光伏組件自動換行清潔機(jī)器人設(shè)計

周亦瞿，沈芳，谷玉之，瞿暢

（1.南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，南京 210023；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

0 引言

隨著太陽能光伏電站的大規(guī)模建設(shè)，電站運行中出現(xiàn)的光電轉(zhuǎn)換效率低、開發(fā)和轉(zhuǎn)化成本偏高等問題日益突出，其中，組件積灰是影響發(fā)電量的關(guān)鍵因素之一[1]，無論是屋頂光伏電站還是地面光伏電站，都面臨組件清潔問題。目前，除人工清潔外，主要的清潔技術(shù)有：納米自清潔薄膜、電除塵、機(jī)械除塵[2]。前兩種技術(shù)由于成本、可靠性、技術(shù)要求高等問題，未能在光伏電站中廣泛應(yīng)用。而機(jī)械除塵方式簡單可行，吸引許多光伏電站企業(yè)、高校等爭相研制可代替人工完成清潔作業(yè)的光伏組件清潔機(jī)器人。

目前組件機(jī)械化自動清潔方式主要有小型片上機(jī)器人[3-5]、移動式清掃車[6-7]和面板式清潔機(jī)器人。面板清潔機(jī)器人是近年來提出的一種新的組件灰塵自動化清潔方案[8]，該類型機(jī)器人可沿每排光伏組件上下邊緣自主行走，并通過清掃裝置對組件表面的灰塵進(jìn)行有效清潔，每次運行，機(jī)器人可完整清掃整排光伏組件，清掃效率較高。因此，該類型機(jī)器人具有較好的應(yīng)用前景，多所機(jī)構(gòu)對其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)了多款機(jī)器人產(chǎn)品[9-11]。但對于多排組件的大型光伏電站，這類機(jī)器人需要每排組件部署一臺，機(jī)器人部署數(shù)量龐大。

為此，本文研制了一種能實現(xiàn)自動換行清掃的無水清潔機(jī)器人，一臺機(jī)器人可自動換行清掃多行光伏組件。清掃機(jī)構(gòu)采用皮帶刷上下清掃方式，清潔效率高，適用于大規(guī)模地面光伏電站。

1 清潔機(jī)器人總體方案設(shè)計

清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)包括清掃小車及其軌道、換行小車及其軌道，總體方案示意圖如圖1所示，清掃小車和換行小車之間進(jìn)行無線通信，換行小車運載清掃小車實現(xiàn)自動換行、精確定位，自動清掃多行組件。白天，機(jī)器人不工作時，清掃小車停在換行小車上，換行小車停在停止位，不會遮擋光伏組件，影響其光電轉(zhuǎn)換。夜間，機(jī)器人開始工作，工作過程如下：1）換行小車沿?fù)Q行小車軌道行走至第一行光伏組件一側(cè)，自動與光伏組件對齊，換行小車鎖定；2）清掃小車沿清掃小車軌道橫向行走，清掃組件；3）單排組件清掃完畢，清掃小車按原路返回至換行小車，換行小車解鎖，運載清掃小車行走至下一行光伏組件，并自動與組件對齊；4）重復(fù)2）、3）步驟。如此循環(huán)，實現(xiàn)自動換行清掃。

2 清潔機(jī)器人關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 清掃小車設(shè)計

清掃小車主要由清掃機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)組成，圖2為清掃小車示意圖。

圖2 清掃小車示意圖

2.1.1 清掃機(jī)構(gòu)

清掃機(jī)構(gòu)采用皮帶刷上下清掃方式，主要包括皮帶刷、主動輥、從動輥、張緊裝置、同步帶、同步帶輪、電動機(jī)、減速機(jī)。皮帶刷的皮帶為帆布和橡膠的合成材料，刷毛為直徑0.2 mm的尼龍絲。皮帶刷兩頭用不銹鋼鋼扣連接，便于更換。通過張緊裝置調(diào)節(jié)從動輥位置，可張緊皮帶刷，皮帶刷左右兩側(cè)均有固定套筒，防止皮帶刷左右竄動。電動機(jī)通過同步帶傳動，使皮帶刷由上至下地清掃光伏板，將灰塵掃落到地面。

清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是選擇合理的動力參數(shù)，清掃機(jī)構(gòu)運行所需轉(zhuǎn)矩按下式計算：

式中：FU為清掃機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)所需驅(qū)動力；f為模擬摩擦因數(shù)，根據(jù)工作條件、制造、安裝水平選取；L為上下輥筒中心距；qB為每米長皮帶刷的質(zhì)量；δ為清掃小車傾斜角；FS為皮帶刷與光伏組件間的摩擦阻力；A1為刷毛和光伏組件的接觸面積；p為皮帶刷和光伏組件間的壓力；μ為刷毛和光伏組件間的摩擦因數(shù)。

輥筒驅(qū)動力矩的計算公式為

式中：1.5為安全系數(shù)，R為輥筒半徑。

根據(jù)以上計算，動力參數(shù)選型如下：驅(qū)動電動機(jī)選擇200 W 低壓交流伺服電動機(jī)，其型號為60ASM200，額定轉(zhuǎn)矩為0.637 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，減速機(jī)采用行星減速機(jī)，其型號為PL60-30，減速比為30： 1。

清掃小車的傳動采用同步帶傳動，小帶輪與減速機(jī)輸出軸聯(lián)接，大帶輪安裝在主動輥上，電動機(jī)通過同步帶傳動，驅(qū)動主動輥，實現(xiàn)皮帶刷上下清掃運動。

同步帶輪、同步帶設(shè)計選型依據(jù)以下條件計算：設(shè)定皮帶刷清掃速度為0.5 m/s，則主動輥轉(zhuǎn)速為90 r/min；設(shè)傳動比為i=1.5，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=135 r/min。選取同步帶帶型為H型，綜合考慮相關(guān)零件尺寸，確定同步輪齒數(shù)z1=18，z2=27。根據(jù)計算結(jié)果，選擇19.1 mm寬、48齒的H型同步帶。

2.1.2 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)，主框架上裝有行走輪、限位輪，行走輪承受清掃小車對組件的正弦壓力，清掃小車上方的兩個限位輪承受清掃小車重力的余弦分力，上下限位輪可阻止清掃小車產(chǎn)生較大位移差導(dǎo)致脫軌。如圖3所示，主框架下方的調(diào)節(jié)裝置可調(diào)節(jié)皮帶刷到組件的距離，從而改變刷毛與組件間的接觸面積、刷毛彎曲程度，以便根據(jù)組件上灰塵的堆積量、黏附程度等選擇合適的清掃力度。

圖3 行走機(jī)構(gòu)示意圖

清掃小車啟動時受到的阻力最大，只要清掃小車驅(qū)動力滿足啟動條件，其運行條件自然滿足。清掃小車總重m1=70 kg，行走速度v1=0.13 m/s，車輪轉(zhuǎn)速ω1=25 r/min。小車啟動時受到的靜摩擦力為

小車啟動轉(zhuǎn)矩為

式中：f1為清掃小車車輪與軌道間的靜摩擦因數(shù)，取0.25；S為安全系數(shù)，取1.5；R1為清掃小車車輪半徑，0.05 m。

根據(jù)上述計算，且為方便控制系統(tǒng)設(shè)計，行走機(jī)構(gòu)選擇與清掃機(jī)構(gòu)相同型號的驅(qū)動電動機(jī)、減速機(jī)，可以滿足設(shè)計要求。

2.2 換行小車設(shè)計

如圖4所示，換行小車主要由小車框架、鎖緊機(jī)構(gòu)、換行小車軌道等組成。小車框架由鋁合金型材搭建而成，上表面傾斜角度與光伏組件傾斜角度一致。為使換行小車的行走方向保持不變且不發(fā)生側(cè)向偏移，換行小車的行走輪采用V形槽輪，行走軌道采用角鋼。

圖4 換行小車示意圖

換行小車與清掃小車總重m2=130 kg，行走速度v2=0.26 m/s，車輪轉(zhuǎn)速ω2=50 r/min。換行小車的驅(qū)動力計算方法與清掃小車的行走機(jī)構(gòu)類似，此處不再贅述。

換行小車的驅(qū)動電動機(jī)選型同清掃機(jī)構(gòu)，減速機(jī)選用PL60-40行星減速機(jī)，減速比為40： 1，經(jīng)減速后的輸出轉(zhuǎn)矩為25.48 N·m。

換行小車軌道的支撐為一種類似鉸鏈的裝置，通過混凝土基座固定在地面上，如圖5所示。鉸鏈上支撐與鉸鏈下支撐通過螺栓、螺母連接，可相對轉(zhuǎn)動。鉸鏈下支撐和混凝土基座之間通過膨脹螺釘連接固定，可以利用多個螺母調(diào)節(jié)鉸鏈下支撐的高度，形成簡易的升降機(jī)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)換行小車的高度，使換行小車與清掃小車軌道對齊。這種軌道支撐可適用于有坡度且輕微不平整的地面，使軌道始終保持平直狀態(tài)。

圖5 軌道固定示意圖

2.3 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計

為確保換行小車與光伏組件的準(zhǔn)確對齊，防止清掃小車移動時的推力使換行小車發(fā)生偏移，換行小車上設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，用于固定換行小車。鎖緊機(jī)構(gòu)主要由直線導(dǎo)軌滑臺、銷軸、電動機(jī)、錐孔座組成。如圖6所示，銷軸固定在滑塊上，電動機(jī)驅(qū)動滑臺，使滑塊前后移動，從而將銷軸推入或退出錐孔座中，實現(xiàn)換行小車的鎖定與解鎖功能。

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖

3 清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是實現(xiàn)清潔機(jī)器人穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵，清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和控制系統(tǒng)算法設(shè)計。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

作為近年來發(fā)展迅速的微處理器ARM，它具有低成本、低功耗、高性能的優(yōu)點。ARM嵌入式系統(tǒng)其性能優(yōu)良、移植性好，已廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)[10]。本文設(shè)計的清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)采用基于ARM的嵌入式系統(tǒng)。清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺主要由主控芯片、傳感器交流伺服電動機(jī)及其驅(qū)動器和供電電源4部分組成。

1）主控芯片。清掃小車和換行小車主控芯片均采用恩智浦半導(dǎo)體公司的MKW01Z128 芯片。MKW01Z128芯片將ARM Cortex-M0+內(nèi)核與Sub-GHz無線射頻模塊集成在一起，其運行速率高達(dá)48 MHz，具有無線通信功能，通過串口與無線射頻模塊交換數(shù)據(jù)，完成清掃小車與換行小車之間的RF無線通信。MKW01Z128芯片作為主控制器，利用傳感器信號作為反饋信號及控制信號，控制行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)及鎖緊機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運動。

2）傳感器。主要包括RFID讀卡器、磁性開關(guān)和接近開關(guān)。其中，清掃小車上裝有兩個接近開關(guān)，用于獲取清掃小車所處位置；換行小車上裝有1個RFID讀卡器、1個磁性開關(guān)和1個接近開關(guān)，換行小車控制器讀取傳感器狀態(tài)和數(shù)據(jù)，控制換行小車緩慢接近光伏組件，準(zhǔn)確定位、停車、鎖止。傳感器選型和功能如表1所示。換行小車的主控芯片的串口與RFID讀卡器連接，讀取電子標(biāo)簽，標(biāo)識各行組件；通過GPIO口采集磁性開關(guān)、接近開關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 傳感器型號和功能

3）交流伺服電動機(jī)及其驅(qū)動器。包括清掃小車的行走電動機(jī)、清掃電動機(jī)及驅(qū)動器，換行小車的行走電動機(jī)及驅(qū)動器。電動機(jī)控制為位置控制模式，MKW01Z128芯片通過TPM模塊產(chǎn)生PWM信號給電動機(jī)驅(qū)動器，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動。

4）供電電源。清掃小車和換行小車各用一個48 V鋰電池組作為系統(tǒng)電源。電池組由16只單體容量20 A·h的電芯串聯(lián)而成，通過BMS進(jìn)行管理，可對電池的過充電、過放電、過流短路、過溫等情況進(jìn)行保護(hù)；通過通信功能實時監(jiān)測電池電壓、剩余容量等參數(shù)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制器的軟件系統(tǒng)采用輕量級MQX實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)多任務(wù)的處理，控制清掃小車與換行小車之間進(jìn)行無線通信、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)等。

3.2.1 清掃小車程序設(shè)計

在系統(tǒng)運行過程中，清掃小車與換行小車進(jìn)行無線通信，互相發(fā)送RF無線命令，根據(jù)接收到的RF無線命令執(zhí)行下一步動作，清掃小車控制流程如圖7所示。

圖7 清掃小車控制流程圖

3.2.2 自動換行控制策略實現(xiàn)自動換行的關(guān)鍵在于，換行小車可以與各行組件準(zhǔn)確對齊，及時停車、鎖定或解鎖。圖8為換行小車控制流程圖。

圖8 換行小車控制流程圖

具體實現(xiàn)過程如下：一行組件清掃完畢，清掃小車返回至換行小車，清掃小車控制器發(fā)送RF消息隊列給換行小車控制器。換行小車控制器解析接收到RF無線數(shù)據(jù)，并輸出PWM信號，控制鎖緊機(jī)構(gòu)中的電動機(jī)，使銷軸退出錐孔座，換行小車解鎖，隨后，控制行走電動機(jī)轉(zhuǎn)動，使換行小車向第二行組件行走。在換行小車與第二行組件對齊前，RFID讀卡器首先讀取到第二行組件的RFID標(biāo)簽，串口接收到相應(yīng)消息隊列中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，換行小車控制器對其中的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，獲取目前換行小車所處位置，并使換行小車減速。在換行小車減速行走過程中，若磁性開關(guān)生效，則控制器控制行走電動機(jī)停轉(zhuǎn)，并讀取接近開關(guān)狀態(tài)。若接近開關(guān)生效，則控制器輸出PWM信號，控制鎖緊機(jī)構(gòu)中的電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，將銷軸推入錐孔座中，鎖定換行小車，使其始終保持與組件對齊。隨后，換行小車控制器發(fā)送RF消息隊列給清掃小車控制器，清掃小車控制器收到后解析數(shù)據(jù)，控制清掃小車行走至第二行組件上，開始清掃第二行組件。

當(dāng)清掃小車清掃完最后一行組件，回到換行小車上后，換行小車控制器識別出該行組件對應(yīng)的RFID標(biāo)簽，控制鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖，換行小車行走電動機(jī)反轉(zhuǎn)，返回至停止位。

4 樣機(jī)研制與試驗

根據(jù)上述設(shè)計，研制了清潔機(jī)器人樣機(jī)，并在地面光伏電站對整機(jī)工作流程、運行穩(wěn)定性、清潔效果等進(jìn)行了測試。

清掃小車縱向跨度為1650 mm，清掃速度為0.5 m/s，行走速度為0.13 m/s，換行小車行走速度為0.26 m/s，圖9為試驗現(xiàn)場。試驗結(jié)果顯示，所研制的清潔機(jī)器人運行穩(wěn)定，可以實現(xiàn)自動換行清掃，準(zhǔn)確可靠，且清掃效果顯著。圖10為在組件上灑塵土，機(jī)器人清掃一遍后的效果。

圖9 樣機(jī)試驗現(xiàn)場

圖10 清掃效果圖

5 結(jié)論

設(shè)計了光伏組件自動清潔機(jī)器人，包括清掃小車和換行小車。該機(jī)器人能夠自動換行清掃多行光伏組件，占地面積小，適用于地面有坡度且輕微不平整的光伏電站，彌補(bǔ)了現(xiàn)有光伏組件清潔機(jī)器人體積龐大、一臺機(jī)器人只能清掃一行光伏組件的不足。

給出了清潔機(jī)器人清掃運行控制策略，重點對清潔機(jī)器人的自動換行清掃進(jìn)行分析，利用MKW01Z128芯片的無線收發(fā)器，實現(xiàn)清掃小車和換行小車之間的無線通信，使其相互協(xié)調(diào)配合，完成自動換行清掃。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，設(shè)計的清潔機(jī)器人可自動換行清掃組件，清掃效果好，適用于大規(guī)模光伏電站。