全向移動光伏清掃機(jī)器人清掃特性分析與優(yōu)化

摘要：針對光伏組件靈活、安全清掃問題，設(shè)計(jì)一種全向移動式光伏清掃機(jī)器人構(gòu)型，采用四輪差速建模法、輪組電磁制動分析，確定機(jī)器人構(gòu)型的合理性。針對現(xiàn)有移動式清掃方式的局限性，研究新型滾刷除塵、管道吸塵同步清掃方法。通過CFD仿真方法，建立機(jī)器人吸塵管道、清掃機(jī)構(gòu)流場仿真模型，完成結(jié)構(gòu)模型的清掃特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真，以及實(shí)際清掃效果對比評價試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)86.5%清掃效率，同時改善了運(yùn)動制動能力。

關(guān)鍵詞：光伏組件；清掃機(jī)器人；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；流場仿真；清掃試驗(yàn)

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在光伏行業(yè)，高效清洗裝置與方法在智能光伏運(yùn)維中發(fā)揮著重要作用。由于變電站中光伏組件的自然積塵效應(yīng)1]，積灰會產(chǎn)生熱斑效應(yīng)影響發(fā)電效率和組件壽命2。相關(guān)研究表明，及時有效的清洗措施可將年發(fā)電量提高8%～12%I3]。也是保證光伏電網(wǎng)安全運(yùn)行的必要措施[4]。

軌道式清掃機(jī)5]需安裝行走軌道，且其只能在x軸上移動61，靈活度低。車載式清洗設(shè)備7大多外設(shè)機(jī)械臂進(jìn)行清洗，此類設(shè)備移動底盤過于龐大，實(shí)用性有限。采用全向移動結(jié)構(gòu)的清掃機(jī)器人，能應(yīng)用于集中式、分散式等多種光伏發(fā)電場景。但清掃機(jī)器人對灰塵的作用機(jī)理，清掃特性需進(jìn)一步研究8]。

國內(nèi)外對于光伏清掃的特性分析已有大量研究：Bhaduri等[9]研究不同刷子的設(shè)計(jì)對刷子本身的磨損和對光伏板的損害，進(jìn)而對發(fā)電效率的影響；康儒等[10利用仿真軟件對模型清掃效果進(jìn)行分析，再通過試驗(yàn)確定最佳的工作參數(shù)；Sheheri等研究干洗對清掃玻璃灰塵的效果以及對透光率的影響，通過試驗(yàn)表明尼龍刷干洗不會對玻璃表面造成損傷。

本文以光伏組件清掃為應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)光伏組件移動清掃機(jī)器人模型，分析機(jī)器人運(yùn)動、制動方案的合理性，對結(jié)構(gòu)模型清掃特性進(jìn)行探討，建立新型滾刷吸塵、管道除塵流場仿真模型，并優(yōu)化設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)特征參數(shù)，最后通過仿真和試驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的全向移動式光伏清掃機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)安全、高效率清掃。

1全向移動光伏清掃機(jī)器人模型

1.1機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般分布式光伏組件支架安裝角度0°～45°，針對沙漠地區(qū)灰塵聚集特性、可變斜面穩(wěn)定清掃要求，全向移動光伏清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

清掃機(jī)器人模型如圖1所示，下面對其原地轉(zhuǎn)向和圓弧轉(zhuǎn)向運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析。在原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動中，建立0-XYZ坐標(biāo)系描述機(jī)器人坐標(biāo)運(yùn)動分量，其中Vr、w分別表示機(jī)器人底盤的正向運(yùn)動速度和原地自轉(zhuǎn)角速度。定義機(jī)器人底盤4個輪子速度分別為VA、VB、Vc、Vo，底盤輪距、軸距一半長度分別為a=D？/2、b=D？/2。

當(dāng)移動底盤沿Y軸做平移運(yùn)動時：

當(dāng)移動底盤繞Z軸旋轉(zhuǎn)時：

將以上兩組方程合并，即可根據(jù)移動底盤的運(yùn)動狀態(tài)解算出4個輪子的速度：

機(jī)器人進(jìn)行圓弧轉(zhuǎn)向時，繞圖1中O？點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，并以O(shè)？點(diǎn)建立坐標(biāo)系，w？為移動底盤沿中心軸線Z？軸自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度，機(jī)器人前向運(yùn)動方向?yàn)閅？軸正方向與之垂直向右為X？軸正方向，Z？軸垂直紙面向外，滿足右手定則。

內(nèi)側(cè)兩個輪的速度為：

式中：vA、vp——內(nèi)側(cè)A、B輪的線速度；rA、rs——內(nèi)側(cè)輪與O？點(diǎn)的距離，即轉(zhuǎn)彎半徑。

因內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)彎半徑相同，故兩輪速度vA、vp相同，同理外側(cè)兩輪速度vc、vp同樣相同，而由于內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑不同，則其速度也不同。根據(jù)上述結(jié)論可簡化運(yùn)動模型，將內(nèi)側(cè)相同速度的A、B輪簡化為一個，外側(cè)的C、D輪簡化為一個，可得簡化圖形如圖2所示。

簡化正運(yùn)動學(xué)模型可表示為：

簡化逆運(yùn)動學(xué)模型可表示為：

光伏清掃機(jī)器人總體模型設(shè)計(jì)如圖3所示，由移動底盤、清掃機(jī)構(gòu)和除塵機(jī)構(gòu)3部分組成。其中移動底盤采用四驅(qū)結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和調(diào)速。考慮到移動底盤在光伏面板上移動，在電機(jī)斷電后移動底盤仍會依靠慣性向前或向后方行駛一段距離，為保證在光伏面板上清掃的可靠性，光伏清掃機(jī)器人在4個輪子處均加裝電磁制動器，當(dāng)電機(jī)斷電，電磁制動器收到信號后會在幾十毫秒內(nèi)工作并使移動底盤完全停止移動。吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3a所示，包含吸塵機(jī)8和兩根透明薄壁圓管9，圓管一頭連接安裝在外罩1上的直角彎頭，一頭連接吸塵機(jī)8。吸塵管道9保持光滑，并且彎曲自然，使裹挾灰塵的空氣能夠無礙的進(jìn)入吸塵機(jī)8。吸塵機(jī)8采用兩檔設(shè)計(jì)，對于不同潔凈度的光伏面板可以選擇不同的吸力大小，在達(dá)到清潔要求的前提下盡可能節(jié)省能源。清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3b所示，采用雙滾刷結(jié)構(gòu)，能在一次清掃的前提下加倍實(shí)現(xiàn)光伏面板的潔凈度。根據(jù)光伏面板灰塵的特點(diǎn)，采用無水、無清潔劑的技術(shù)，兩個滾刷將灰塵掃起后，由上方的吸塵口吸走灰塵，而對于滾刷上粘連的灰塵，特別設(shè)計(jì)除塵絲。除塵絲安裝在兩個滾刷轉(zhuǎn)動方向靠近吸塵口一側(cè)，當(dāng)滾刷轉(zhuǎn)動時會不斷掃過除塵絲，以使刷毛顫動將粘連在滾刷上的灰塵抖落，且灰塵抖落位置位于吸塵口附近，利于吸塵機(jī)構(gòu)將灰塵及時吸出，避免二次污染。

吸塵口風(fēng)量為：

式中：Q——吸塵口風(fēng)量，m3/h;A——吸塵口面積，m2;Vp——吸塵口平均風(fēng)速，m/s。

1.2機(jī)器人安全制動分析

傳統(tǒng)微型智能車無單獨(dú)的制動系統(tǒng)，其減速方式為對電機(jī)進(jìn)行斷電，依靠車輪對地的摩擦，在車的慣性中減速?？筛鶕?jù)移動底盤計(jì)算其轉(zhuǎn)動慣量J為：

式中：m？、m？——底盤前、后軸上的軸載質(zhì)量，kg;a、b——底盤質(zhì)心至前、后軸距離，m;K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.35。

全向移動光伏清掃機(jī)器人制動設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為工作條件下制動距離小于1m，加速度大于-2 m/s2，制動效能恒定性大于60%，制動方向穩(wěn)定性小于0.1 m。輪組驅(qū)動采用功率為35W直流電機(jī)，整車質(zhì)量為12 kg，考慮工作條件，設(shè)置移動底盤最高速度為2.2 m/s，行駛地面材質(zhì)為環(huán)氧地坪，移動底盤行駛的運(yùn)動特性如圖4a所示。分析移動底盤運(yùn)動結(jié)果，速度采集的時間間隔為0.05 s，移動底盤在一次啟動，到最后完全停止的慣性減速曲線。移動底盤在1.7s內(nèi)達(dá)到最大速度，由最大速度減速到靜止的時間為2.4 s。在移動底盤前進(jìn)的5.5m路程中減速的距離為1.9 m，占總距離的35.5%，如若將其放置在光伏面板上進(jìn)行工作，移動底盤較長的減速距離會給行駛安全造成一定危害。

電磁制動器選用電壓24 V，額定功率11 W，額定扭矩為5 N·m。

銜鐵與摩擦片摩擦產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，制動轉(zhuǎn)矩是衡量電磁制動器制動效果的一個重要參數(shù)，其計(jì)算方法為：

式中：μ——摩擦片與銜鐵、蓋板之間的摩擦系數(shù)；f——彈簧片彈力；R——蓋板內(nèi)徑；R？——摩擦片外徑；Ra——銜鐵內(nèi)徑。

由式（9）可得出，當(dāng)加工條件一定，摩擦系數(shù)確定，產(chǎn)品尺寸不變的條件下，制動轉(zhuǎn)矩取決于彈簧片的彈力12]。為觀察電磁制動器的制動效果，將移動底盤最高速度設(shè)置為2.2 m/s，行駛地面材質(zhì)為環(huán)氧地坪，設(shè)置電磁制動器在移動底盤最高速度左右工作，采集移動底盤里程計(jì)數(shù)據(jù)，制成移動底盤制動曲線如圖4b所示，電磁制動器在移動底盤行駛速度為2.2 m/s時開始工作，當(dāng)其工作后移動底盤速度急速下降，使其電機(jī)失能后所行駛的距離大大縮短，和圖4a對比后，得出微型智能車即使重量和體積較小，安裝制動保護(hù)也能提供較好的制動效果，且能對在一定危險(xiǎn)環(huán)境中工作的移動底盤提供安全保護(hù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得出結(jié)論，微型智能車即使重量和體積較小，安裝制動保護(hù)也能提供較好的制動效果，并能對在一定危險(xiǎn)環(huán)境中工作的移動底盤提供安全保護(hù)。

2機(jī)器人清掃特性分析

清掃機(jī)構(gòu)和除塵機(jī)構(gòu)在工作時會將空氣吸入，而在吸入空氣的同時將滾刷掃起的灰塵一同吸入通過對流場的分析可驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，且通過分析可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[13]。本文利用Fluent軟件對流場進(jìn)行分析，通過該軟件可對空氣的流動進(jìn)行可視化分析。

2.1吸塵管道流場分析

將吸塵管道三維模型導(dǎo)入軟件中，并采用ICEM劃分其內(nèi)部流域的網(wǎng)格，由于截面1連接吸塵機(jī)，故將其作為出口，截面2和3連接除塵機(jī)構(gòu)故將這兩個截面作為入口。網(wǎng)格劃分后縱橫比最大為8.2，最小為1.1，且網(wǎng)格絕大多數(shù)集中在1～3，平均縱橫比為1.9，網(wǎng)格質(zhì)量較優(yōu)。吸塵機(jī)最大吸力為13 kPa，設(shè)置迭代次數(shù)為500次，報(bào)告間隔為1次，對吸塵管道進(jìn)行流場模擬，如圖5為迭代殘差曲線，大概在第230次迭代后迭代殘差曲線開始收斂。

通過圖6b和圖6c可看出，在直角彎頭處存在少量漩渦，其余部分流體通過比較順暢，在管道交匯之前壓力較大，流體流速較小，交匯之后壓力驟然變小，流速變大，截面2和3壓力和流速相差不大，交匯之前流速18 m/s，交匯之后流速為25 m/s，平均流速為22 m/s。吸塵管道的壓力沿x軸方向不斷減小，特別在管道交匯之后管道內(nèi)的壓力在靜壓力圖上有較大變化，不過實(shí)際相差較小，因此該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理。

顆粒進(jìn)入入口到出口，幾乎全部能逃逸，總粒子數(shù)為11880，逃逸11847，未逃逸33個，未逃逸的粒子數(shù)占總粒子數(shù)的0.28%，且輸入與輸出的質(zhì)量流率相差7.93×10-7，管道的通過率可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2清掃機(jī)構(gòu)流場分析

清掃機(jī)構(gòu)作為除塵效果的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其流場分析至關(guān)重要，通過分析清掃機(jī)構(gòu)工作方式，模擬滾刷和吸塵機(jī)工作時其內(nèi)部流場情況，對除塵機(jī)構(gòu)除塵效果進(jìn)行分析，且可根據(jù)除塵的效果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

采用ICEM劃分其內(nèi)部流域的網(wǎng)格，截面2和3連接吸塵管道，滾刷為同方向旋轉(zhuǎn)，將截面6作為出口，截面4和5作為入口，將劃分網(wǎng)格后的模型導(dǎo)入Fluent中。

由圖7a～圖7c可看出流場情況，粒子跡線由截面4和截面5進(jìn)入，進(jìn)入清掃機(jī)構(gòu)后由截面2、3和截面6流出。

根據(jù)伯努利方程：

式中：p——流體壓強(qiáng)，Pa;p——流體密度，kg/m3;g——重力加速度，m/s2;v——線性速度，m/s;h——鉛錘高度，m;c——常量。

再根據(jù)流量與速度關(guān)系：

式中：q——流量，m3;s——截面積，m2。

算出清掃機(jī)構(gòu)截面2和3的壓強(qiáng)，得出圖7c粒子矢量圖，清掃機(jī)構(gòu)截面4、5和截面6的大部分速度為7 m/s，而截面2和3的速度可達(dá)到20m/s。

根據(jù)通量計(jì)算，入口和出口的質(zhì)量流率相差3.63×10-？，充分驗(yàn)證清掃機(jī)構(gòu)能達(dá)到清掃要求。但根據(jù)跡線圖粒子軌跡，粒子通過外罩直角后軌跡發(fā)生混亂，可看出外罩直角結(jié)構(gòu)對流場內(nèi)空氣和灰塵流動不利。且截面6在光伏面板清掃機(jī)工作時也會噴出少量灰塵，占總灰塵量的7.1%，對于清掃效果產(chǎn)生一定影響，故對清掃機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3清掃機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)

3.1機(jī)器人清掃結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)第2節(jié)流場分析得出的結(jié)構(gòu)缺陷，對此進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得結(jié)構(gòu)圖8。通過在右側(cè)滾刷正上方加裝一個擋板，左側(cè)滾刷上加裝一個弧形板，當(dāng)滾刷工作時，經(jīng)過除塵絲將吸附在滾刷上的灰塵除去，加裝擋板除去截面6出口后，滾刷上無灰塵經(jīng)過擋板，不會將清掃后的部位弄臟，使從兩個入口進(jìn)入的灰塵全部由截面2、3出口流出，以提升除塵效果。

根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行流場仿真，可得圖9。根據(jù)圖9可看出粒子在優(yōu)化過后的流場里軌跡更加平滑，弧形板的加入優(yōu)化了粒子軌跡，從入口到出口的軌跡距離更加合理，粒子全部從上方出口噴出。圖9所示粒子從圖7a截面4、5進(jìn)入后大部分能以22 m/s從截面2、3噴出，且粒子幾乎能全部進(jìn)入除塵管道。

粒子從入口到出口的質(zhì)量流率相差1.56×10-7，將圖7和圖9綜合分析可得，優(yōu)化后的除塵機(jī)構(gòu)更合理，且優(yōu)化后的模型在工作后不會對光伏面板產(chǎn)生二次污染。

3.2機(jī)器人清掃試驗(yàn)

為驗(yàn)證光伏清掃機(jī)器人的實(shí)際清掃效果，與仿真試驗(yàn)相配合，搭建試驗(yàn)環(huán)境，選用PVC軟玻璃，其與尼龍動摩擦系數(shù)和玻璃與尼龍動摩擦系數(shù)均約為0.5，選用尺寸為1.8 m×3 m，選用電機(jī)功率為35 W，吸塵設(shè)備吸力為13 kPa，清掃機(jī)器人移動速度為0.2 m/s，上位機(jī)操作系統(tǒng)為Ubuntu，上位機(jī)與清掃機(jī)器人利用局域網(wǎng)連接。

根據(jù)光伏面板實(shí)際使用環(huán)境，實(shí)驗(yàn)用灰塵采用粉狀塵埃，經(jīng)反復(fù)粉碎后，用鐵絲網(wǎng)過濾使用，撒在試驗(yàn)平臺上。通過設(shè)置對比試驗(yàn)，驗(yàn)證清掃效果，設(shè)置3個區(qū)域分別是未清掃區(qū)、清掃未吸塵區(qū)和清掃加吸塵區(qū)，試驗(yàn)效果如圖10所示。

通過對比未清掃區(qū)和清掃未吸塵區(qū)可發(fā)現(xiàn)，只是簡單的滾刷清掃并不能達(dá)到清潔光伏面板的目的，只有滾刷清掃加上吸塵才能實(shí)現(xiàn)光伏組件的清潔。軟玻璃寬為1.8 m，清掃機(jī)構(gòu)滾刷長為0.6 m，將灰塵均勻撒在軟玻璃上，光伏清掃機(jī)器人根據(jù)不同工作狀態(tài)清掃，計(jì)算清掃率，單次清掃率計(jì)算公式為：

式中：η——清掃率；A?！鍜?/3面積軟玻璃后吸塵裝置集塵盒中的灰塵質(zhì)量，g;B。——軟玻璃上總的灰塵質(zhì)量，g。

經(jīng)計(jì)算，光伏清掃機(jī)器人進(jìn)行清掃未吸塵時，清掃率為0，進(jìn)行清掃加吸塵時，清掃率為86.5%，可得出，全向移動式光伏清掃機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能達(dá)到清掃要求。

4結(jié)論

針對光伏組件靈活、安全清掃問題，本文在分析多種清掃裝置的基礎(chǔ)上，提出雙滾刷加管道吸塵的清掃方式，以及獨(dú)立安全制動裝置。通過運(yùn)動學(xué)分析、流場仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出以下結(jié)論：

1）通過運(yùn)動學(xué)對所選的四驅(qū)模型進(jìn)行分析，能根據(jù)需求確定電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而滿足光伏清掃的運(yùn)動需求。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，清掃機(jī)器人制動裝置的加入能極大地縮短移動底盤因電機(jī)斷電所產(chǎn)生的慣性路程，對移動底盤有較好的保護(hù)作用。

2）確定光伏清掃機(jī)器人總體方案，對清掃結(jié)構(gòu)和除塵機(jī)構(gòu)利用Fluent軟件進(jìn)行內(nèi)部流場可視化分析，并通過分析結(jié)果對清掃結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將直角的清掃結(jié)構(gòu)內(nèi)部改為弧形，并加入除塵絲，極大提高了清掃機(jī)器人的除塵效率。通過試驗(yàn)計(jì)算出清掃效率能達(dá)到86.5%，驗(yàn)證了全向移動式光伏清掃機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

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ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CLEANING CHARACTERISTICS OFOMNIDIRECTIONALMOBILE PHOTOVOLTAIC CLEANING ROBOT

Liang Yi1，2，Wang Weizhen1，Wang Buyun1，Quan Peng3，Sun Kai3，Wang Yubing？

（1.School of Artificial Intelligence，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China;2.Harbin University of Science and Technology，Key Laboratory of Aduanced Manufacturing and InteligentTechnology，Ministry of Education，Harbin 150080，China;3.Trina Solar Limited，State Key Lab of PV Science and Technology，Changzhou 213031，China;4.School of Artificial Intelligence and Innovation，Ma'anshanUniversity，Ma'anshan 243100，China）

Abstract：Aiming at the flexible and safe cleaning of photovoltaic modules，an omnidirectional mobile photovoltaic cleaning robotconfiguration is designed.The rationality of the robot configuration is determined by using the four-wheel differential modeling methodand the wheel set electromagnetic braking analysis.In view of the limitations of the existing mobile cleaning methods，anewsynchronous cleaning method of roller brush dedusting and pipeline dust suction is studied.Through the CFD simulation method，theflow field simulation model of the robot suction pipe and cleaning mechanism is established，and the cleaning characteristics analysisand structural optimization simulation of the structural model are completed，as well as the comparison and evaluation test of the actualcleaningeffect.The test results show that the designed cleaning robot can achieve 86.5%cleaning efficiency and improve the motionbraking capability.

Keywords：PVmodules;cleaningrobot;structuraloptimization;flow field simulation;cleaning test