研究發(fā)現(xiàn)，地表顆粒及人類活動(dòng)帶來(lái)的積灰是影響光伏電站發(fā)電量的重要因素[1-5]。采用清潔機(jī)器人對(duì)濰坊市某分布式光伏電站的組件進(jìn)行清潔，對(duì)比清潔前后的效果可以發(fā)現(xiàn)：大氣環(huán)境良好時(shí)，該電站的日發(fā)電量可提升近20%；大氣污染嚴(yán)重時(shí)，電站日發(fā)電量提升近40%。由此可見(jiàn)，組件的清潔度對(duì)發(fā)電量的影響至關(guān)重要。

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我國(guó)自2012年開(kāi)始對(duì)組件清潔技術(shù)展開(kāi)研究，將國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與國(guó)內(nèi)光伏電站相結(jié)合，研發(fā)出了多種機(jī)械式清潔技術(shù)。目前，機(jī)械式清潔(也稱為“清潔機(jī)器人”) 主要包括單排清潔、跨排清潔和便攜式清潔3 種技術(shù)路線，而跨排清潔和便攜式清潔均由單排清潔技術(shù)演變而來(lái)。本文對(duì)上述3 種清潔機(jī)器人技術(shù)路線進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述，并對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 清潔機(jī)器人的3種技術(shù)路線

1.1 單排清潔技術(shù)

單排清潔技術(shù)是指清潔機(jī)器人僅能完成一排光伏組件的清潔，不能越排。國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究最為深入，成果也較多，其中，高校和科研院所的研究主要集中在清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)等方面。巫江等[6] 研究了一種采用新型凸輪式清掃機(jī)構(gòu)的自動(dòng)除塵裝置，朱趙慧娟[7] 提出了一種絞纜式自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人；馬磊等[8] 研究了清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并提出了電源、角度、位置等模塊的控制原理；孫衛(wèi)紅等[9]、李園等[10]研究了清潔機(jī)器人的控制原理、組成及邏輯算法；王龍等[11] 研究了清潔機(jī)器人的零部件的輕量化設(shè)計(jì)。

目前，采用單排清潔技術(shù)并已得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品主要分為3 個(gè)方向，分別以南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“南京天創(chuàng)”)、以色列的Ecoppia Scientific Ltd.( 以下簡(jiǎn)稱“Ecoppia公司”)、南京索能多思智能科技有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“南京索能多思”) 等公司的產(chǎn)品為代表。

1) 以南京天創(chuàng)的產(chǎn)品為代表的清潔機(jī)器人目前應(yīng)用最為廣泛。生產(chǎn)該類產(chǎn)品的代表公司還有上海安軒自動(dòng)化科技有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“上海安軒”)、山東豪沃電氣有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“山東豪沃”)、北京中電博順智能設(shè)備技術(shù)有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“中電博順”) 等。該類產(chǎn)品由行走系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、電池和控制系統(tǒng)組成。其中，行走系統(tǒng)的4 個(gè)行走輪對(duì)稱布置在產(chǎn)品的上、下位置，用于完成前進(jìn)和后退，4 個(gè)行走輪可共用1 臺(tái)電機(jī)或每2 個(gè)行走輪共用1 臺(tái)電機(jī)，中電博順已實(shí)現(xiàn)“單輪單控”；導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品的限位和導(dǎo)向，防止因速度過(guò)快而使產(chǎn)品超出組件邊框。

該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時(shí)，清潔機(jī)器人的行走輪沿組件邊框行走，用于清潔的毛刷高速轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向與行走輪的行進(jìn)方向相反；毛刷在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，先將積灰從組件表面撣起，然后在毛刷的沖擊和旋轉(zhuǎn)氣流的共同作用下將積灰驅(qū)趕至組件縫隙處脫落。

該類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)時(shí)感知自身所在位置及電機(jī)、電池等核心部件的工作狀態(tài)，人機(jī)交互功能良好，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。但其最大的缺點(diǎn)在于行走系統(tǒng)對(duì)光伏組件安裝精度要求苛刻，一旦組件出現(xiàn)高低落差、傾斜安裝的情況，清潔機(jī)器人的行走輪很容易因行走不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致“自鎖”。各廠家都在探索解決該問(wèn)題的方式，但目前仍未完美解決。比如，上海安軒研發(fā)了履帶式清潔機(jī)器人，但履帶的壽命及上、下履帶的協(xié)調(diào)性并不理想；南京天創(chuàng)試圖在安裝清潔機(jī)器人之前先對(duì)組件進(jìn)行調(diào)整，但因前期工程費(fèi)用太高而無(wú)法進(jìn)行推廣；中電博順的“單輪單控”技術(shù)提高了清潔機(jī)器人的越障能力，基本解決了“自鎖”問(wèn)題，但性價(jià)比不高。

2) 以Ecoppia 公司生產(chǎn)的Ecoppia 清潔機(jī)器人[12] 為代表。該清潔機(jī)器人是由橫向行走輪、主體框架、縱向清潔裝置、拖曳電機(jī)、電池和控制系統(tǒng)組成，典型特點(diǎn)是行走方向與清潔方向?yàn)檎?，清潔機(jī)器人在行走方向上斷續(xù)進(jìn)行。該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時(shí)，清潔機(jī)器人的橫向行走輪沿專用導(dǎo)軌行走至未清潔的組件時(shí)停車；然后縱向清潔裝置啟動(dòng)，通過(guò)超細(xì)纖維毛刷旋轉(zhuǎn)并輔以氣流吹掃，自上而下對(duì)積灰進(jìn)行清潔；清潔完畢后，清潔機(jī)器人行走至其他未清潔的組件。該產(chǎn)品在沙塵較大的中東沙漠地區(qū)應(yīng)用廣泛，但由于其需要在橫向行走路徑上全程鋪設(shè)導(dǎo)軌，價(jià)格昂貴，因此性價(jià)比不高。

3) 以南京索能多思的產(chǎn)品為代表。該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案獨(dú)特，由驅(qū)動(dòng)與傳感系統(tǒng)、輸導(dǎo)裝置、臨時(shí)停車臺(tái)、清潔裝置組成。該產(chǎn)品的典型特色有2 點(diǎn)：一是清潔裝置無(wú)需自主轉(zhuǎn)動(dòng)，僅依靠輸導(dǎo)裝置的鋼絲繩拖動(dòng)前行；二是整套設(shè)備僅使用1 臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源取自其所在光伏陣列，并固定在陣列的某一端。

該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩拖曳著清潔裝置的毛刷和刮塵橡膠板將積灰向前推行，至組件間的縫隙時(shí)推落；當(dāng)傳感計(jì)數(shù)器達(dá)到閾值時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入散熱狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備正好到達(dá)停車臺(tái)；散熱結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，設(shè)備進(jìn)入“返回清潔”模式。由于單次清潔效果不明顯，在一個(gè)清潔周期內(nèi)通常需要多次清潔。

該產(chǎn)品在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下具有較大優(yōu)勢(shì)，尤其是在大幅面光伏電站，如建于農(nóng)業(yè)大棚上的光伏電站。目前，南京索能多思正在開(kāi)展智能化、遠(yuǎn)程監(jiān)控、閉環(huán)診斷等方面的研究，力圖解決產(chǎn)品在行走打滑、由于預(yù)緊力丟失造成的行走不協(xié)調(diào)甚至鋼絲繩斷裂等方面的技術(shù)難題。

1.2 跨排清潔技術(shù)

已進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用的跨排清潔技術(shù)主要有車載清潔式和擺渡車式2 種。

1) 車載清潔式機(jī)器人多采用有水清潔，清潔裝置安裝在工程車上，由工程車實(shí)現(xiàn)前后的跨排清潔。該類產(chǎn)品的代表廠家為青島昱臣智能機(jī)器人有限公司、重慶太初新能源有限公司等[13-14]。由于該類產(chǎn)品的體型笨重，因液壓系統(tǒng)無(wú)法自適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌，清潔裝置易對(duì)組件造成損壞，因此主要適用于我國(guó)西北部地勢(shì)相對(duì)平坦的光伏電站，但這類地區(qū)水資源相對(duì)匱乏，因此使用該類產(chǎn)品有一定的局限性。

2) 擺渡車式清潔機(jī)器人主要由清潔機(jī)器人、擺渡車及軌道等附屬設(shè)施組成。目前該類產(chǎn)品僅在少數(shù)分布式光伏電站應(yīng)用，而在地面光伏電站的應(yīng)用仍處于樣機(jī)試驗(yàn)階段，這是因?yàn)椴捎迷摷夹g(shù)的現(xiàn)場(chǎng)施工量大、施工周期長(zhǎng)，對(duì)軌道載體的平整度要求高，復(fù)雜的環(huán)境和地形地貌會(huì)導(dǎo)致成本陡增，且設(shè)備易發(fā)生傾覆。該類產(chǎn)品受限于性價(jià)比、環(huán)境適應(yīng)性及穩(wěn)定性等問(wèn)題，發(fā)展前景不樂(lè)觀。

3) 除上述2 種已規(guī)?；瘧?yīng)用的跨排清潔技術(shù)外，還有一種新研發(fā)但尚未量產(chǎn)的專門針對(duì)平單軸跟蹤系統(tǒng)研發(fā)的跨排清潔技術(shù)。這一技術(shù)的典型特點(diǎn)是軌道安裝在平單軸跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，完全擺脫了軌道對(duì)地面的依賴[15]。清潔時(shí)，首先由清潔機(jī)器人與平單軸跟蹤系統(tǒng)交互確認(rèn)，當(dāng)平單軸跟蹤系統(tǒng)與軌道角度一致時(shí)，清潔機(jī)器人從軌道行進(jìn)至組件上進(jìn)行清潔。該技術(shù)可適應(yīng)前后排組件6 個(gè)自由度方向上的大范圍偏差，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量包絡(luò)性強(qiáng)，可匹配所有型號(hào)的清潔機(jī)器人，具備適用性廣、制作成本低等特點(diǎn)。目前該技術(shù)也已展開(kāi)相關(guān)樣機(jī)的試驗(yàn)工作。

1.3 便攜式清潔技術(shù)

分布式光伏電站存在障礙物多、排布不規(guī)則的問(wèn)題，單排和跨排清潔機(jī)器人都無(wú)法完全清潔整個(gè)電站，但便攜式清潔機(jī)器人可解決這一難點(diǎn)。

采用便捷式清潔技術(shù)的廠家有日本的SinfoniaTechnology Co., Ltd.( 以下簡(jiǎn)稱“Sinfonia”)、深圳創(chuàng)動(dòng)科技有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“深圳創(chuàng)動(dòng)”)、深圳晟鑫科技有限公司等。該類產(chǎn)品具有對(duì)障礙物適應(yīng)性強(qiáng)且隨到隨洗的特點(diǎn)，日益得到電站業(yè)主的青睞。

便攜式清潔機(jī)器人是在組件表面爬行過(guò)程中通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的毛刷來(lái)對(duì)組件表面進(jìn)行清潔，通過(guò)行走輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。為防止清潔機(jī)器人從組件上跌落，多以人工現(xiàn)場(chǎng)控制為主，個(gè)別廠家正在研發(fā)基于視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的位置判斷技術(shù)。

但便攜式清潔機(jī)器人存在電池容量小的缺點(diǎn)，單塊電池僅能清潔容量為0.8 MW 的組件；此外，在機(jī)器人清潔期間仍需要人工遙控指揮，智能化水平有待提高。

2 清潔機(jī)器人技術(shù)存在的問(wèn)題及技術(shù)發(fā)展方向

2.1 存在的問(wèn)題

目前，所有廠家都致力于提高清潔機(jī)器人的越障和抗“自鎖”能力，并研發(fā)了多種方案，比如，分散驅(qū)動(dòng)、新型傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，但還未找到高性價(jià)比的解決方案。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)清潔機(jī)器人傾斜導(dǎo)致導(dǎo)向輪正壓力過(guò)大及行走輪越障能力不足時(shí)，其易發(fā)生“自鎖”。針對(duì)這一問(wèn)題，一種可能的解決方案是：通過(guò)建立空間力系的平衡方程，優(yōu)化毛刷分布密度、長(zhǎng)度和硬度，行走輪直徑和間距，導(dǎo)向輪數(shù)量、間距和直徑，以及機(jī)器人框架的尺寸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩等參數(shù)，并輔以電機(jī)控制算法，及時(shí)感知和調(diào)整行走輪狀態(tài)，避免產(chǎn)生“自鎖”。

2.2 技術(shù)發(fā)展方向

對(duì)光伏組件進(jìn)行清潔的清潔機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景：針對(duì)光伏電站的形式研發(fā)適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的清潔機(jī)器人，場(chǎng)景可細(xì)分為大傾角式、平鋪式、大幅面平鋪式、平單軸跟蹤系統(tǒng)等。

2) 深入優(yōu)化設(shè)計(jì)：研發(fā)方向集中在輕量化設(shè)計(jì)、零部件選材、驅(qū)動(dòng)方式及算法、充電方式、越障算法等方面。

3) 智能化：為清潔機(jī)器人建立云平臺(tái)，共享設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、電站發(fā)電量、大氣環(huán)境等大數(shù)據(jù)，輔以機(jī)器自學(xué)習(xí)算法，以提高設(shè)備的智能化。

3 結(jié)論

本文針對(duì)用于光伏組件清潔的清潔機(jī)器人，介紹了單排清潔、跨排清潔和便攜式清潔3種技術(shù)路線，并闡述了各種技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)；最后對(duì)清潔機(jī)器人的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。