吸尘式光伏清洁机器人的研制与实验研究

作     者：杨佳兴 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵波;蔚伟

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：分布式光伏 清洗机器人 CFD-DEM 参数优化 性能测试 

摘      要：在当今能源领域,分布式光伏电站作为清洁能源的关键组成部分,正在逐步崛起并发挥着关键作用。光伏组件的运维工作在光伏电站数量急剧增加的背景下变得日益困难。本文为了解决分布式光伏电站组件积灰清洗难题,研制了一款吸尘式光伏组件清洗机器人,可有效提高分布式光伏电站的清洁效率和维护便捷性。 在分析分布式光伏电站组件的安装特性基础上,探讨了光伏清洁机器人的设计需求。本研究提出了一个新型的可折叠吸尘式光伏清洁机器人的总体设计。该设计主要由行走机构、清扫机构和清洁滚刷三部分组成。提出了集起尘、输尘、集尘为一体的清洁机构,该结构可有效降低清洁过程中的二次污染率。建立了刷毛与灰尘间的力学模型,分析出对称螺旋式滚刷可以使灰尘颗粒向滚刷中心聚集。通过对比聚丙烯、尼龙、聚酯纤维材料的价格及物理特性,综合分析后选择尼龙制作滚刷的刷毛。 采用Engineering Discrete Element Method(EDEM)软件对对称螺旋式滚刷的螺旋角度进行优化,结果表明当螺旋角度为20°时,机器人将呈现出最佳的清洁效果。应用Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Model(CFD-DEM)耦合仿真对清洁机器人的输尘管道部分关键参数进行优化,经过单因素实验以及响应面实验求解出输尘管道的最佳设计尺寸为入口高度21.79mm,入口宽度300mm,出口高度35mm,出口宽度70mm。 对清洁机器人功能及硬件系统进行了设计,以单片机作为机器人的主控制器,结合其他辅助模块构成一套完整的硬件控制系统,可实现清洁机器人的功能需求。针对清洁机器人的功耗进行了分析,机器人清洁机身及辅助移动框架的功耗分别为420W和32W,其单次续航能力约为44min和144min。开发了上位机,实现了对清洁机器人的远程监测及控制。 搭建了清洁机器人性能测试实验台,测试了其吸尘性能、对不同条件下光伏发电功率提升率的影响以及姿态校正能力。结果表明,清洁机器人在150μm的灰尘粒径下仍具有良好的吸尘效果,吸尘率约为80%。随着灰尘粒径增加,吸尘性能有所下降。在干燥环境下,清洁机器人对不同密度积灰光伏组件的清扫均表现出显著的发电功率提升,分别达到10.46%、17.3%、29.4%。然而,在潮湿环境下清扫效果较差,仅使光伏组件发电功率提升约5%。姿态校正功能有效提升了机器人越过光伏组件时的稳定性,横向高度差对运行影响大,但姿态校正功能使得清洁机器人在越过组件后及时调整姿态,确保了其稳定运行。 本文通过对吸尘式光伏清洁机器人的机械结构进行了设计、优化及研制,开发了控制系统,经过对吸尘式光伏清洁机器人的测试,验证了清洁机器人的可行性,本文所设计的光伏清洁机器人可完成分布式光伏电站的积灰清洁工作。