智能光伏清扫机器人的设计思路及设计案例.pdf

今 日 自 动 化Automation Today智能制造与设计Intelligent manufacturing and Design2 0 2 3.5 今日自动化 372 0 2 3 年第5 期2023 No.5随着能源危机和环境污染问题的日益突出，太阳能光伏发电等清洁能源利用技术得到广泛应用。然而由于光伏组件长期暴露在室外，组件下沿形成宽窄不同、形状各异的灰带。由于组件内部电池片是串联，受到影响的电池片将直接导致该串电池片的电流、电压整体下降，引起内部旁路二极管阻塞，组件输出功率将大幅下降，会很大程度上影响光电转换效率1，甚至会产生热斑效应，导致组件寿命缩短或组件损坏。因此，对光伏组件进行定期清洁和维护十分必要。传统的清洗方法主要是人工清洗和高压水枪清洗。人工清洗由于低效率、高成本和劳动强度大等问题，已经越来越难以满足实际需求。高压水枪清洗虽然可以提高清洁效率，但会浪费大量的水资源，且水压过大会造成光伏组件电池片的隐裂。针对现有清洁方式存在的可靠性低、成本较高和维护不便等不足2，文章提出了基于机器人的智能清扫方案。该方案基于传感器、驱动算法、智能通信技术，实现光伏清扫机器人的远程智能控制，解决人工清洁、高压水枪清洁等方式存在的效率低下、用水量大的问题3，具有自动化程度高、清洁效果好和维护成本低等优势4。1 设计思路智能光伏清扫机器人主要由清洁装置、驱动装置、控制系统和通信模块等组成，整体结构如图1所示。图1 总体结构1.1 清洁装置机器人的清洁装置主要包括滚刷组件和滚刷驱动电机模块。滚刷组件包括滚刷和防尘罩等，滚刷驱动电机模块包括伺服电机、传动箱、联轴器等，两个模块结合驱动滚刷以一定转速旋转，达到清洁光伏组件的目的。1.2 驱动装置机器人的驱动装置主要包括底盘、履带、行走驱动电机模块等，负责实现机器人在光伏组件表面前进、后退、转向等动作。1.3 控制系统控制系统是整个机器人的核心，负责接收传感器模块的信号，并控制清洁装置和驱动装置的动作，可根据现场情况控制机器人进行清洗和维护工作。机器摘 要光伏组件的表面积灰、污垢等，对光伏电站的发电效率会产生较大的影响。随着光伏发电领域的快速发展，光伏电站的规模不断扩大和数量不断增加，为降低人工清洁成本，提高光伏电站的运行效率，文章提出了一种智能光伏清扫机器人设计方案，该方案结合现代传感器技术、无线通信技术和自动控制技术，通过对光伏组件的自动清洁和维护，提高光伏电站的发电效率，增加发电量。关键词光伏组件；机械设计；传感器；智能控制中图分类号TM615 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05003703Design Idea and Design Case of Intelligent Photovoltaic Cleaning RobotHUANG Xiaoyang，SHAO Shan，ZHU Chenguang，CHANG Juanjuan，XIE DongyangAbstractThe ash and dirt on the surface of photovoltaic modules will have a greater impact on the power generation efficiency of photovoltaic power stations.With the rapid development of the field of photovoltaic power generation,the scale and number of photovoltaic power stations are constantly expanding.In order to reduce the cost of manual cleaning and improve the operating efficiency of photovoltaic power stations,this paper proposes a design scheme of intelligent photovoltaic cleaning robot.This scheme combines modern sensor technology,wireless communication technology and automatic control technology to improve the power generation efficiency of photovoltaic power stations through automatic cleaning and maintenance of photovoltaic modules,Increase power generation.Keywordsphotovoltaic module;mechanical design;sensor;intelligent control智能光伏清扫机器人的设计思路及设计案例黄晓洋，邵山，朱晨光，常娟娟，谢东阳（平高集团有限公司，河南平顶山467000）今 日 自 动 化Automation Today智能制造与设计Intelligent manufacturing and Design38 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5人的控制系统主要包括两部分：硬件控制和软件控制。1.3.1 硬件控制硬件控制主要包括电机控制、传感器数据采集等方面。电机控制需要根据机器人的运动需求控制电机的转速和方向。传感器数据采集需要对传感器获取的数据进行处理和分析，确定机器人周围的工况。1.3.2 软件控制软件控制主要包括路径规划和数据处理等方面。路径规划需要根据机器人的位置和光伏组件的位置，确定机器人的运动路径。数据处理需要对机器人传感器模块获取的数据进行处理和分析，确定机器人的位置和光伏组件的情况。2 设计案例2.1 需求分析2.1.1 智能化基于先进通信技术实现0250 m 远程通信，可以根据实际情况实现外部供电/自带电池供电的自由切换，且电池供电能连续作业3 h，通过调研情况发现，能适应045光伏阵列场景。2.1.2 高效率根据光伏电站实际情况，选用干洗/湿洗模式，干洗模式下滚刷高速作业；湿洗模式下，滚刷中低速作业。高流量扇形喷头可强力去污、滚刷长度为1.4 m，根据实际情况选配单/双滚刷，清洁面积4 0005 000 m2/h，满足大部分作业场景。2.1.3 安全可靠整机应具有 IP65防护等级，能够在-1060外部环境温度下正常作业，能够跨越30 cm 宽度衔接缝，加装传感器，探边防跌落，确保作业安全。2.1.4 定制化机器人采用模块化设计，后期根据客户需求开展定制化开发。2.2 部分模块/组件设计2.2.1 滚刷组件滚刷组件结构如图2所示。伺服电机联轴器箱传动箱防尘罩滚刷图2 滚刷组件结构首先确定设备的使用工况为有轻微冲击的负载传动，连续工作时长约为5 h。根据工况选择 SxM系列的同步齿形带，其负载补偿系数 K0=1.6，旋转比补偿系数 Kr=0，惰轮补偿系数 Ki=0，过负载系数 Ks=K0+Kr+Ki=1.6+0+0=1.6。电 机 选 用 的 是 DM-56030CA1B-205，理论功率为300 W，加减速机后输出转速暂定为300 r/min。通过简易选型表，皮带型号暂定为 S5M。目前使用的设计方案中传动轮与从动轮的齿数比为1 1，所以旋转比为1。当 C=160 mm、Dp=39.79 mm、dp=39.79 mm 时：当 Dp=39.79 mm、dp=39.79 mm、Lp=445 mm 时：因此，理论轴间距为160 mm。当 接 触 角 度=180 -=180 -=180、啮 合 齿 数 Zm=12.5、啮合补偿系数 Km=1.0、基准皮带宽度 Wp=10、Pd=300、Ps=153时：根据说明调大一号的皮带，即皮带宽度为25 mm，则 Ps Km Kb=1531.02.84=434.5。因为PdPs Km Kb，所以符合公式要求。当 C=160 mm，Dp=39.79 mm，dp=39.79 mm 时：由于=0.016，所以这里 t=0.016160=2.56 mm。当 Ti=166 N、Y=151.0时：根据计算得到，皮带的挠曲量为2.56 mm，所需要施加的负载约为13.8 N，根据这些参数选配合适的同步轮、惰轮、同步带。额外负载250 N 测试情况下，有限元分析如图3、图4所示。今 日 自 动 化Automation Today智能制造与设计Intelligent manufacturing and Design2 0 2 3.5 今日自动化 392 0 2 3 年第5 期2023 No.5vonMisesN/m2屈服力：2.750e+085.225e+074.790e+074.354e+073.919e+073.483e+073.048e+072.613e+072.177e+071.742e+071.306e+078.710e+064.356e+062.030e+03图3 应力分布URES(mm)3.977e-013.646e-013.314e-012.983e-012.652e-012.320e-011.989e-011.657e-011.326e-019.943e-026.629e-023.314e-021.000e-30图4 形变量根据仿真结果，在额外负载250 N 的情况下，设备无超限应力且形变量都在0.4 mm 内，属于可接受范围，即设备运行中普通的磕碰、碰撞不会对滚刷组件造成影响。2.2.2 履带模块履带模块由两个同步轮安装板提供安装位置，中间由主动带轮、主动轮轴、从动带轮、惰轮组成，减速器安装法兰可以外接减速器，给履带提供驱动力，减速器橡胶垫起到防水密封作用，同步轮和履带通过齿啮合将动力传递到履带部分，履带和地面接触从而提供驱动力前进。在同步带及同步轮节距选型时，因为输入功率为0.3 kW，转速为150 r/min，所以选取节距为 H 的同步带和同步轮。根据带型参数表，当同步带的单位抗拉强度为270 N/mm、参考力为220 N/mm、背带的硬度为755、包布粘合强度为8 N/mm、芯绳粘合强度600 N/mm、齿体抗剪强度70 N/mm 时，同步带可以满足正常使用。2.2.3 电源箱组件电源组件由电源模块、航空插接口、电源防护箱体3部分组成，电源模块主要起供电作用，外接220 V 电源同时输出48 V 电压给驱动电机模块供电；航空插接口部分采用 IP67防护等级的航空插头进行转接；电源防护箱体起到保护电源作用，防止进水造成短路。整机均采用工业级密封防水措施，达到 IP65防护等级。2.2.4 传感器模块竖直方向上的传感器需要更快的响应时间，按照0.9 m/s 的行进速度计算，滚刷侧传感器与前轮的距离为187 mm，从传感器探测边框到前轮运动至边框需要耗时0.207 s，即滚刷侧传感器的响应时间不能大于0.207 s。整机设备的质心与前轮距离为180 mm，从车体侧传感器探测边框到前轮运动至边框需要耗时0.2 s，即车体传感器的响应时间不能大于0.2 s。水平方向上的传感器探测距离更远，按照0.9 m/s的行进速度计算，如果传感器的有效探测极限与设备最前端距离为900 mm，传感器的响应时间只需不大于1 s。选用传感器的响应时间为15 ms，即传感器的有效探测极限与设备最前端距离为13.5 mm。根据探边需求，考虑使用光电传感器或超声波传感器，可以根据具体场景选配合适的传感器满足实际需求。2.2.5 通信模块本方案中使用新 LoRa 扩频技术通信，其优点为低延迟传输，强力抗干扰，传输距离与穿透能力比传统的 FSK 提升1倍。机器人采用433 MHZ 3 DB 高增益全向射频天线，可以更好地接收信号，配合大功率LoRa 无线通讯技术，稳定通信距离可达250 m。3 结束语针对我国光伏电站的发展现状及后期运维存在的问题，提出一种基于机器人的智能清扫方案，设计出一种满足户外不同场景需求的智能清扫机器人，其具有清洗效率高、成本低、环境友好等优点。参考文献1 刁艳美，刘颂，陈美玲.光伏组件智能清洁机器人设计及其路径规划研究 J.机电信息，2023（4）：27-31.2 李枫.一种新型光伏电池板清洁机器人设计J.机电信息，2020（23）：128-129.3 张婵，朱琳，韩谦，等.光伏清洁机器人的设计与清洁特性 J.新型工业化，2020，10（4）：82-84，103.4 王林，孙慧平，汪金芝.负压吸附式无轨光伏板清洁机器人结构设计 J.宁波工程学院学报，2022，34（1）：26-31.