王林,孫慧平,汪金芝

（1.寧波工程學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.寧波工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 寧波 315336）

0 引言

隨著全球能源危機(jī)的日益突出和可持續(xù)發(fā)展的需求，電能作為一種取之不盡、用之不竭的潔凈能源，成為人類的優(yōu)先選擇；以風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電為主的清潔電力系統(tǒng)正在逐步取代以化石能源發(fā)電為主的傳統(tǒng)高碳排放電力系統(tǒng)[1-4]。我國(guó)西北荒漠地區(qū)日照充足，是建設(shè)光伏發(fā)電廠的理想地，目前已建有光伏電廠約6 050座，折合光伏板面積約3.46億平方米。但是光伏板在實(shí)際使用過(guò)程中，空氣中的微小顆粒容易積聚在光伏晶片表面形成積灰，降低光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率[5-7]。當(dāng)積灰密度0.64 g/m2時(shí)輸出功率降低約14.26%[8]。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成光伏晶片表面溫度不均，過(guò)熱損毀。因此，對(duì)于光伏發(fā)電廠而言,如何高效清潔光伏板成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

光伏板積塵清潔主要有人工清潔和機(jī)器人清潔?；哪貐^(qū)氣候炎熱，人工清潔需要操縱長(zhǎng)約3 m的清潔刷，耗時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且清潔效率低；近年來(lái)，受光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的刺激，國(guó)內(nèi)外已有光伏板清潔機(jī)器人產(chǎn)品面世，但主要為有軌式，又可分為單排和跨排兩大類。

單排清潔機(jī)器人僅能完成1列光伏板的清潔，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究最為深入。這類產(chǎn)品一般由行走系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、電池和控制系統(tǒng)組成。導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于機(jī)器人限位和導(dǎo)向，防止因速度過(guò)快而超出組件邊框。工作時(shí)，清潔機(jī)器人的行走輪沿光伏板組件邊框行走，用于清潔的毛刷高速轉(zhuǎn)動(dòng)；毛刷在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，先將積灰從光伏板表面撣起，然后在毛刷的沖擊和旋轉(zhuǎn)氣流的共同作用下將積灰驅(qū)趕至組件縫隙處脫落。單排清潔機(jī)器人需要改造光伏板，在光伏板表面周?chē)釉O(shè)軌道，而風(fēng)沙容易堵塞運(yùn)行軌道，存在故障率高、維護(hù)不便、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題。

已規(guī)?；瘧?yīng)用的跨排清潔機(jī)器人主要有兩種。一種是車(chē)載式清潔機(jī)器人。多采用水清潔，清潔裝置安裝在工程車(chē)上，由工程車(chē)實(shí)現(xiàn)跨排清潔。該類產(chǎn)品不僅需要安裝移動(dòng)水箱，體型笨重、使用不便，而且清潔裝置易對(duì)光伏板組件造成損壞，只適用于地勢(shì)相對(duì)平坦、水資源豐富的光伏電站，同時(shí)光伏電廠中每排光伏板間距經(jīng)常不到1 m，車(chē)輛無(wú)法順暢通行。一種是擺渡車(chē)式清潔機(jī)器人。由清潔機(jī)器人、擺渡車(chē)以及地面軌道等附屬設(shè)施組成。采用該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工量大、施工周期長(zhǎng)，對(duì)地面軌道載體的平整度要求高，復(fù)雜的環(huán)境和地形地貌會(huì)導(dǎo)致成本陡增，且設(shè)備易發(fā)生傾覆[9]。

當(dāng)前我國(guó)供電系統(tǒng)是以大機(jī)組、大電網(wǎng)、高壓電為主要特征的集中式單一供電系統(tǒng)，在電網(wǎng)中任何一點(diǎn)故障所產(chǎn)生的擾動(dòng)都會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成較大影響，嚴(yán)重時(shí)可能引起大面積停電甚至全網(wǎng)崩潰。因此電力產(chǎn)業(yè)如何高效節(jié)能發(fā)展，面臨著新的選擇。分布式能源以其環(huán)保、高效、靈活的運(yùn)行方式脫穎而出。但分布式光伏電站存在障礙物多、排布不規(guī)則的問(wèn)題，單排和跨排清潔機(jī)器人都無(wú)法完全清潔整個(gè)電站，便攜式清潔機(jī)器人卻可解決這一難點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款基于負(fù)壓吸附原理的無(wú)軌干式光伏板清潔機(jī)器人，對(duì)提高光伏發(fā)電效率、促進(jìn)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2 設(shè)計(jì)方案

便攜式清潔機(jī)器人在光伏組件表面運(yùn)行過(guò)程中主要依靠旋轉(zhuǎn)的毛刷對(duì)光伏板表面進(jìn)行清潔，因此防止機(jī)器人從光伏組件表面跌落是確保其正常工作的重要前提。本文設(shè)計(jì)的是一種無(wú)軌干式光伏板清潔機(jī)器人，適用于整列光伏板清潔，能在無(wú)水、無(wú)清潔劑條件下，依靠負(fù)壓吸附作用，貼附于光伏組件表面移動(dòng)的同時(shí)快速地完成清潔任務(wù)。

2.1 工作原理

為提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，使陽(yáng)光直射光伏晶片表面，光伏板均需傾斜安裝，在中國(guó)西北荒漠地區(qū)，光伏板安裝傾角度約為45°。該機(jī)器人在板上的受力分析如圖1所示。為確保能夠在光伏板上平穩(wěn)移動(dòng)，需額外增加垂直于光伏板表面的壓力，本文所述的負(fù)壓吸附式清潔機(jī)器人采用涵道風(fēng)扇提供此壓力。

圖1 機(jī)器人在光伏板上受力分析

當(dāng)光伏板傾斜角度為α?xí)r，若保證該機(jī)器人在光伏板表面不滑落，維持平衡狀態(tài)時(shí)負(fù)壓力F須滿足

該機(jī)器人吸附在接觸面的負(fù)壓力F由涵道風(fēng)扇提供，涵道抽取機(jī)器人底部空氣，使該機(jī)器人上下表面形成壓強(qiáng)差，此過(guò)程原理如圖2所示。根據(jù)壓強(qiáng)公式：F=S×PV（其中S為機(jī)器人底盤(pán)面積，PV為近似的抽氣面壓強(qiáng)差）,該機(jī)器人維持靜止?fàn)顟B(tài)所需最小壓強(qiáng)差為：

圖2 涵道風(fēng)扇負(fù)壓形成示意圖

忽略空氣重力，根據(jù)伯努利方程可知流體的流量與壓強(qiáng)差之間的關(guān)系，最小壓強(qiáng)差與涵道排風(fēng)風(fēng)速v之間滿足（ρ為空氣密度）：

記機(jī)器人底盤(pán)周長(zhǎng)為L(zhǎng)，底盤(pán)與光伏板面的垂直距離為d，若將外圍的柱面作為進(jìn)風(fēng)口，單位時(shí)間內(nèi)的風(fēng)量Q=Ldv，則所需最小排風(fēng)量為：

當(dāng)機(jī)器人總重量G、傾角α、摩擦系數(shù)μ、空氣密度ρ、機(jī)器人底盤(pán)尺寸和距離光伏板面距離已知時(shí)，繪制的函數(shù)圖像如圖3所示。機(jī)器人負(fù)壓腔需要排開(kāi)的風(fēng)量隨著底盤(pán)與光伏板面垂直距離d的增加而增加。因此，為了更易滿足機(jī)器人在斜面上的壓強(qiáng)差需求，應(yīng)將底盤(pán)設(shè)計(jì)得比較低。同時(shí)，當(dāng)光伏板傾斜角度α增大時(shí)，需要的排風(fēng)量顯著增加。

圖3 不同光伏板傾斜角度下排風(fēng)量與底盤(pán)-光伏板面垂直距離的依賴關(guān)系

2.2 總體結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)理論分析，最終設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）800 mm×800 mm×350 mm，整體結(jié)構(gòu)由導(dǎo)流罩、集塵箱和底盤(pán)部件3部分組成（圖4）。

圖4 負(fù)壓吸附式無(wú)軌光伏板清潔機(jī)器人:(a)整體構(gòu)造;(b)底盤(pán)結(jié)構(gòu);(c)底盤(pán)平面線圖（隱藏雙刷）

工作時(shí)無(wú)需人工干預(yù)，僅需將其放置于光伏板表面，可在整列光伏板上自主移動(dòng)、跨板，同時(shí)無(wú)死角地完成整列光伏板的清潔。在整個(gè)工作過(guò)程中，由單片機(jī)控制清潔機(jī)器人自動(dòng)尋邊、糾偏、加速、減速和越障，有完全的自適應(yīng)軌跡規(guī)劃功能。

如圖4(a)所示，在清潔過(guò)程中導(dǎo)流罩將涵道風(fēng)扇排出的含塵氣流導(dǎo)向內(nèi)置的集塵箱處，質(zhì)量較重的沙粒和灰塵落在集塵箱底部，較細(xì)的微塵在透過(guò)集塵箱四周的收塵布時(shí)被捕集附著于收塵布中，從而完成清掃和灰塵收集，并且防止二次污染。

底盤(pán)是該機(jī)器人的核心組成部分，如圖4(b)、4(c)所示。電池模塊采用18650鋰離子電池作為電源；STM32單片機(jī)、42步進(jìn)電機(jī)和各種傳感器構(gòu)成運(yùn)行控制系統(tǒng)。4組由硅膠刷和干毛刷組成的雙刷清潔部件，在底盤(pán)下側(cè)圍成半封閉負(fù)壓腔，8臺(tái)70 mm 6S 2 300 kV涵道風(fēng)扇產(chǎn)生最大17.92 kg的推力，使得機(jī)器人穩(wěn)定貼附于光伏板表面。雙刷清潔部件左右兩側(cè)安裝步進(jìn)電機(jī)；其中主傳動(dòng)電機(jī)控制雙刷的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，產(chǎn)生滿足該機(jī)器人在光伏板上運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)力；翻轉(zhuǎn)電機(jī)根據(jù)前行方向控制前后雙刷的相對(duì)翻轉(zhuǎn)，也可調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向兩側(cè)雙刷的俯仰角度，從而改變負(fù)壓腔密封程度以控制負(fù)壓力大小。

為兼顧便捷和快速維修，內(nèi)部各部件(除單片機(jī)等核心元部件外)采用快拆設(shè)計(jì)，可以快速地將故障元件替換維修，有效的降低維修成本，而且?guī)椭?jié)約時(shí)間，保證清潔機(jī)器人盡快的投入后續(xù)工作。采用快拆設(shè)計(jì)的同時(shí)也為該清潔機(jī)器人預(yù)留了可更新迭代的空間，在未來(lái)能夠根據(jù)不同的工作環(huán)境單獨(dú)設(shè)計(jì)可替換部件，以擴(kuò)展使用范圍。

2.3 清潔裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

清潔采用獨(dú)創(chuàng)的“三合一”方式。雙刷清潔部件由干毛刷與硅膠刷兩部分構(gòu)成。干毛刷負(fù)責(zé)將吸附性較強(qiáng)的灰塵從光伏板上分離，并掃入半封閉式清掃腔；涵道風(fēng)扇吸走干毛刷掃下的灰塵，并通過(guò)頂部的導(dǎo)流罩送入集塵箱；硅膠刷負(fù)責(zé)清潔、收集微量殘留灰塵。

4組雙刷清潔部件構(gòu)成圍堵灰塵的閉合網(wǎng)，在涵道風(fēng)扇提供的負(fù)壓力下：

1）前進(jìn)方向前方干毛刷緊貼光伏板表面，主傳動(dòng)電機(jī)控制干毛刷自轉(zhuǎn)刷下灰塵，并提供前進(jìn)動(dòng)力；

2）前進(jìn)方向后方主傳動(dòng)電機(jī)根據(jù)爬升/滑落的需要控制硅膠刷提供不同旋向的自轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，確保機(jī)器人在光伏板表面勻速運(yùn)行；

3）運(yùn)動(dòng)方向兩側(cè)的雙刷，通過(guò)翻轉(zhuǎn)電機(jī)調(diào)整俯仰角度，改變清潔部件與光伏板間的距離和負(fù)壓腔的密閉程度，并在發(fā)生故障或出現(xiàn)異常狀況時(shí)兩側(cè)的雙刷緊貼光伏板表面抱死，起到緊急制動(dòng)作用。

2.4 傳感器安裝設(shè)計(jì)

在負(fù)壓吸附式光伏板清潔機(jī)器人的底盤(pán)外圈安裝激光測(cè)距傳感器、環(huán)境光傳感器和陀螺儀；雙刷清潔部件兩側(cè)的支座下側(cè)安裝力傳感器，如圖4(b)、4(c)所示分別為：

1）激光測(cè)距傳感器采集機(jī)器人底部與光伏板表面的距離信號(hào)，通過(guò)采集的時(shí)間信號(hào)長(zhǎng)短判斷運(yùn)動(dòng)方向前方是整列光伏板的邊緣還是拼接棱。根據(jù)激光測(cè)距傳感器采集的信號(hào)，清潔機(jī)器人可在單片機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)至預(yù)定工作初始坐標(biāo)、跨越光伏板拼接棱、在光伏板邊緣轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。

2）陀螺儀檢測(cè)運(yùn)動(dòng)速度方向與重力方向間夾角，判斷該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是否偏離預(yù)定路線；并由單片機(jī)控制，通過(guò)算法調(diào)整各部件工作狀態(tài)，對(duì)該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行糾偏，確保其不偏離預(yù)定的清潔軌道。

3）運(yùn)動(dòng)方向前后2只環(huán)境光傳感器通過(guò)比較清潔前后光伏晶片表面的反射光強(qiáng)度判定清潔效果。若反射光強(qiáng)度變化不大，則本次清潔未達(dá)標(biāo)，機(jī)器人在清潔工作結(jié)束后報(bào)警，提醒工作人員對(duì)此列光伏板進(jìn)行再次清潔。

4）8個(gè)力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力大小，不間斷測(cè)量雙刷清潔部件兩端的壓力變化情況，若某部分壓力發(fā)生劇烈變化，則由單片機(jī)調(diào)整涵道風(fēng)扇工作參數(shù)，及時(shí)調(diào)整負(fù)壓腔內(nèi)氣壓，確保機(jī)器人能夠安全的進(jìn)行清潔作業(yè)，防止跌落損壞。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用輕合金、3D打印件作為外框架，制作了該機(jī)器人的負(fù)壓吸附核心技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，關(guān)鍵點(diǎn)如下：

(1)搭載8臺(tái)70 mm 6S 2 300 kV涵道風(fēng)扇，單臺(tái)最大推力2.24 kg，8臺(tái)最大總推力為17.92 kg；STM32單片機(jī)輸出特定PWM波，驅(qū)動(dòng)電調(diào)改變涵道風(fēng)扇工作狀態(tài)，改變負(fù)壓腔氣壓，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定貼附于傾角30°～45°的光伏板上；

(2)通過(guò)搭載STM32單片機(jī)、多種不同類型的傳感器和CAN總線系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)斜滑面光伏板上平衡的同時(shí)移動(dòng)，并基本實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)同時(shí)按照預(yù)定軌道自主清潔；

(3)在傾角30°～45°、自然環(huán)境下積灰約1個(gè)月的光伏板上，由高能電池組供電，能夠連續(xù)工作2 h，清潔效率約150 m2/h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

(4)在移動(dòng)、清潔同時(shí)進(jìn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)跨板（縫隙寬約4 cm)自如，在跨板過(guò)程中負(fù)壓腔無(wú)明顯氣壓降或運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的改變；

(5)采用了“三合一”的清潔方式，通過(guò)干毛刷剝離、氣流吸附和硅膠刷刮塵3級(jí)清潔，由內(nèi)部集塵箱收集灰塵，清潔前后對(duì)比的效果明顯（圖5）。

圖5 光伏板清潔前后對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞荒漠化地區(qū)光伏板的清潔維護(hù)，針對(duì)斜滑面、自主行走清潔、缺水、抗風(fēng)沙等要求，介紹了一種基于負(fù)壓吸附原理的便攜式無(wú)軌干式清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人的4組雙刷清潔部件由單片機(jī)控制受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在提供大傾角（30°～45°）光伏板上運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的同時(shí)，配合負(fù)壓腔構(gòu)成“三合一”清潔；對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得能進(jìn)行四方向的運(yùn)動(dòng)和整列光伏板的清潔無(wú)死角；通過(guò)加裝的傳感器和內(nèi)置算法，克服自主定位初始位置、自動(dòng)尋邊、糾偏、加減速和跨板越障等難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)軌跡規(guī)劃功能。該機(jī)器人體積小重量輕，適用于集中式大型電廠，在分布式小型電廠中更具優(yōu)勢(shì)，能有效降低光伏發(fā)電廠中光伏板的清潔成本；元部件的快拆設(shè)計(jì)利于降低維護(hù)成本和迭代難度，也便于拓展應(yīng)用。