太陽(yáng)能清潔裝置設(shè)計(jì)*
——為碳中和護(hù)航的太陽(yáng)能清潔使者

蘇文華 ，王學(xué)軍 ，孫長(zhǎng)勇 ，耿欣宇 ，初津宇

（山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視資源的利用率和使用壽命，節(jié)約資源受到全世界的關(guān)注，現(xiàn)在更多是利用可再生資源。關(guān)于提高太陽(yáng)能資源利用率的研究也成為維持光伏發(fā)電站效率的關(guān)鍵。

龔芳馨等[1]分析了太陽(yáng)能板附著灰塵的特性，著重闡述了一種適合大型光伏電站的車載清洗機(jī)的原理與工作方式，并對(duì)大型光伏電站的太陽(yáng)能板的清潔技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)進(jìn)行了探討。任建龍等[2]對(duì)清掃吸儲(chǔ)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法進(jìn)行闡述，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果進(jìn)行建模分析，驗(yàn)證了清掃吸儲(chǔ)裝置清潔效果的可靠性。李偉等[3]設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能光伏基板清掃裝置，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏基板的垂向和縱向清掃，該裝置能自由切換兩種不同的模式，應(yīng)對(duì)不同工況，達(dá)到自動(dòng)掃除灰塵的效果，能夠提高清掃效率、降低人工成本，脫離水清洗的弊端。王超[4]設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式微處理器的太陽(yáng)能電池板清掃機(jī)器人，此機(jī)器人通過(guò)清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)等，完成對(duì)太陽(yáng)能電池板的自動(dòng)清掃。

第十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議政府工作報(bào)告中指出，扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定關(guān)于2030年前碳排放達(dá)峰的行動(dòng)方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)煤炭清潔高效利用，大力發(fā)展新能源。在此大背景下，一種兼顧生態(tài)修復(fù)、解決并網(wǎng)、消納隱憂同時(shí)保障安全、高效運(yùn)營(yíng)的“友好型光伏電站”發(fā)展理念正在重新構(gòu)建。應(yīng)適時(shí)對(duì)光伏電池板進(jìn)行周期性清洗，以保證太陽(yáng)能光伏電池的正常運(yùn)行[5]。太陽(yáng)能光伏板智能清洗機(jī)器人是隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的，其根據(jù)光伏板的傾斜角度而設(shè)計(jì)，便于機(jī)器人在傾斜的光伏板上行走，同時(shí)完成往返清洗工作。根據(jù)清潔質(zhì)量，此類機(jī)器人具備干洗、水洗和吹干等功能，其自動(dòng)化程度也在不斷提高。

本設(shè)計(jì)是基于STM32 單片機(jī)控制的一種智能化程度高、綜合能力強(qiáng)的太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人，是能夠清潔太陽(yáng)能面板表面灰塵、污染物和鳥(niǎo)禽糞便的清潔機(jī)器人，可以提升光伏面板的光電轉(zhuǎn)化效率，并進(jìn)一步提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。在使用過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走、切換干洗或水洗模式，實(shí)現(xiàn)全方面覆蓋清洗、智能啟停等功能，能夠根據(jù)外界環(huán)境的光線變化和邊界距離進(jìn)行智能化控制。在清洗過(guò)程中，采用噴淋或吹氣裝置使打掃過(guò)程的覆蓋區(qū)域更加廣泛，用水成本更低，而尼龍絲毛刷輥采用螺旋結(jié)構(gòu)以及差速轉(zhuǎn)動(dòng)能提高機(jī)器人清掃的清潔度，以維持光伏發(fā)電站的發(fā)電效率，解決現(xiàn)在越來(lái)越嚴(yán)重的資源匱乏問(wèn)題。

1 清潔裝置設(shè)計(jì)

1.1 清潔裝置組成

該清潔裝置包括機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要包括履帶行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪、清洗滾軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器等?？刂撇糠职刂葡到y(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)等。

1.2 設(shè)計(jì)功能

1）機(jī)械部分采用鋁合金框架，避免設(shè)備銹蝕，減輕自身重量；2）控制系統(tǒng)采用具有高可靠性和高運(yùn)行速度的嵌入式系統(tǒng)；3）根據(jù)太陽(yáng)板所處區(qū)域環(huán)境情況，選擇干洗和水洗兩種模式；4）設(shè)計(jì)光照檢測(cè)系統(tǒng)，便于控制機(jī)器人及時(shí)工作；5）設(shè)計(jì)行程開(kāi)關(guān)，便于控制機(jī)器人反向移動(dòng)或停車；6）選用直流減速電機(jī)進(jìn)行整機(jī)驅(qū)動(dòng)，抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快速；7）采用鋰電池作為設(shè)備電源，保證機(jī)器人可持續(xù)工作。

1.3 具體實(shí)施措施

1.3.1 機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）機(jī)器人通過(guò)張緊輪調(diào)節(jié)履帶松緊，利用支撐輪和引導(dǎo)輪控制橡膠履帶的正常工作，由電動(dòng)機(jī)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪控制橡膠履帶行走。為了保證履帶克服阻力，正常行走，選擇寬面橡膠履帶。機(jī)器人通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橡膠履帶行走、切換干洗或水洗模式，實(shí)現(xiàn)全方面覆蓋清洗、智能啟停等功能，能夠根據(jù)外界環(huán)境的光線變化和邊界距離進(jìn)行智能化控制[6]。

2）引導(dǎo)輪的尺寸大小主要考慮到當(dāng)前太陽(yáng)能電池板安裝的陣列間隙以及行走速度和清洗速度的差值，引導(dǎo)輪D1~D8 尺寸、齒數(shù)、材料情況如表1 所示。

3）側(cè)邊導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)。側(cè)邊導(dǎo)向輪的作用：為防止機(jī)器人執(zhí)行清洗任務(wù)時(shí)，由于自身重力向下滑落，所以在它的兩旁加了側(cè)邊導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪可以在太陽(yáng)能電池板的側(cè)面進(jìn)行滾動(dòng)，承載太陽(yáng)能電池板清洗機(jī)器人由于自身重力產(chǎn)生向下滑動(dòng)的垂直于太陽(yáng)能電池板側(cè)面的力，即重力對(duì)太陽(yáng)能板方向的余弦分力。側(cè)邊導(dǎo)向輪選用包膠輪，包膠輪采用聚氨酯包膠，吸振性能更好，耐機(jī)械沖擊性能較強(qiáng)，具有強(qiáng)度高、剛性好、不易產(chǎn)生形變、抗沖擊能力強(qiáng)、抗振性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]。清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 控制裝置設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙串口傳輸信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙控制上位機(jī)調(diào)節(jié)裝置，控制清洗模擬光伏板的演示板，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值高于傳統(tǒng)的人力清洗，相比新型的自動(dòng)化清洗更加省時(shí)省力。本研究設(shè)計(jì)的藍(lán)牙控制功能能夠保證清洗效率，能夠有效解決自動(dòng)化清洗不徹底等問(wèn)題，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，使模擬光伏板的演示板具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1）控制系統(tǒng)：選用STM32 單片機(jī)作為機(jī)器人的核心部位，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)核心控制器輸入指令，控制器STM32 會(huì)輸出PWM 控制信號(hào)作用于直流電機(jī)的控制電路，控制直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)以及調(diào)速，從而完成對(duì)清潔機(jī)器人的清掃系統(tǒng)毛刷的驅(qū)動(dòng)和行走系統(tǒng)行走輪的驅(qū)動(dòng)。

2）傳感系統(tǒng)：包括光照檢測(cè)模塊和邊界檢測(cè)模塊。光照檢測(cè)模塊中光敏電阻器選用TELESKY，因?yàn)樵搨鞲衅饔行盘?hào)清晰、波形好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光照檢測(cè)模塊檢測(cè)環(huán)境光線強(qiáng)度，傍晚來(lái)臨的時(shí)候，當(dāng)周邊環(huán)境的光線強(qiáng)度減小到特定數(shù)值時(shí)，太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人才會(huì)進(jìn)行工作[8]。邊界檢測(cè)模塊使用歐姆龍限位開(kāi)關(guān)D4N-212G 的行程開(kāi)關(guān)，這是一種單輪自動(dòng)恢復(fù)行程開(kāi)關(guān)。要想實(shí)現(xiàn)邊界條件控制，則當(dāng)機(jī)器人清洗完一片區(qū)域的太陽(yáng)能電池板時(shí)，安裝在側(cè)邊的限位開(kāi)關(guān)向下運(yùn)動(dòng)，輸出低電位，機(jī)器人停止工作。

3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：采用直流電機(jī)進(jìn)行整機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流減速電機(jī)額定電壓為24 V，在減速齒輪減速下可以滿足所設(shè)計(jì)的清洗速度并驅(qū)動(dòng)整個(gè)清洗機(jī)器人完成清洗過(guò)程。該減速電機(jī)帶有剎車裝置，在清洗機(jī)器人清掃完畢返回停車位或到達(dá)光伏太陽(yáng)板組件邊界時(shí)可以更好地進(jìn)行停車。

4）清洗系統(tǒng)：主要分為噴淋（吹氣）裝置和清掃裝置。清洗機(jī)器人機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，由PVC 管或鍍鋅管構(gòu)成，管上安裝霧化噴嘴[9]。清洗機(jī)器人進(jìn)行工作任務(wù)時(shí)，會(huì)從管的一端進(jìn)水（壓縮空氣），自動(dòng)打開(kāi)霧化噴嘴，對(duì)各自區(qū)域內(nèi)的太陽(yáng)能電池板進(jìn)行噴淋（吹氣）工作，噴淋（吹氣）裝置較于傳統(tǒng)人工沖洗，覆蓋區(qū)域更加全面，用水總量是人工沖洗的四分之一，減少了清洗成本，節(jié)省了水資源。清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作業(yè)過(guò)程如下：①清洗滾軸采用尼龍絲毛刷輥。由直流電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)，同步輪的齒數(shù)通過(guò)同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)，使其清洗機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)形成差速傳動(dòng)。尼龍絲毛刷輥采用螺旋結(jié)構(gòu)以及差速轉(zhuǎn)動(dòng)能使清洗機(jī)器人提高清掃的清潔度。②清洗模式的轉(zhuǎn)換是根據(jù)太陽(yáng)板所處區(qū)域來(lái)選擇，如果區(qū)域水源充足可以選用噴淋或噴霧，如果水源不充足可以選用高壓氣體吹除。③選用直流伺服電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力源，便于機(jī)器人的移動(dòng)和清洗滾筒裝置的正常工作。④選用24 V 的鐵鋰電池作為機(jī)器人的電源，并設(shè)置有充電孔，保證機(jī)器人續(xù)航時(shí)間達(dá)到2 h（一個(gè)陣列的光伏板組件長(zhǎng)度為200 m）。

圖2 清洗機(jī)器人機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖

1.4 技術(shù)路線

機(jī)器人控制硬件電路包括STM32 單片機(jī)、PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、整機(jī)電源、直流電機(jī)、傳感器等。STM32 單片機(jī)是清洗機(jī)器人的核心控制器，通過(guò)外界環(huán)境對(duì)核心控制器發(fā)出指令，控制直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，從而完成對(duì)清洗機(jī)器人的清掃系統(tǒng)毛刷的驅(qū)動(dòng)和行走系統(tǒng)行走輪的驅(qū)動(dòng)，而核心控制器STM32輸出PWM 控制信號(hào)作用于直流電機(jī)的控制電路。整機(jī)電源為STM32 單片機(jī)、控制電路、除塵過(guò)程中所需的傳感器以及直流電機(jī)提供電源。機(jī)器人工作流程圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人工作流程圖

太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)，可以減輕人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升清潔質(zhì)量，多種模式的轉(zhuǎn)換，提高了清潔效率。太陽(yáng)能板清潔機(jī)器人的應(yīng)用為碳中和的實(shí)施提供了便利條件，改善了人工作業(yè)環(huán)境，降低了光伏電站造價(jià)。

2 應(yīng)用前景

本系統(tǒng)基于STM32 單片機(jī)控制，智能化程度高、操作方便簡(jiǎn)單，同時(shí)在對(duì)太陽(yáng)能電池板清潔的基礎(chǔ)上，最大限度地利用太陽(yáng)能，以達(dá)到清潔的目的，可以應(yīng)用于各種不同環(huán)境中的清潔工作?？刂魄逑礄C(jī)器人只有在光線環(huán)境較弱情況下才工作，因此不影響光伏太陽(yáng)板的正常發(fā)電。相較于現(xiàn)有的清潔裝置，該裝置配備了噴淋、吹氣兩種方式，可以對(duì)不同情況的光伏電板所在區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的清潔工作，大大節(jié)省了水資源[10]。本產(chǎn)品配備24 V 的鐵鋰電池作為機(jī)器人的電源，并設(shè)置有充電孔，保證機(jī)器人續(xù)航時(shí)間達(dá)到2 h，大大提高了產(chǎn)品的工作時(shí)間和耐用性。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)下，以光伏為主導(dǎo)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)被賦予高增長(zhǎng)、高景氣度的成長(zhǎng)空間[11]。隨著太陽(yáng)能裝機(jī)容量的增加，電站運(yùn)維問(wèn)題逐漸凸顯，其中積灰問(wèn)題最為嚴(yán)重，灰塵的覆蓋大大降低了太陽(yáng)能組件的發(fā)電效率，成為太陽(yáng)能發(fā)展最大的障礙?，F(xiàn)有的太陽(yáng)能板清洗方式水資源消耗大、效率低下、清洗成本高，需要不斷創(chuàng)新太陽(yáng)能清潔裝置的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，提高裝置的質(zhì)量，只有這樣才能真正地提高工作效率。本研究設(shè)計(jì)的裝置可以提高資源的利用率，減少浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)理想的工作成果，有巨大的發(fā)展?jié)摿?。且隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重資源節(jié)約等問(wèn)題，所以本清潔裝置具有廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本裝置由履帶行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪、清洗滾軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)等組成，通過(guò)STM32 單片機(jī)控制，達(dá)到清潔太陽(yáng)能面板表面灰塵、污染物和鳥(niǎo)禽糞便的目的，可以提升光伏面板的光電轉(zhuǎn)化效率，并進(jìn)一步提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。在使用過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走、切換干洗或水洗模式，實(shí)現(xiàn)全方面覆蓋清洗、智能啟停等功能，能夠根據(jù)外界環(huán)境的光線變化和邊界距離進(jìn)行智能化控制，達(dá)到節(jié)約資源的目的。