CN110576016A - 太阳能光伏板清扫机器人及清扫方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能光伏板清扫机器人及清扫方法，包括行走机构和爬升机构；所述行走机构包括矩形框架，在矩形框架的前边框和后边框上分别连接有辊刷支架，辊刷支架上设置有辊刷和辊刷驱动装置，在辊刷的内侧设置有吸尘嘴，吸尘嘴与设置在矩形框架上的吸尘泵连接；在矩形框架的下面固定设置有横向行走轮，横向行走轮与横向行走驱动装置连接；矩形框架的上面固定设置有龙门架，在龙门架下方、矩形框架内侧设置有爬升机构，龙门架与爬升机构之间通过升降装置连接，所述爬升机构包括纵向行走驱动装置、纵向行走轮和吸盘，所述吸盘与设置在矩形框架上的真空泵连接。该清扫机器人及清扫方法可实现对光伏板表面灰尘自动清扫和路径规划，移动灵活，工作效率高，能有效应用于多种光伏发电场所，是一种智能化的光伏电池板清扫装置和方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏板清扫机器人及清扫方法，属于太阳能光伏电站运营维护技术领域。
背景技术
随着传统化石能源的逐渐枯竭和人们对环境污染问题的日益关注，太阳能光伏发电作为主要绿色能源之一越来越多的得到应用，太阳能发电站的规模也达到了前所未有的程度。然而在光伏电站实际运行过程中由于长期暴露在户外，空气中的灰尘微小颗粒很容易积聚在光伏板表面形成积灰，导致光伏组件发电效率降低，给光伏发电企业带来巨大的经济损失。因此，太阳能光伏板的清扫清洁成了光伏电站运行维护的重要课题。
传统的清洁方式以人工擦拭和清水清洗为主，效率较低且成本较高，而且受到环境和地域限制。近年来，国内外已经研发出了一些用于光伏板清洗的机器人，如以色列开发的机器人Ecoppia E4和日本未来机械公司研制的太阳能电池板清扫机器人，虽然都可以应用于太阳能光伏板的清扫，但是价格昂贵，普及型不高。国内开发的车载式清扫机器人利用滚刷和吸尘系统对光伏组件进行无水清洗，整体笨重不够灵活，不利于山区或沙漠地区使用，更不能应用于与建筑物屋顶结合的光伏建筑一体化BIPV类型的光伏电站。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种太阳能光伏板清扫机器人及清扫方法。该清扫机器人可实现对光伏板表面灰尘自动清扫，移动灵活，工作效率高，能有效应用于多种光伏发电场所，是一种智能化的光伏电池板清扫装置。
本发明的技术方案为：太阳能光伏板清扫机器人，包括行走机构和爬升机构；所述行走机构包括矩形框架，矩形框架包括前边框、后边框、左边框、右边框，在前边框和后边框上分别连接有辊刷支架，辊刷支架上设置有辊刷和辊刷驱动装置，在辊刷的内侧设置有吸尘嘴，吸尘嘴与设置在矩形框架上的吸尘泵连接；在矩形框架的下面固定设置有横向行走轮，横向行走轮与横向行走驱动装置连接；矩形框架的上面固定设置有龙门架，在龙门架下方、矩形框架内侧设置有爬升机构，龙门架与爬升机构之间通过升降装置连接，所述爬升机构包括纵向行走驱动装置、纵向行走轮和吸盘，所述吸盘与设置在矩形框架上的真空泵连接。
进一步的，所述爬升机构还包括左端板、右端板，左端板与右端板分别与矩形框架的左边框和右边框平行，左端板与右端板的顶面通过支撑梁固定连接，支撑梁的中心与所述升降装置固定连接；所述左端板与右端板分别与矩形框架的左边框和右边框通过垂直导向轴活动连接，在左端板和右端板的底面分别固定设置有所述纵向行走轮，在左端板上设置有所述纵向行走驱动装置；在所述左端板和右端板之间相对的侧面中心还设置有丝杆，丝杆通过轴承座与左端板和右端板转动连接；在所述丝杆的两侧还对称设置有两根光轴，光轴与丝杆平行，光轴两端通过光轴座与左端板和右端板固定连接；在左端板与右端板之间还平行设置有连接板，连接板的侧面中心固定设置有丝杆螺母，连接板的侧面两端固定设置有直线轴承，所述丝杆穿过丝杆螺母并与丝杆螺母配合连接，所述光轴穿过直线轴承并与直线轴承配合连接；在所述连接板的底面还固定设置有所述吸盘。
进一步的，所述升降装置为电动推杆。
进一步的，所述辊刷驱动装置包括第一电机，第一电机的输出轴上设置有第一驱动齿轮，在辊刷的一端设置有第一被动齿轮，第一驱动齿轮与第一被动齿轮啮合传动连接。
进一步的，所述横向行走驱动装置包括第二电机，第二电机的输出轴上设置有第二驱动齿轮，横向行走轮的外侧同轴设置有第二被动齿轮，第二驱动齿轮与第二被动齿轮啮合传动连接。
进一步的，所述纵向行走驱动装置包括第三电机，第三电机的输出轴上设置有第三驱动齿轮，所述丝杆的左端部设置有第三被动齿轮，第三驱动齿轮与第三被动齿轮啮合传动连接。
进一步的，所述垂直导向轴两端通过支座与左端板和右端板的顶面和底面固定连接，在矩形框架的左边框和右边框上固定设置有直线轴承，垂直导向轴穿过直线轴承并与直线轴承配合连接。
进一步的，在所述矩形框架的前、后、左、右边框下面均设置有光电开关。
进一步的，在所述左端板和右端板的内侧设置有接近开关。
进一步的，在所述矩形框架上还设置有蓄电池和控制系统，所述蓄电池和控制系统、吸尘泵、真空泵位于龙门架的一侧，所述横向行走驱动装置位于龙门架的另一侧。
太阳能光伏板清扫机器人清扫方法，清扫步骤为：首先将所述清扫机器人放置到待清扫的光伏板上，且清扫机器人的左边框与光伏板的下边缘保持平行，打开电源，启动吸尘泵，启动辊刷驱动装置，启动横向行走驱动装置，清扫机器人开始在横向行走经过的光伏板上进行灰尘清扫；当到达光伏板的侧边边缘时，吸尘泵、辊刷驱动装置、横向行走驱动装置停止工作，然后所述升降装置开始下降，使爬升机构的吸盘与光伏板紧密贴合，真空泵启动，使吸盘牢固吸附在光伏板上，升降装置继续下降，纵向行走轮与光伏板接触，升降装置继续下降，横向行走轮脱离光伏板，接着启动纵向行走驱动装置，清扫机器人开始纵向向上爬坡；纵向行走一定距离后，真空泵停止并充气，爬升机构的纵向行走轮和吸盘脱离光伏板，横向行走轮重新与光伏板接触，清扫机器人反方向横向行走并清扫，重复上述动作。
本发明的积极有益效果：通过行走机构和爬升机构的机械结构设置和控制系统控制，可使清扫机器人按照预定程序在光伏板上行走，通过双向辊刷和吸尘嘴对光伏板上的灰尘进行有效清扫和收集，可覆盖全部光伏板，由于整体机身轻便，运动灵活，不会对光伏板造成伤害，清扫工作效率高，可适用于不同规模不同安装地点的光伏电站。
附图说明
图1 本发明的整体结构立体示意图。
图2 本发明的整体结构正视图。
图3爬升结构立体示意图。
图4爬升结构正视图。
图5 机器人工作过程示意图。
图6 控制系统的总体结构框图。
图中标记：1行走机构，10矩形框架，11前边框，12后边框，13左边框，131第二电机，132第二驱动齿轮，133第二被动齿轮，134横向行走主动轮，135横向行走被动轮，14右边框，15龙门架，16电动推杆，17辊刷支架，171辊刷，172第一电机，173第一驱动齿轮，174第一被动齿轮，18蓄电池，19真空泵，20吸尘泵，21吸尘嘴，22直线轴承，3爬升机构，31左端板，32右端板，33支撑梁，34光轴，341光轴座，342直线轴承，35丝杆，351丝杆螺母，36连接板，37吸盘，38纵向行走轮，39垂直导向轴，391导向轴支座，40第三电机，41第三驱动齿轮，42第三被动齿轮。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的说明，其中“前、后、左、右、上、下”等字眼是为了描述清楚各部件之间的相对位置关系；“第一、第二”等字眼是为了区别各个部件的名称，并非特定顺序关系。
如图1-4所示，一种太阳能光伏板清扫机器人，包括行走机构1和爬升机构3；所述行走机构包括矩形框架10，矩形框架10包括前边框11、后边框12、左边框13、右边框14，前边框和后边框分别连接有辊刷支架17，辊刷支架上设置有辊刷171和辊刷驱动第一电机172，第一电机172的输出轴上设置有第一驱动齿轮173，在辊刷171的一端设置有第一被动齿轮174，第一驱动齿轮173与第一被动齿轮174啮合传动连接，第一电机驱动辊刷旋转清扫灰尘；在辊刷171的内侧设置有吸尘嘴21，吸尘嘴21与吸尘泵20连接，将清扫后的灰尘吸入储尘袋中。
在矩形框架10的下面固定设置有四个横向行走轮，其中靠近前边框的是两个横向行走主动轮134，靠近后边框的是两个横向行走被动轮135，在横向行走主动轮134上方的矩形框架上设置有第二电机131，第二电机131的输出轴上设置有第二驱动齿轮132，横向行走主动轮134的外侧同轴设置有第二被动齿轮133，第二驱动齿轮132与第二被动齿轮133啮合传动连接，第二电机驱动行走机构带动辊刷横向行走。
在矩形框架10的上面固定设置有龙门架15，在龙门架下方、矩形框架内侧设置有爬升机构3，龙门架15与爬升机构3之间通过升降装置电动推杆16连接，电动推杆16可驱动行走机构1和爬升机构3之间的相对位移。
所述爬升机构3包括左端板31、右端板32，左端板与右端板为C形，开口向外，分别与矩形框架的左边框和右边框平行，左端板与右端板的顶面通过支撑梁33固定连接，支撑梁与左端板和右端板垂直，支撑梁的中心与电动推杆16的下端固定连接；所述左端板31与右端板32分别与矩形框架的左边框13和右边框14通过垂直导向轴39活动连接，垂直导向轴39的上下两端通过导向轴支座391与左端板和右端板的顶面和底面固定连接，在矩形框架的左边框13和右边框14上固定设置有直线轴承22，垂直导向轴39穿过直线轴承22并与直线轴承配合连接，左端板和右端板上分别设置两个导向轴，爬升机构和行走机构沿导向轴方向可相对移动。
在左端板31和右端板32的底面分别固定设置两个纵向行走轮38，在左端板和右端板之间相对的侧面中心还设置有丝杆35，丝杆35通过轴承座与左端板和右端板转动连接；在丝杆35的两侧还对称设置有两根光轴34，光轴34两端通过光轴座341与左端板和右端板固定连接；在左端板与右端板之间还平行设置有L形连接板36，连接板36的侧面中心固定设置有丝杆螺母351，连接板36的侧面两端固定连接有直线轴承342，所述丝杆35穿过丝杆螺母351并与丝杆螺母配合连接，所述光轴34穿过直线轴承342并与直线轴承配合连接；在连接板36的底面还固定设置有吸盘37，吸盘37与真空泵19连接；在左端板31上还设置有第三电机40，第三电机40的输出轴上设置有第三驱动齿轮41，丝杆35的左端部设置有第三被动齿轮42，第三驱动齿轮41与第三被动齿轮42啮合传动连接；当吸盘吸住下面的光伏板使连接板固定后，第三电机驱动丝杆旋转，可带动爬升机构前进或后退。
在所述矩形框架上还设置有锂电蓄电池18和控制系统，所述蓄电池18、吸尘泵20、真空泵19位于矩形框架上的龙门架的一侧，两个第二电机131及配套齿轮位于龙门架的另一侧，可以保持龙门架的平衡。
在矩形框架的前、后、左、右边框上设置有光电开关，在左端板和右端板的内侧设置有接近开关。
工作原理：控制第二电机的转动，通过齿轮啮合传动带动横向行走轮转动，可使行走机构前进或后退，可使清扫机器人沿着光伏板横向行走，在行走的过程中，前方的辊刷在第一电机的驱动下转动，对灰尘进行清扫，同时通过辊刷后侧的吸尘嘴将灰尘吸到储尘袋中；当机器人横向运动到光伏板的边缘时，光电开关给出信号，横向运动停止，电动推杆启动，首先推动爬升机构下降，使爬升机构连接板上的吸盘与光伏板接触，然后真空泵启动，使吸盘牢固吸附在光伏板上，进而连接板被固定不动，此时爬升机构继续下降，使得纵向行走轮与光伏板接触；然后电动推杆继续运动，推动龙门架带动行走机构上升，使得横向行走轮脱离光伏板一定距离后，电动推杆停止；接着第三电机旋转，通过齿轮驱动丝杆旋转，进而带动爬升机构和行走机构整体向上爬升，当左端板快接近到连接板时，接近开关给出信号，第三电机停止；然后推杆电机反向旋转，行走机构下降，横向行走轮接触光伏板，真空泵停止，吸盘充气，电动推杆继续动作，将爬升机构向上提升，使纵向行走轮脱离光伏板，电动推杆停止；然后行走机构反方向横向行走，重复上述动作。
具体工作过程是：行走机构带动清扫机器人在光伏板上沿水平方向向前行走，行走的同时由辊刷和吸尘泵对光伏板表面进行清扫；当走到光伏组件尽头时，光电开关传感器检测到光伏组件边缘，机器人停止前进和清扫，由爬升机构将机器人向上提升一个工位；向上爬行结束后，机器人会朝反方向水平前进，前进的同时光伏板表面进行清扫；当走到光伏组件另一侧边缘时，再次停止前进和清扫，向上爬升一个工位。整个过程可以分为水平行走、清扫和爬升三个部分，整个清扫过程都是这三个部分的循环。整个光伏组件清扫完毕或电量过低时，机器人会回到初始位置。整个工作过程示意图如图5所示。
清扫机器人的各项功能需要控制系统的统一协调和调配下才能顺利完成，根据清扫机器人所需实现的功能，控制系统的总体结构框图如图6所示。控制系统包括上位机和无线模块，上位机可以预先规划移动路径，无线模块可与遥控器连接，实时操控。该清扫机器人具有自动清扫、爬升、避障、路径规划等功能，可完成光伏组件表面的自动清扫，仿真及现场实验运行结果均表明，该清扫机器人清扫效果良好，可有效降低人力成本，提高清扫效率，可应用于不同形式的光伏电站。
Claims (11)
1.太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：包括行走机构和爬升机构；所述行走机构包括矩形框架，矩形框架包括前边框、后边框、左边框、右边框，在前边框和后边框上分别连接有辊刷支架，辊刷支架上设置有辊刷和辊刷驱动装置，在辊刷的内侧设置有吸尘嘴，吸尘嘴与设置在矩形框架上的吸尘泵连接；在矩形框架的下面固定设置有横向行走轮，横向行走轮与横向行走驱动装置连接；矩形框架的上面固定设置有龙门架，在龙门架下方、矩形框架内侧设置有爬升机构，龙门架与爬升机构之间通过升降装置连接，所述爬升机构包括纵向行走驱动装置、纵向行走轮和吸盘，所述吸盘与设置在矩形框架上的真空泵连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：所述爬升机构还包括左端板、右端板，左端板与右端板分别与矩形框架的左边框和右边框平行，左端板与右端板的顶面通过支撑梁固定连接，支撑梁的中心与所述升降装置固定连接；所述左端板与右端板分别与矩形框架的左边框和右边框通过垂直导向轴活动连接，在左端板和右端板的底面分别固定设置有所述纵向行走轮，在左端板上设置有所述纵向行走驱动装置；在所述左端板和右端板之间相对的侧面中心还设置有丝杆，丝杆通过轴承座与左端板和右端板转动连接；在所述丝杆的两侧还对称设置有两根光轴，光轴与丝杆平行，光轴两端通过光轴座与左端板和右端板固定连接；在左端板与右端板之间还平行设置有连接板，连接板的侧面中心固定设置有丝杆螺母，连接板的侧面两端固定设置有直线轴承，所述丝杆穿过丝杆螺母并与丝杆螺母配合连接，所述光轴穿过直线轴承并与直线轴承配合连接；在所述连接板的底面还固定设置有所述吸盘。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：所述升降装置为电动推杆。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：所述辊刷驱动装置包括第一电机，第一电机的输出轴上设置有第一驱动齿轮，在辊刷的一端设置有第一被动齿轮，第一驱动齿轮与第一被动齿轮啮合传动连接。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：所述横向行走驱动装置包括第二电机，第二电机的输出轴上设置有第二驱动齿轮，横向行走轮的外侧同轴设置有第二被动齿轮，第二驱动齿轮与第二被动齿轮啮合传动连接。
6.根据权利要求2所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：所述纵向行走驱动装置包括第三电机，第三电机的输出轴上设置有第三驱动齿轮，所述丝杆的左端部设置有第三被动齿轮，第三驱动齿轮与第三被动齿轮啮合传动连接。
7.根据权利要求2所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：所述垂直导向轴两端通过导向轴支座与左端板和右端板的顶面和底面固定连接，在矩形框架的左边框和右边框上固定设置有直线轴承，垂直导向轴穿过直线轴承并与直线轴承配合连接。
8.根据权利要求1所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：在所述矩形框架的前、后、左、右边框下面均设置有光电开关。
9.根据权利要求2所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：在所述左端板和右端板的内侧设置有接近开关。
10.根据权利要求1所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：在所述矩形框架上还设置有蓄电池和控制系统，所述蓄电池和控制系统、吸尘泵、真空泵位于龙门架的一侧，所述横向行走驱动装置位于龙门架的另一侧。
11.太阳能光伏板清扫机器人清扫方法，使用权利要求1-10任意一项所述的太阳能光伏板清扫机器人，其特征在于：清扫步骤为：首先将所述清扫机器人放置到待清扫的光伏板上，且清扫机器人的左边框与光伏板的下边缘保持平行，打开电源，启动吸尘泵，启动辊刷驱动装置，启动横向行走驱动装置，清扫机器人开始在横向行走经过的光伏板上进行灰尘清扫；当到达光伏板的侧边边缘时，吸尘泵、辊刷驱动装置、横向行走驱动装置停止工作，然后所述升降装置开始下降，使爬升机构的吸盘与光伏板紧密贴合，真空泵启动，使吸盘牢固吸附在光伏板上，升降装置继续下降，纵向行走轮与光伏板接触，升降装置继续下降，横向行走轮脱离光伏板，接着启动纵向行走驱动装置，清扫机器人开始纵向向上爬坡；纵向行走一定距离后，真空泵停止并充气，爬升机构的纵向行走轮和吸盘脱离光伏板，横向行走轮重新与光伏板接触，清扫机器人反方向横向行走并清扫，重复上述动作。
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