太陽(yáng)能清潔小車(chē)的設(shè)計(jì)

王儒卿 張鴻 江仲洋 程廉升 廉法博

遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧 鞍山 114000

引言

目前出現(xiàn)的清潔車(chē)基本都是中大型的用吹吸式或沖水式來(lái)清除垃圾，這些清潔車(chē)駕駛操作較為困難，往往需要專(zhuān)業(yè)人士駕駛工作，普及性不高，物力、人力消耗多，消耗能源多，并且基本上都只是對(duì)大路的清理，清潔范圍十分有限[1]。路邊或小路上等都無(wú)法用清潔車(chē)來(lái)清掃。所研究的太陽(yáng)能清潔小車(chē)?yán)锰?yáng)能工作，滿足了可持續(xù)性發(fā)展、綠色環(huán)保以及節(jié)能減排的要求。另外，本小車(chē)的遠(yuǎn)程遙控，操作簡(jiǎn)單，容易上手，從而減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，解放雙手，方便快捷，省時(shí)省力，來(lái)進(jìn)一步落實(shí)節(jié)能減排的要求。本小車(chē)制作成本低，不僅符合節(jié)能減排的要求，也有利于大量普及。

1 設(shè)計(jì)方案

太陽(yáng)能清潔小車(chē)主要分為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)四個(gè)部分組成。太陽(yáng)能清潔小車(chē)的solidworks 3D建模圖如圖1所示。

圖1 三維仿真建模圖

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板以及電池組成，工作模式下可以采用電池放電來(lái)工作，同時(shí)太陽(yáng)能板還可以進(jìn)行一定的充電；工作完成進(jìn)入休息模式時(shí)可通過(guò)太陽(yáng)能板給電池充電以備下次繼續(xù)使用，從而滿足可持續(xù)性發(fā)展、綠色環(huán)保以及節(jié)能減排的要求[2]。清潔系統(tǒng)包括垃圾箱、吸塵管、吸塵風(fēng)扇，過(guò)濾網(wǎng)等?？刂葡到y(tǒng)由遙控裝置組成，通過(guò)遙控手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的移動(dòng)和吸塵工作。動(dòng)力系統(tǒng)主要包括電機(jī)、變速器等，用于推動(dòng)小車(chē)移動(dòng)和完成吸塵工作。

機(jī)械部分三維設(shè)計(jì)如圖2所示，其中太陽(yáng)能板、底座和車(chē)身如圖1所示。

圖2 部件三維設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問(wèn)題[3]：①太陽(yáng)能電池板的選擇和布局：需要根據(jù)清潔小車(chē)的功率需求和工作時(shí)間等因素來(lái)確定太陽(yáng)能電池板的數(shù)量、型號(hào)和布局，以確保足夠的電量供應(yīng)。②驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：需要根據(jù)清潔小車(chē)的負(fù)載、行駛速度和路面狀況等因素來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括電機(jī)、減速器等部件。③清潔裝置的設(shè)計(jì)：需要設(shè)計(jì)電機(jī)，吸塵風(fēng)扇等部件，以滿足吸塵效果和工作效率的要求。④控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：根據(jù)遙控手柄的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔小車(chē)的遙控控制和運(yùn)行安全。⑤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化：需要優(yōu)化清潔小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有輕量化、緊湊、穩(wěn)定等特點(diǎn)，以提高工作效率和移動(dòng)性能。⑥安全性的考慮：需要考慮清潔小車(chē)在工作過(guò)程中的如密封性等安全性問(wèn)題。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

考慮到清潔小車(chē)工作狀態(tài)的整體吸塵清潔能力，選定太陽(yáng)能清潔小車(chē)外形尺寸為直徑×高為400mm×800mm的圓柱體結(jié)構(gòu)，并且太陽(yáng)能板安裝在筒壁外側(cè)?？傮w質(zhì)量約40kg。

首先，太陽(yáng)能電池板的選擇和安裝需要根據(jù)太陽(yáng)能清潔小車(chē)的功率需求，選擇合適的太陽(yáng)能電池板類(lèi)型（如單晶、多晶、薄膜等），并考慮其尺寸、轉(zhuǎn)換效率、成本、重量等因素。太陽(yáng)能電池板的安裝位置和角度也需要考慮，以保證最大化地接收太陽(yáng)輻射，并避免遮擋和反射的影響。

此外，需考慮太陽(yáng)能電池板類(lèi)型的選擇，目前行業(yè)中主要分為單晶、多晶以及薄膜太陽(yáng)能電池板。它們的轉(zhuǎn)換效率不同。單晶電池板的轉(zhuǎn)換效率一般在16%以上，多晶電池板的轉(zhuǎn)換效率一般在14%～16%之間，薄膜電池板的轉(zhuǎn)換效率一般在10%以下[4]。但是薄膜電池板有較好的弱光性能，即在清晨、傍晚或陰雨天等光照弱的情況下，仍能發(fā)揮較高的效率。電性能衰減不同。單晶和多晶電池板的衰減速度相對(duì)較慢，一般在25年內(nèi)衰減到80%以下。而薄膜電池板的衰減速度較快，一般在10年內(nèi)衰減到80%以下。價(jià)錢(qián)不同。單晶電池板的價(jià)格一般最高，多晶電池板的價(jià)格次之，薄膜電池板的價(jià)格最低。但是考慮到轉(zhuǎn)換效率、使用壽命等因素，單晶和多晶電池板的性價(jià)比可能更高。因此，本裝置采用單晶太陽(yáng)能電池板。

初選電池板尺寸為500mm*500mm的單晶太陽(yáng)能板。

則太陽(yáng)能板的發(fā)電量：

式中：S——太陽(yáng)能板面積，S=0.5×0.5=0.25m2；

IPCE——光電轉(zhuǎn)化效率，IPCE一般在16%～20%之間，取IPCE=18%；

FF——填充因子，F(xiàn)F=80%

2.2 吸塵系統(tǒng)

吸塵裝置主要由風(fēng)扇、吸塵裝置、灰塵收集箱和殼體4部分組成。殼體設(shè)計(jì)為一個(gè)直徑高為400mm×800mm的圓柱形箱體，將吸塵裝置置于該箱體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)良好的封閉性，從而增強(qiáng)清理效果。其次，為了更好地吸塵，我們將吸塵道口設(shè)計(jì)成“一”字形結(jié)構(gòu)，來(lái)擴(kuò)大吸塵面積，以增強(qiáng)吸塵效果。此外，內(nèi)置1個(gè)灰塵收集箱，通過(guò)管道連接到過(guò)濾網(wǎng)和吸塵口，使灰塵快速收集到箱體內(nèi)，以便集中處理。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

電機(jī)的功率匹配直接影響到小車(chē)的動(dòng)力性能。匹配合理的電機(jī)功率不僅可以延長(zhǎng)小車(chē)的行駛距離，同時(shí)也可以提高能源利用率。因此，在本小部分中，研究人員將考慮車(chē)輪電機(jī)在何種功率下運(yùn)行最佳。在傳動(dòng)系的傳動(dòng)比一定的情況下,電機(jī)的功率往往能夠影響其最高車(chē)速。所以在設(shè)計(jì)中一般都是以保證設(shè)計(jì)的最高車(chē)速來(lái)初步計(jì)算電機(jī)的功率。根據(jù)設(shè)計(jì)的最高車(chē)速目標(biāo), 太陽(yáng)能清潔小車(chē)備選的電機(jī)功率需要大于或等于該車(chē)以最高車(chē)速運(yùn)行時(shí)所有阻力功率的和。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)力:

式中：μ-摩擦系數(shù)，μ=0.3；

mg-清潔小車(chē)重量。

則小車(chē)電機(jī)功率為：

式中：Vmax-小車(chē)最大走行速度，Vmax=0.5m/s.

3 工作原理及性能分析

太陽(yáng)能清潔小車(chē)的工作原理是利用太陽(yáng)能板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)以及借助遙控手柄來(lái)達(dá)到小車(chē)移動(dòng)的目的。同時(shí)清潔小車(chē)還配備吸塵裝置，利用風(fēng)扇和吸塵管等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外小型道路（樓道、人行道），大型道路的路邊以及醫(yī)院等風(fēng)險(xiǎn)較高的不適合人工作業(yè)區(qū)域的垃圾清理工作。太陽(yáng)能清潔小車(chē)的工作流程圖如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能清潔小車(chē)工作流程圖

在性能方面，太陽(yáng)能清潔小車(chē)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)能環(huán)保。太陽(yáng)能是一種清潔的能源，使用太陽(yáng)能清潔小車(chē)可以減少化石燃料消耗，降低二氧化碳排放，來(lái)達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的要求。

（2）自主性強(qiáng)。太陽(yáng)能清潔小車(chē)對(duì)外部能源供應(yīng)依賴(lài)程度低，只需要在充足的陽(yáng)光下進(jìn)行充電就可以工作，具有較強(qiáng)的自主性。

（3）靈活性好。由于太陽(yáng)能清潔小車(chē)是輕量級(jí)設(shè)備，因此其靈活性很高，可以適應(yīng)不同場(chǎng)合的清潔需求。

（4）維護(hù)成本低。太陽(yáng)能清潔小車(chē)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低，因此維護(hù)成本相對(duì)較低。

4 結(jié)論

本小車(chē)配置了太陽(yáng)能光伏發(fā)電板，使其工作模式下可以采用電池放電來(lái)工作，同時(shí)太陽(yáng)能板還可以進(jìn)行一定的充電；工作完成進(jìn)入休息模式時(shí)可通過(guò)太陽(yáng)能板給電池充電以備下次繼續(xù)使用。

本小車(chē)在紅外傳感器與遙控裝置的作用下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，操作和控制簡(jiǎn)便，容易地使用它，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，解放雙手，方便快捷，省時(shí)省力，來(lái)進(jìn)一步落實(shí)節(jié)能減排的要求。

面向碳中和情景，迫切需要探索低碳能源技術(shù)路線，可再生能源高效利用是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑，太陽(yáng)能清潔小車(chē)?yán)每稍偕茉垂ぷ鳒p少了有碳?xì)怏w的排放。