光伏清扫机器人静止状态对光伏电池板的影响

单诗涵， 廖 皓， 刘 聪， 周楚昂

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072）

0 引言

随着太阳能光伏电站的建设，影响电站发电效率的问题逐渐被发现，其中能够人为降低其影响的有光伏板的倾角与光伏板表面的清洁度。光伏组件的倾角直接影响发电量；同时大型光伏电站大多处于地广人稀的荒漠或丘陵地带，由于其所在环境的限制，风沙带来的灰尘杂物会附着在其表面，减少了光伏板受光照面积，同时导致组件表面升温，一些腐蚀性质的杂物也会对组件表面造成损伤，从而影响面板的转换效率，影响发电量[1-3]。

随着工业机器人的广泛应用，利用机器人来进行大规模作业的相关技术逐渐被研究人员重视起来。光伏清扫机器人作为清扫灰尘最有效的手段，其对光伏电站发电量的提升是显著的。王超等设计了一款基于嵌入式微处理器的太阳能电池板清扫机器人，完成了对机器人的整体设计和控制系统的软硬件设计[4]；李晓锟设计了一款全向移动式机器人，并完成了清扫轨迹的规划，实现了对光伏板全覆盖的自主清扫任务[5]。如今人们主要集中在对机器人进行结构设计与软件规划，忽视了将机器人与光伏电池板进行一体的分析，根据现场调查研究发现，机器人在运行时，随着倾角以及支撑檩条位置的不同，对光伏电池板的压力也不同，基于上述研究对此类情况展开分析。

1 机器人概述

在不进行清扫作业时，机器人停留在停靠站上，此时机器人重量都由外加的框架承担，对光伏板没有影响。当机器人进行作业时，会有各种突发情况使得机器人会停留在光伏板上，此时机器人的全部重力都施加在光伏板上，会对光伏板造成影响，需要关注分析此时机器人的重力分配情况。

1.1 压力分析与计算

当机器人停留在光伏电池板上方时，作用力主要分配在与光伏板直接接触的驱动轮或挂轮处，现场根据机器人结构的不同，分类不同的承重方式。如图1所示：

图1 重力分配

式中：α 为光伏板倾角；m0为框架和清扫部分质量；m1为上部组件质量；m2为末端组件与控制部分质量。

2 仿真分析

2.1 模型建立

使用CAD 软件Solidworks 进行机器人与光伏板模型的建立，具体见图2。对关注的零部件装配关系进行全局变量控制，避免重复建模。根据现场情况，支撑檩条与光伏电池板之间的安装位置是影响分析的关键因素，故对其进行控制，变量定义为Ds_JUli。

图2 仿真模型

2.2 分析方法

在实际情况中，机器人会有两种承重方式，分别为机器人的两侧主体为主要承力部件，中间部分为轻载部件，光伏组件受力集中于上侧组件上边框及下侧组件下边框以及机器人承力部件位于中部，光伏组件受力集中于中间组件边框上；将CAD 与CAE 软件联接后变量参数化，通过Parameters 模块来实现两种情况下不同倾角的分析，比对不同情况下光伏电池板的受力情况。

与清扫机器人直接接触的是光伏板的铝合金框架部分，根据铝合金性能可知塑性变形是其主要的破坏方式；所以选择第四强度理论判断光伏板的静力学性能，选择Von-Mises 等效应力作为判定准则。

Von-Mises 表达式：

强度条件：

2.3 前处理

机器人与光伏电池板直接接触的四个驱动轮为橡胶材质，采用Ogden 本构模型；两侧挂轮为尼龙材质与聚氨酯材质，使用线弹性模型；光伏板边框为铝合金材质。材料参数见表1。

表1 材料参数

轮胎与光伏电池板设置为摩擦接触，支撑檩条与光伏电池板设置为绑定接触，模型在CAD 软件中装配好后可能存在接触间隙，设定Interface Treatment 或Pinball Region 选项来避免错误。边界条件设定根据重力分配计算，设置在垂直于接触面且向下方向。

在进行网格划分时，进行多方法多尺寸划分，以Element Quality 为判断准则，Aspect Ratio 为参考，调整相关性，完成网格无关性的检查。

2.4 后处理

根据现场光伏电站的安装形况，分析支撑檩条距离边框0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1 m 以及光伏板倾角为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°情况下光伏板的影响。

X 轴为光伏板倾角、Y 轴为变形量或等效应力，分析两端承重下机器人对光伏板的影响，由图3、图4可知，光伏板变形量与应力随着倾角的增大逐渐减小，在距离为0.2 m 时，光伏板变形量处于0.8 m 与0.6 m之间，波动较大，造成这种原因的可能是支撑檩条距离光伏板边框距离过近，在后续优化设计中，在综合应力的情况下需要注意此距离下的光伏板变形量。

图3 两端承重变形量

图4 两端承重应力图

中间承重情况下光伏板的变形和应力趋势与两端承重下的趋势大体相同，都是随着倾角的增加，变形量与应力也随之减小。具体见图5、图6。

图5 中间承重变形量

图6 中间承重应力图

综合两种情况，从变形量与应力两个角度来看，两端承重，中间轻载的机器人结构对光伏板的破坏性是最小的，且最大应力为67.3 MPa，远小于铝合金材质的屈服强度，光伏板处于安全状态。

依据《钢化玻璃国家标准》（GB15763.2）规定的玻璃多曲变形包含弓形变形以及波形变形要求，其中弓形时应不超过0.5%，波形时应不超过0.3%；而本次仿真模型中所使用的大尺寸模型，弓形弯曲量应在11.3 mm 以下，波浪弯曲应在6.8 mm 以下，判断所分析出的数据，机器人的两侧主体为主要承力部件，中间部分为轻载部件，光伏组件受力集中于上侧组件上边框及下侧组件下边框时，所有支撑檩条在距离光伏板边框不同距离的装配方式，在不同典型倾角状态下都可达到要求，本项目仿真所采用的低碳钢化玻璃屈服极限为84 MPa，在所有情形下也都可达到要求。机器人承力部件位于中部，光伏组件受力集中于中间组件边框上时，在支撑檩条在距离光伏板边框1 000 mm 时，变形有略微超出，应避免此类工况下1000 mm的装配。

平单轴追光系统，在0～40°情况下，组件边框距离支撑檩条距离为0.2～1.0 m 情况下，此种情形为上述俩种情形的组合情况，与中间部件承重相比，两端承重在组件边框距离支撑檩条距离为400 mm 以及支架支撑角度为40°的情形下，光伏板变形最小，仅0.482 mm，推荐此类装配方式。

3 支架改进

根据仿真结果，虽然光伏电池板的铝合金框架可以承受清扫机器人的重量并处于安全状态、但是上层变形量过大可能会影响到下层的电池片等构件。

依据光伏电站现有的支撑框架，在尽量避免大规模改造的前提下，对现有的支架进行优化。在现有的光伏板两侧添加铝制框架结构，清扫机器人作业时直接在框架上运行，在最大程度上避免对光伏电池板的伤害的同时，减少改造花费。具体见图7、图8。

图7 铝合金框架设计

在某光伏电厂的实际应用中，应用了改良的铝合金框架，清扫机器人在运行时以更稳的姿态运行在光伏电池板上，且由于框架与支撑檩条等支架焊接在一起，轮胎等主要施力部位与框架接触，不会作用在光伏板上，只有滚刷在运行清扫时与光伏板接触，很大程度上避免了光伏板受损问题。

4 结论

基于对光伏电池的实地考察，以及现有的研究的不足提出分析清扫机器人对光伏板的影响。结果表明不同承重结构机器人在不同装配条件下机器人对光伏电池板进行清扫作业时产生的影响，根据分析数据生成与机器结构、组件排布方式、倾角、支撑点等变量相关联的静态受力公式，为现在有光伏电站调整支架结构、采购清扫机器人种类提供了参考；并提出了一种基于现有结构的改良方案，为大型光伏电站应用清扫机器人提供了思路。