光伏清掃機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)對光伏電池板的影響

單詩涵， 廖 皓， 劉 聰， 周楚昂

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072）

0 引言

隨著太陽能光伏電站的建設(shè)，影響電站發(fā)電效率的問題逐漸被發(fā)現(xiàn)，其中能夠人為降低其影響的有光伏板的傾角與光伏板表面的清潔度。光伏組件的傾角直接影響發(fā)電量；同時(shí)大型光伏電站大多處于地廣人稀的荒漠或丘陵地帶，由于其所在環(huán)境的限制，風(fēng)沙帶來的灰塵雜物會(huì)附著在其表面，減少了光伏板受光照面積，同時(shí)導(dǎo)致組件表面升溫，一些腐蝕性質(zhì)的雜物也會(huì)對組件表面造成損傷，從而影響面板的轉(zhuǎn)換效率，影響發(fā)電量[1-3]。

隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，利用機(jī)器人來進(jìn)行大規(guī)模作業(yè)的相關(guān)技術(shù)逐漸被研究人員重視起來。光伏清掃機(jī)器人作為清掃灰塵最有效的手段，其對光伏電站發(fā)電量的提升是顯著的。王超等設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式微處理器的太陽能電池板清掃機(jī)器人，完成了對機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[4]；李曉錕設(shè)計(jì)了一款全向移動(dòng)式機(jī)器人，并完成了清掃軌跡的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了對光伏板全覆蓋的自主清掃任務(wù)[5]。如今人們主要集中在對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟件規(guī)劃，忽視了將機(jī)器人與光伏電池板進(jìn)行一體的分析，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，隨著傾角以及支撐檁條位置的不同，對光伏電池板的壓力也不同，基于上述研究對此類情況展開分析。

1 機(jī)器人概述

在不進(jìn)行清掃作業(yè)時(shí)，機(jī)器人停留在?？空旧希藭r(shí)機(jī)器人重量都由外加的框架承擔(dān)，對光伏板沒有影響。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，會(huì)有各種突發(fā)情況使得機(jī)器人會(huì)停留在光伏板上，此時(shí)機(jī)器人的全部重力都施加在光伏板上，會(huì)對光伏板造成影響，需要關(guān)注分析此時(shí)機(jī)器人的重力分配情況。

1.1 壓力分析與計(jì)算

當(dāng)機(jī)器人停留在光伏電池板上方時(shí)，作用力主要分配在與光伏板直接接觸的驅(qū)動(dòng)輪或掛輪處，現(xiàn)場根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的不同，分類不同的承重方式。如圖1所示：

圖1 重力分配

式中：α 為光伏板傾角；m0為框架和清掃部分質(zhì)量；m1為上部組件質(zhì)量；m2為末端組件與控制部分質(zhì)量。

2 仿真分析

2.1 模型建立

使用CAD 軟件Solidworks 進(jìn)行機(jī)器人與光伏板模型的建立，具體見圖2。對關(guān)注的零部件裝配關(guān)系進(jìn)行全局變量控制，避免重復(fù)建模。根據(jù)現(xiàn)場情況，支撐檁條與光伏電池板之間的安裝位置是影響分析的關(guān)鍵因素，故對其進(jìn)行控制，變量定義為Ds_JUli。

圖2 仿真模型

2.2 分析方法

在實(shí)際情況中，機(jī)器人會(huì)有兩種承重方式，分別為機(jī)器人的兩側(cè)主體為主要承力部件，中間部分為輕載部件，光伏組件受力集中于上側(cè)組件上邊框及下側(cè)組件下邊框以及機(jī)器人承力部件位于中部，光伏組件受力集中于中間組件邊框上；將CAD 與CAE 軟件聯(lián)接后變量參數(shù)化，通過Parameters 模塊來實(shí)現(xiàn)兩種情況下不同傾角的分析，比對不同情況下光伏電池板的受力情況。

與清掃機(jī)器人直接接觸的是光伏板的鋁合金框架部分，根據(jù)鋁合金性能可知塑性變形是其主要的破壞方式；所以選擇第四強(qiáng)度理論判斷光伏板的靜力學(xué)性能，選擇Von-Mises 等效應(yīng)力作為判定準(zhǔn)則。

Von-Mises 表達(dá)式：

強(qiáng)度條件：

2.3 前處理

機(jī)器人與光伏電池板直接接觸的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為橡膠材質(zhì)，采用Ogden 本構(gòu)模型；兩側(cè)掛輪為尼龍材質(zhì)與聚氨酯材質(zhì)，使用線彈性模型；光伏板邊框?yàn)殇X合金材質(zhì)。材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

輪胎與光伏電池板設(shè)置為摩擦接觸，支撐檁條與光伏電池板設(shè)置為綁定接觸，模型在CAD 軟件中裝配好后可能存在接觸間隙，設(shè)定Interface Treatment 或Pinball Region 選項(xiàng)來避免錯(cuò)誤。邊界條件設(shè)定根據(jù)重力分配計(jì)算，設(shè)置在垂直于接觸面且向下方向。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，進(jìn)行多方法多尺寸劃分，以Element Quality 為判斷準(zhǔn)則，Aspect Ratio 為參考，調(diào)整相關(guān)性，完成網(wǎng)格無關(guān)性的檢查。

2.4 后處理

根據(jù)現(xiàn)場光伏電站的安裝形況，分析支撐檁條距離邊框0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1 m 以及光伏板傾角為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°情況下光伏板的影響。

X 軸為光伏板傾角、Y 軸為變形量或等效應(yīng)力，分析兩端承重下機(jī)器人對光伏板的影響，由圖3、圖4可知，光伏板變形量與應(yīng)力隨著傾角的增大逐漸減小，在距離為0.2 m 時(shí)，光伏板變形量處于0.8 m 與0.6 m之間，波動(dòng)較大，造成這種原因的可能是支撐檁條距離光伏板邊框距離過近，在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在綜合應(yīng)力的情況下需要注意此距離下的光伏板變形量。

圖3 兩端承重變形量

圖4 兩端承重應(yīng)力圖

中間承重情況下光伏板的變形和應(yīng)力趨勢與兩端承重下的趨勢大體相同，都是隨著傾角的增加，變形量與應(yīng)力也隨之減小。具體見圖5、圖6。

圖5 中間承重變形量

圖6 中間承重應(yīng)力圖

綜合兩種情況，從變形量與應(yīng)力兩個(gè)角度來看，兩端承重，中間輕載的機(jī)器人結(jié)構(gòu)對光伏板的破壞性是最小的，且最大應(yīng)力為67.3 MPa，遠(yuǎn)小于鋁合金材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，光伏板處于安全狀態(tài)。

依據(jù)《鋼化玻璃國家標(biāo)準(zhǔn)》（GB15763.2）規(guī)定的玻璃多曲變形包含弓形變形以及波形變形要求，其中弓形時(shí)應(yīng)不超過0.5%，波形時(shí)應(yīng)不超過0.3%；而本次仿真模型中所使用的大尺寸模型，弓形彎曲量應(yīng)在11.3 mm 以下，波浪彎曲應(yīng)在6.8 mm 以下，判斷所分析出的數(shù)據(jù)，機(jī)器人的兩側(cè)主體為主要承力部件，中間部分為輕載部件，光伏組件受力集中于上側(cè)組件上邊框及下側(cè)組件下邊框時(shí)，所有支撐檁條在距離光伏板邊框不同距離的裝配方式，在不同典型傾角狀態(tài)下都可達(dá)到要求，本項(xiàng)目仿真所采用的低碳鋼化玻璃屈服極限為84 MPa，在所有情形下也都可達(dá)到要求。機(jī)器人承力部件位于中部，光伏組件受力集中于中間組件邊框上時(shí)，在支撐檁條在距離光伏板邊框1 000 mm 時(shí)，變形有略微超出，應(yīng)避免此類工況下1000 mm的裝配。

平單軸追光系統(tǒng)，在0～40°情況下，組件邊框距離支撐檁條距離為0.2～1.0 m 情況下，此種情形為上述倆種情形的組合情況，與中間部件承重相比，兩端承重在組件邊框距離支撐檁條距離為400 mm 以及支架支撐角度為40°的情形下，光伏板變形最小，僅0.482 mm，推薦此類裝配方式。

3 支架改進(jìn)

根據(jù)仿真結(jié)果，雖然光伏電池板的鋁合金框架可以承受清掃機(jī)器人的重量并處于安全狀態(tài)、但是上層變形量過大可能會(huì)影響到下層的電池片等構(gòu)件。

依據(jù)光伏電站現(xiàn)有的支撐框架，在盡量避免大規(guī)模改造的前提下，對現(xiàn)有的支架進(jìn)行優(yōu)化。在現(xiàn)有的光伏板兩側(cè)添加鋁制框架結(jié)構(gòu)，清掃機(jī)器人作業(yè)時(shí)直接在框架上運(yùn)行，在最大程度上避免對光伏電池板的傷害的同時(shí)，減少改造花費(fèi)。具體見圖7、圖8。

圖7 鋁合金框架設(shè)計(jì)

在某光伏電廠的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用了改良的鋁合金框架，清掃機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)以更穩(wěn)的姿態(tài)運(yùn)行在光伏電池板上，且由于框架與支撐檁條等支架焊接在一起，輪胎等主要施力部位與框架接觸，不會(huì)作用在光伏板上，只有滾刷在運(yùn)行清掃時(shí)與光伏板接觸，很大程度上避免了光伏板受損問題。

4 結(jié)論

基于對光伏電池的實(shí)地考察，以及現(xiàn)有的研究的不足提出分析清掃機(jī)器人對光伏板的影響。結(jié)果表明不同承重結(jié)構(gòu)機(jī)器人在不同裝配條件下機(jī)器人對光伏電池板進(jìn)行清掃作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的影響，根據(jù)分析數(shù)據(jù)生成與機(jī)器結(jié)構(gòu)、組件排布方式、傾角、支撐點(diǎn)等變量相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)受力公式，為現(xiàn)在有光伏電站調(diào)整支架結(jié)構(gòu)、采購清掃機(jī)器人種類提供了參考；并提出了一種基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的改良方案，為大型光伏電站應(yīng)用清掃機(jī)器人提供了思路。