摘 要：針對(duì)光伏電站中運(yùn)維使用的清掃機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)問題，提出一種盤刷式光伏清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。首先，在現(xiàn)有輪式機(jī)器人基礎(chǔ)上，將盤刷與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪集成為一體，設(shè)計(jì)緊湊型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中同步實(shí)現(xiàn)組件表面清掃，并對(duì)電機(jī)支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其次，采用四輪驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)盤刷式光伏清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟硬件。在屋頂光伏組件表面開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的盤刷式光伏清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足清掃需求，在夏季晴天天氣清掃一塊面積為2.44 m2的光伏組件，對(duì)比清掃前后光伏組件標(biāo)準(zhǔn)化的電氣特性，清掃后修正至標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下的最大功率提升約16.1%。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；光伏；太陽能發(fā)電；光伏清掃機(jī)器人；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程的加快［1-2］，屋頂分布式光伏系統(tǒng)也在快速開發(fā)和部署，已成為優(yōu)化中國(guó)能源供給結(jié)構(gòu)的重要途徑之一［1］。由于光伏組件長(zhǎng)時(shí)間在戶外環(huán)境暴露，不可避免地受表面異物主要包括灰塵、樹葉、鳥糞等）遮擋影響，極大地影響了光伏組件對(duì)太陽輻射能量的利用，從而降低了其光電轉(zhuǎn)換效率［3］。因此，對(duì)于嚴(yán)格管理的光伏電站，需定期進(jìn)行積灰清掃等運(yùn)維工作，以保持系統(tǒng)處于較高的發(fā)電性能水平。

目前，光伏清掃機(jī)器人已成為光伏電站清洗運(yùn)維的有效手段之一，利用清掃機(jī)器人配備的滾刷清掃光伏組件表面灰塵或雜質(zhì)，通過半自動(dòng)遙控、全自動(dòng)導(dǎo)航等方式控制機(jī)器人清掃過程，清潔效率高、人工強(qiáng)度小，可實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)維，可有效提升光伏組件的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，降低光伏電站的運(yùn)維成本［4］。當(dāng)前光伏清掃機(jī)器人類型主要包括軌道式、吸附式、履帶式幾種類型［4-6］。軌道式清掃機(jī)器人利用組件邊框作為運(yùn)動(dòng)軌道，適用于支架上組件規(guī)格、布局較為一致的光伏陣列清掃任務(wù)，因此靈活性不強(qiáng)，場(chǎng)地適應(yīng)能力有限［4］。吸附式光伏清掃機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)包括吸附機(jī)構(gòu)與毛刷，依靠?jī)?nèi)部多涵道風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)負(fù)壓吸附，其邊緣安裝有毛刷，利用吸附能力可在傾角較大的光伏組件表面進(jìn)行清掃，但多涵道風(fēng)扇結(jié)構(gòu)使機(jī)器人整體體積偏大，且吸附力較大時(shí)可能導(dǎo)致太陽電池隱裂［5］。履帶式光伏清掃機(jī)器人利用履帶作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人前端裝有滾刷，可在驅(qū)動(dòng)過程中對(duì)組件同步清掃［6］，適用于屋頂傾角更低的光伏陣列，且無需對(duì)組件邊框進(jìn)行改造或調(diào)整，但機(jī)器人整體體積及質(zhì)量較大，亦存在壓裂太陽電池的隱患。

綜上可見，現(xiàn)有光伏清掃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性有待提升，如何在保證清掃效果的同時(shí)具有更緊湊的輕量化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小其體積與質(zhì)量，已成為改進(jìn)光伏清掃機(jī)器人的方向之一［7］。本文在現(xiàn)有輪式機(jī)器人基礎(chǔ)上，提出一種盤刷式光伏清掃機(jī)器人，并設(shè)計(jì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過將盤刷與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪集成一體，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中同步實(shí)現(xiàn)組件表面清掃。該盤刷式光伏清掃機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊，可在多種安裝傾角的光伏陣列上執(zhí)行清掃任務(wù)。

1 本體與電機(jī)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所提盤刷式光伏清掃機(jī)器人本體三維模型如圖1所示。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要由清掃機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)組成。由于當(dāng)前光伏組件表面以光伏鋼化玻璃為主，清掃機(jī)構(gòu)中盤刷采用高密度細(xì)羊毛清潔布，將其粘貼于植絨自粘盤，可滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需摩擦力，亦便于長(zhǎng)期使用后更換盤刷。機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)與自粘盤，將4個(gè)自粘盤作為驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，自粘盤一側(cè)盤面粘貼有清潔布與光伏組件表面呈局部接觸，另一側(cè)通過螺釘與輪軸固定，輪軸通過聯(lián)軸器直連驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸。機(jī)器人連接機(jī)構(gòu)主要包括底盤、電機(jī)支架，其中電機(jī)支架將4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以對(duì)稱方式固定在底盤上，電機(jī)支架設(shè)計(jì)有折彎角度，由于電機(jī)軸與盤刷垂直安裝，使得盤刷表面與光伏組件表面呈較小角度。如圖2所示，在清掃過程中，盤刷式車輪與光伏組件接觸的一側(cè)受到與驅(qū)動(dòng)切向力相反方向的摩擦力，從而驅(qū)使機(jī)器人前進(jìn)、后退或旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人在光伏組件表面行駛的同時(shí)，盤刷底部的清潔布擦拭光伏組件以實(shí)現(xiàn)清潔功能。

考慮到盤刷式光伏清掃機(jī)器人在光伏組件上作業(yè)時(shí)需避免對(duì)組件沖擊振動(dòng)，防止造成太陽電池隱裂，因此對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求較高，結(jié)合機(jī)器人的清掃需求考慮，設(shè)計(jì)機(jī)器人最大移動(dòng)速度0.2 m/s，啟動(dòng)4 s內(nèi)達(dá)到額定運(yùn)行速度，因此機(jī)器人啟動(dòng)所需的加速度為：

[a=vmaxΔt] （1）

式中：[a]——機(jī)器人啟動(dòng)加速度，m/s2；[vmax]——機(jī)器人最大移動(dòng)速度（即輪外圓線速度），m/s；[Δt]——啟動(dòng)時(shí)達(dá)到額定速度耗時(shí)，s。

則機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪理論最大轉(zhuǎn)速[nmax]為：

[nmax=vmax2πr] （2）

式中：[nmax]——驅(qū)動(dòng)輪理論最大轉(zhuǎn)速，r/min；[r]——驅(qū)動(dòng)輪半徑，m。

同時(shí)由摩擦系數(shù)可求出各輪上所需的摩擦力[f]：

[f=μmg4] （3）

式中：[f]——摩擦力，N；[μ]——驅(qū)動(dòng)輪清潔布與光伏組件表面摩擦系數(shù)；m——機(jī)器人總質(zhì)量，kg；[g]——重力加速度，m/s2。

則單輪總驅(qū)動(dòng)力[F]為：

[F=f+ma4] （4）

式中：[F]——單輪總驅(qū)動(dòng)力，N。

可依據(jù)驅(qū)動(dòng)輪最大轉(zhuǎn)速求出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩[T]與功率[P0]：

[T=Frη] （5）

[P0=Frnmax9.549] （6）

式中：[T]——電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Nm；[η]——機(jī)械傳動(dòng)效率，取80%；[P0]——電機(jī)功率，W。

所設(shè)計(jì)的盤刷式清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量為2 kg，預(yù)留負(fù)載3 kg，經(jīng)摩擦角實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驅(qū)動(dòng)輪清潔布與光潔的光伏組件表面摩擦系數(shù)為0.64，驅(qū)動(dòng)輪半徑為50 mm。由式（5）計(jì)算得所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩約0.5 Nm，因此選取驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩0.637 Nm，型號(hào)JGB-520，額定功率為6 W。

1.2 電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于光伏清掃機(jī)器人需長(zhǎng)期進(jìn)行室外作業(yè)，因此電機(jī)支架選用耐腐蝕的304不銹鋼，該材料具有良好的成型性，被廣泛用于材料工藝性要求高的設(shè)備中［8］。304不銹鋼屈服強(qiáng)度為205 MPa，由于機(jī)器人自重較低，采用ANSYS靜力學(xué)分析電機(jī)支架的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于電機(jī)支架材料屈服強(qiáng)度，該電機(jī)支架完全滿足機(jī)械強(qiáng)度要求，不易發(fā)生形變。

由于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力為盤刷局部與光伏組件表面的摩擦力，為滿足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)要求，需分析機(jī)器人盤刷與光伏組件表面夾角對(duì)其驅(qū)動(dòng)性能的影響，而機(jī)器人盤刷與光伏組件表面夾角由電機(jī)支架折彎角度（即盤刷安裝角度）θ確定。如圖3所示，過大的盤刷安裝角度會(huì)導(dǎo)致清掃機(jī)器人重心偏高，在傾角較大的光伏組件表面易發(fā)生側(cè)翻，且過大的盤刷安裝角度會(huì)使盤刷與光伏組件間隙增大，導(dǎo)致清潔效率下降，故傾斜角度θ應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，此處設(shè)計(jì)2°、4°、6°共3種電機(jī)支架對(duì)盤刷安裝角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見3.1節(jié)。

2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的盤刷式光伏清掃機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路包括微控制器、四輪直流電機(jī)、編碼器接口電路、電源供電電路和藍(lán)牙通訊模塊共5個(gè)部分，硬件框圖如圖4所示，其中箭頭為信號(hào)傳遞方向。主控芯片采用STM32F407ZET6單片機(jī)，選用的JGB-520型直流電機(jī)采用驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向與速度控制。利用單片機(jī)引腳捕獲功能對(duì)電機(jī)編碼器反饋的方波信號(hào)進(jìn)行捕獲，并計(jì)算各電機(jī)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通訊模塊采用藍(lán)牙模塊與上位機(jī)通信，并預(yù)留USB串口。

盤刷式光伏清掃機(jī)器人由電池供電，考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電壓需12 V，四輪電機(jī)總功率為24 W，設(shè)計(jì)機(jī)器人續(xù)航時(shí)長(zhǎng)為3 h，因此選用12 V 6000 mAh聚合物鋰電池作為電源，此類電池具有能量密度高、無記憶效應(yīng)和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)［9］。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的盤刷式光伏清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。首先初始化機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)，由上位機(jī)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送指令至單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)指令獲取當(dāng)前運(yùn)動(dòng)模式、速度信息并設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式，之后等待上位機(jī)下一

次指令。單片機(jī)定時(shí)器中斷函數(shù)中依據(jù)所設(shè)置的運(yùn)動(dòng)模式和速度信息，由捕獲模塊反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算相應(yīng)速度誤差，采用離散比例積分微分控制（proportional-integral-derivative control，PID）調(diào)節(jié)各電機(jī)脈沖寬度控制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度閉環(huán)控制。

其中，采用定時(shí)測(cè)角法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速［10］：

[n=nmNTg] （7）

式中：[n]——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；[nm]——總脈沖數(shù)；[N]——編碼器線數(shù)；[Tg]——時(shí)間間隔，s。

相應(yīng)地，可估算機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)速度：

[v=2πrn=2πrnmNTg] （8）

式中：[v]——各盤刷線速度，mm/s。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 不同電機(jī)支架折彎角度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將1.2節(jié)中提出的3種不同盤刷安裝角度θ（2°、4°、6°）的電機(jī)支架依次安裝在盤刷式光伏清掃機(jī)器人上，分別在傾角為19°和28°縱向安裝的光伏組件上進(jìn)行測(cè)試，其運(yùn)行示意圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，[θ=2°]時(shí)清掃機(jī)器人在19°傾角的光伏組件上可平穩(wěn)運(yùn)行，但在28°傾角的光伏組件上由于摩擦力不足較難爬坡行駛；[θ=4°]時(shí)清掃機(jī)器人在19°傾角的光伏組件上可平穩(wěn)行駛，在前進(jìn)時(shí)基本不會(huì)偏離直線軌跡，但在28°傾角的光伏組件上沿組件短邊橫向行駛會(huì)偏離直線軌跡，且同樣因摩擦力不足較難沿組件長(zhǎng)邊爬坡行駛；[θ=6°]時(shí)清掃機(jī)器人在19°和28°傾角的光伏組件上均能平穩(wěn)運(yùn)行，且運(yùn)行軌跡偏差較小，以直線前進(jìn)時(shí)基本可按控制直線軌跡行進(jìn)。

分析結(jié)果可知，不宜選用盤刷安裝角度為2°的電機(jī)支架。從光伏組件安裝傾角方面考慮，由于華東地區(qū)大部分城市光伏組件安裝的年最佳傾角略小于所在緯度，以實(shí)驗(yàn)所在城市常州為例，該地區(qū)處于北緯31.47°，光伏組件安裝的最佳傾角約為28°［11-12］。為提升盤刷式光伏清掃機(jī)器人適用場(chǎng)景，應(yīng)選擇清掃機(jī)器人可正常作業(yè)平面傾角上限更高的安裝角度，故采用盤刷安裝角度為6°的電機(jī)支架。

3.2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試盤刷式光伏清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能，在傾角28°的光伏組件上進(jìn)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退運(yùn)動(dòng)測(cè)試。圖7為盤刷式光伏清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試過程，首先由上位機(jī)控制機(jī)器人從位置A向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置B，在位置B處右轉(zhuǎn)繼而向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置C，接著在位置C處左轉(zhuǎn)，繼而以后退方式到達(dá)點(diǎn)D，通過測(cè)試，所設(shè)計(jì)的光伏清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能滿足使用需求。

3.3 機(jī)器人清掃性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試盤刷式光伏清掃機(jī)器人對(duì)光伏組件清掃的效果，于2023年7月4日，晴天條件下在課題組戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)，實(shí)測(cè)機(jī)器人清掃前后光伏組件電流-電壓（I-V）特性，并按文獻(xiàn)［13］的方法修正至標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（standard test condition， STC）下對(duì)比分析，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化方法［13］為：

[Iref=IISC_stcISC] （9）

[Vref=V-（VOC-VOC_stc）+Rs_stc（Iref-I）] （10）

[Rs_stc=Vmpp_stc（ISC_stc-Impp_stc）ln1-Impp_stcISC_stc+Impp_stc（VOC_stc-Vmpp_stc）ISC_stc（ISC_stc-Impp_stc）ln1-Impp_stcISC_stc+I2mpp_stc]

（11）

式中：[Iref]——標(biāo)準(zhǔn)化后光伏組件電流，A；[I]——實(shí)測(cè)光伏組件電流，A；[ISC_stc]——光伏組件在STC下短路電流，A；[ISC]——實(shí)測(cè)光伏組件短路電流，A；[Vref]——標(biāo)準(zhǔn)化后光伏組件電壓，V；[V]——實(shí)測(cè)光伏組件電壓，V；[VOC]——實(shí)測(cè)光伏組件開路電壓，V；[VOC_stc]——光伏組件在STC下開路電壓，V；[Rs_stc]——光伏組件在STC下理論串聯(lián)電阻，Ω；[Vmpp_ref]——光伏組件在STC下最大功率點(diǎn)電壓，V；[Impp_ref]——光伏組件在STC下最大功率點(diǎn)電流，A。

該戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)中包含光伏組件I-V曲線測(cè)量?jī)x87715D、太陽輻照度計(jì)87110A/B、PT1000組件背板溫度傳感器、配套數(shù)采工控機(jī)［14］。實(shí)驗(yàn)中選用華東地區(qū)常見的黃棕土，將其隨機(jī)鋪撒在鈍化發(fā)射極和背面接觸技術(shù)（passivated emitter and rear contact， PERC）的單晶硅光伏組件表面，清掃面積約2.44 m2，該組件在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)測(cè)的STC下電氣參數(shù)如表1所示，光伏組件縱向安裝，組件傾角為28°，機(jī)器人沿組件縱向運(yùn)動(dòng)清掃。

圖8所示為運(yùn)用所設(shè)計(jì)的盤刷式光伏清掃機(jī)器人對(duì)光伏組件清掃前后組件表面異物分布情況。清掃后組件表面仍有少量異物（其原因是機(jī)器人盤刷在清掃過程中與組件接觸處將少量沙土壓實(shí)在組件表面，該問題可通過進(jìn)一步改進(jìn)盤刷結(jié)構(gòu)予以完善），但相比于清掃前，組件表面異物覆蓋面積已大幅減少。

圖9為清掃前后實(shí)測(cè)光伏組件I-V特性與功率-電壓（P-V）特性曲線及其標(biāo)準(zhǔn)化至STC后的對(duì)比結(jié)果。清掃前所測(cè)曲線相應(yīng)實(shí)測(cè)輻照度約為681 W/m2、組件背板溫度為54.7 ℃，清掃后所測(cè)曲線相應(yīng)實(shí)測(cè)輻照度為596 W/m2、組件背板溫度為46.1 ℃。在I-V特性曲線標(biāo)準(zhǔn)化過程中，首先利用表1中STC下組件電氣參數(shù)，由式（11）求出光伏組件在STC下理論串聯(lián)電阻，再將實(shí)測(cè)I-V特性曲線中[VOC、ISC]值代入式（9）、式（10）求出標(biāo)準(zhǔn)化后的I-V特性。清掃前由于組件中多個(gè)太陽電池被局部遮擋而失配，組件I-V特性呈多臺(tái)階形狀，P-V特性經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后得最大功率為410.9 W，經(jīng)盤刷式清掃機(jī)器人清掃后，組件I-V特性較先前有顯著恢復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)化后最大功率為477.2 W，STC下最大功率提升約16.1%，表明所設(shè)計(jì)的盤刷式光伏清掃機(jī)器人在清掃后對(duì)發(fā)電性能有一定提升。

4 結(jié) 論

針對(duì)屋頂光伏陣列表面清掃需求以及清掃機(jī)器人緊湊性結(jié)構(gòu)要求，本文提出一種新型的盤刷式光伏清掃機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。通過將盤刷與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪集成為一體，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中同步實(shí)現(xiàn)對(duì)組件表面的清掃，使其整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過對(duì)所提盤刷式光伏清掃機(jī)器人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下主要結(jié)論：

1）提出盤刷式光伏清掃機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，對(duì)盤刷安裝角度進(jìn)行對(duì)比分析。采用盤刷安裝角度[θ]分別為2°與4°的清掃機(jī)器人，由于驅(qū)動(dòng)所需摩擦力不足，在28°傾角的光伏組件上運(yùn)行偏離直線軌跡，而盤刷安裝角度θ為6°的清掃機(jī)器人在19°和28°傾角的光伏組件上均能平穩(wěn)運(yùn)行，運(yùn)行軌跡偏差較小，綜合考慮所在地光伏組件安裝最佳傾角，宜選用盤刷安裝角度為6°的電機(jī)支架。

2）設(shè)計(jì)清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟硬件。在傾角28°的光伏組件上進(jìn)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的盤刷式光伏清掃機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足基本驅(qū)動(dòng)需求。

3）于夏季晴天開展了機(jī)器人清掃性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了清掃前后光伏組件標(biāo)準(zhǔn)化I-V與P-V特性，結(jié)果表明，對(duì)于一塊面積為2.44 m2的光伏組件，清掃后標(biāo)準(zhǔn)化至STC下的最大功率提升約16.1%，證明采用所提盤刷式光伏清掃機(jī)器人進(jìn)行清掃后對(duì)組件發(fā)電性能有一定提升。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 國(guó)家發(fā)展改革委. 國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》的通知［EB/OL］. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-03/23/ content_5680759.htm.

National Development and Reform Commission. Notice of the National Energy Administration on the issuance of the“14th Five-Year Plan for modern energy system”［EB/OL］. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-03/23/conte nt_5680759.htm.

［2］ 許鳴吉， 沈磊， 李勝， 等. 計(jì)及綜合因素的光伏接入配電網(wǎng)優(yōu)選研究［J］. 電力工程技術(shù)， 2021， 40（2）： 46-52.

XU M J， SHEN L， LI S， et al. Optimization of photovoltaic access distribution network considering comperhensive" "factors［J］." "Electric" "power" "engineering technology， 2021， 40（2）： 46-52.

［3］ 寧會(huì)峰， 程榮展， 王偉志， 等. 積灰對(duì)光伏發(fā)電的影響及除塵效果實(shí)驗(yàn)研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2020， 41（11）： 120-125.

NING H F， CHENG R Z， WANG W Z， et al. Experimental study on influence of dust accumulation on photovoltaic power generation and dust removal effect［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（11）： 120-125.

［4］ 潘瞳， 孫文磊， 李紅， 等. 光伏組件智能清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2021， 42（7）： 146-151.

PAN T， SUN W L， LI H， et al. Design of photovoltaic panel intelligent cleaning robot［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（7）： 146-151.

［5］ 王林， 孫慧平， 汪金芝. 負(fù)壓吸附式無軌光伏板清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2022， 34（1）： 26-31.

WANG L， SUN H P， WANG J Z. Structural design of negative pressure adsorption trackless photovoltaic panel cleaning" "robot［J］." "Journal" "of" "Ningbo" "University" "of Technology， 2022， 34（1）： 26-31.

［6］ 丁坤， 黎彰， 張經(jīng)煒， 等. 基于分層代價(jià)地圖的光伏電站清掃機(jī)器人導(dǎo)航方法［J］. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 50（2）： 105-112.

DING K， LI Z， ZHANG J W， et al. Navigation method for cleaning robot of photovoltaic power station based on hierarchical" cost" map［J］." Journal" of" Hohai" University （natural sciences）， 2022， 50（2）： 105-112.

［7］ 董伯先. 淺析光伏電站清潔機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］. 太陽能， 2020 （3）： 46-50.

DONG B X. Analysis of the application of cleaning robot for PV power station［J］. Solar energy， 2020（3）： 46-50.

［8］ 惠文彬， 劉艷軍， 馬廷霞， 等. 注熱蒸汽干度測(cè)量及裝置設(shè)計(jì)［J］. 石油機(jī)械， 2017， 45（5）： 95-98， 102.

HUI W B， LIU Y J， MA T X， et al. Design of steam dryness" " "measurement" " "device［J］." " "China" " "etroleum machinery， 2017， 45（5）： 95-98， 102.

［9］ 黃凌鋒， 韓東梅， 黃盛， 等. 含有機(jī)硼的鋰離子電池聚合物電解質(zhì)的研究進(jìn)展［J］. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 2023， 12（6）： 1815-1830.

HUANG L F， HAN D M， HUANG S， et al. Research progress of polymer electrolytes containing organoboron for lithium-ion" "batteries［J］." "Energy" "storage" "science" "and technology， 2023， 12（6）： 1815-1830.

［10］ 李勇， 潘松峰. 基于DSP的M/T法測(cè)速研究［J］. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2018， 31（5）： 145-146.

LI Y， PAN S F. Research on M/T method based on DSP［J］. Industrial control computer， 2018， 31（5）： 145-146.

［11］ 李遙， 李照榮， 王小勇， 等. 基于斜面輻射組合計(jì)算模型的光伏陣列最佳傾角研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2022， 43（5）： 127-136.

LI Y， LI Z R， WANG X Y， et al. Research on optimum tilt angle for PV array based on combination models of calculating" solar" radiation" on" inclined" surface［J］." Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（5）： 127-136.

［12］ 陳維， 沈輝， 劉勇. 光伏陣列傾角對(duì)性能影響實(shí)驗(yàn)研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2009， 30（11）： 1519-1522.

CHEN W， SHEN H， LIU Y. The effect of tilt angle on performance of photovoltaic systems［J］. Acta energiae solaris sinica， 2009， 30（11）： 1519-1522.

［13］ LIU Y J， DING K， ZHANG J W， et al. Fault diagnosis approach for photovoltaic array based on the stacked auto-encoder" "and" "clustering" "with I-V" "curves［J］." "Energy conversion and management， 2021， 245： 114603.

［14］ CHEN X， DING K， ZHANG J W， et al. A two-stage method for model parameter identification based on the maximum power matching and improved flow direction algorithm［J］. Energy conversion and management， 2023， 278： 116712.

RESEARCH ON DESIGN OF STRUCTURE AND DRIVE SYSTEM OF

DISC-BRUSH PHOTOVOLTAIC CLEANING ROBOT

Zhang Jingwei1，Yang Jiao1，Gao Ruiguang1，2，Xiong Chengcheng1，Wang Haojun1，Ding Kun1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hohai University， Changzhou 213022， China；

2. Changzhou Key Laboratory of Photovoltaic System Integration and Production Equipment Technology， Changzhou 213022， China）

Abstract：Aiming at the lightweight design of the cleaning robot for the maintenance of solar photovoltaic （PV） power station， the structure and drive system of the disc-brush PV cleaning robot are proposed and designed. At first， based on the present wheel driven robot， the disc-brush is integrated with the drive wheel of robot， and a compact robot structure is designed. The cleaning of PV module surface and movement of robot can be realized simultaneously. The dimension of motor support is also optimized. Then， using the four-wheel drive mode， the hardware and software of drive system of the disc-brush PV cleaning robot are designed. The experiments on the surface of PV module on the rooftop are implemented. Experimental results show that the designed structure and drive system of disc-brush PV cleaning robot satisfy the cleaning requirements. On a sunny day in summer， a PV module with 2.44 m2 area is cleaned. Comparing the normalized current-voltage （I-V） characteristic of PV module before and after cleaning， the maximum power of PV module corrected to standard test condition （STC） is enhanced approximate 16.1% after cleaning.

Keywords：robotics； photovoltaics； solar power generation； photovoltaic cleaning robot； drive system