動作控制要求,設計電氣控制原理圖,確定電氣控制方案以及各部分元件的參數(shù),并完成元件選型及程序編寫工作,利用STEP7軟件對控制過程進行仿真,從電控角度保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,提高除塵效率。

        2.4? ? 清潔機器人空間軌跡規(guī)劃

        設計人員利用MATLAB軟件計算清潔機器人的工作空間,對機器人進行軌跡規(guī)劃,采取合理的控制算法對機械臂的運動軌跡進行優(yōu)化,從機械臂算法控制角度,分析如何有效提高機器人的工作效率,實現(xiàn)高效除塵。

        2.5? ? 清潔機器人真空清潔系統(tǒng)設計

        光伏電池板清潔機器人的清潔系統(tǒng)由毛刷、吸塵口、風管、沉降室以及風機組成,考慮到實際條件下灰塵顆粒的物理特性,根據(jù)預計達到的清潔效果,確定合理的吸塵口參數(shù),分析吸塵對象的物理性質(zhì),得到FLUENT軟件仿真時需要的重要參數(shù),建立流體仿真的控制方程,利用FLUENT軟件完成流體仿真,設計合理的吸塵口、沉降室,同時完成風機選型,通過對清潔裝置的合理設計,提高機器人的除塵效率。

        3 解決的主要問題

        本設計對象為光伏電池板清潔機器人,對影響機器人除塵效率的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究,光伏電池板清潔機器人存在的主要問題及解決方法包括:

        (1)如何在作業(yè)過程中始終保持清潔裝置與光伏面板平行,并保持合適的距離。為此,我們使用高效的液壓系統(tǒng)為清潔機器人提供動力,改善清潔機器人的工作性能。液壓油具有可壓縮性和泄漏性,液壓系統(tǒng)位置控制精度差,工作效率低,且負載匹配困難,所以采用負載獨立流量分配(LUDV)系統(tǒng),該系統(tǒng)以執(zhí)行元件的最高負載壓力來控制變量泵的擺角,同時對壓力進行補償。液壓伺服閥的反饋控制信號來自清潔裝置末端的超聲波傳感器,通過實時檢測清潔裝置兩端與光伏太陽能面板之間的距離,保證液壓系統(tǒng)的位置控制精度。

        (2)如何提高工作效率,使作業(yè)開始和完成時清潔機器人的手臂運動過程更加合理。為此,我們對機器人機械臂進行軌跡規(guī)劃。末端操作器在運動過程中,速度在不斷變化,加速度不為零,使末端操作器產(chǎn)生振動;臂架系統(tǒng)中的油液流經(jīng)液壓閥口時,也會產(chǎn)生振動。如果兩者同時作用,將使振動更加明顯,清掃裝置可能會損壞光伏電池板,所以需對機械臂進行軌跡規(guī)劃。

        4 結(jié)語

        本文以光伏電池板的清潔維護為研究對象,對國內(nèi)外現(xiàn)有清潔設備進行了簡單介紹,設計了一種新型光伏電池板清潔機器人,分析了其設計與控制中需要考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。該清潔機器人自動化程度高,清潔效果好,維護成本低,具有廣闊的應用前景。

        [參考文獻]

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        收稿日期:2020-07-30

        作者簡介:李楓(1995—),男,河南焦作人,講師,研究方向:機電液一體化。

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