Tło
Wraz ze wzrostem globalnego zapotrzebowania na czystą energię, energia słoneczna stała się ważnym źródłem energii odnawialnej. Jednak panele fotowoltaiczne (PV) z czasem gromadzą kurz, ptasie odchody i inne zanieczyszczenia. Zanieczyszczenia te nie tylko obniżają wydajność konwersji światła na energię elektryczną, ale mogą również powodować „efekt wyspy ciepła”, prowadząc do starzenia się lub uszkodzenia paneli PV. Dlatego istnieje pilna potrzeba zaprojektowania wydajnego robota czyszczącego panele słoneczne.
Na podmokłych i pagórkowatych terenach południowych Chin występują obfite zasoby energii słonecznej, ale złożoność terenu i wysokie lokalizacje instalacji paneli fotowoltaicznych sprawiają, że tradycyjne metody czyszczenia (takie jak pasywne czyszczenie w warunkach naturalnych, czyszczenie ręczne i czyszczenie mechaniczne) są nieefektywne i niebezpieczne. Skłoniło to naukowców do opracowania robotów czyszczących panele fotowoltaiczne, opartych na czujnikach wizualnych i fotoelektrycznych, aby sprostać tym wyzwaniom.
Skład strukturalny
Komponenty mechaniczne
- Rama:Robot ma ramę ze stopu aluminium, co zapobiega rdzewieniu i zmniejsza jego całkowitą wagę.
- Mechanizm mobilnościMechanizm kroczący obejmuje koła główne i pomocnicze, gąsienice oraz koła prowadzące, które zapewniają stabilny ruch na pochyłych panelach fotowoltaicznych.
- Mechanizm czyszczący:Składa się ze szczotki walcowej, urządzenia natryskowego i dmuchawy, umożliwiając różne tryby czyszczenia, takie jak czyszczenie na sucho, czyszczenie wodą i suszenie.
Komponenty sterujące
- System sterowania:Wykorzystuje mikrokontroler STM32 zapewniający wysoką niezawodność i szybkość działania.
- System czujników:Zawiera czujniki wizualne, czujniki fotoelektryczne i wyłączniki krańcowe służące do wykrywania krawędzi paneli fotowoltaicznych, warunków oświetleniowych i położenia robota.
- Układ napędowy:Wykorzystuje silniki przekładniowe prądu stałego z silnymi właściwościami przeciwzakłóceniowymi i szybką reakcją dynamiczną.
- System czyszczący:Składa się z urządzenia natryskowego, urządzenia dmuchającego i wałka szczotkowego, które podczas czyszczenia całkowicie pokrywają powierzchnię panelu fotowoltaicznego.
Środki wdrożeniowe
Projekt mechanizmu mobilności
- Robot reguluje napięcie gąsienic za pomocą kół napinających, a koła podporowe i prowadzące zapewniają prawidłowe działanie gąsienic.
- Boczne koła prowadzące są pokryte gumą, co zapewnia lepszą absorpcję drgań i odporność na uderzenia mechaniczne. Umożliwia to toczenie się paneli fotowoltaicznych wzdłuż krawędzi, zapobiegając ich ślizganiu się.
Projekt mechanizmu czyszczącego
- Wałek czyszczący wykorzystuje szczotki z nylonowym włosiem o spiralnej konstrukcji i zróżnicowanym obrocie, co zwiększa efektywność czyszczenia.
- Urządzenia natryskowe i wydmuchowe zwiększają obszar czyszczenia i redukują koszty zużycia wody.
Projektowanie systemów sterowania
- Sygnały sterujące przesyłane są poprzez szeregową komunikację Bluetooth, umożliwiając komputerowi nadrzędnemu regulację urządzenia i sterowanie symulacją czyszczenia na płycie demonstracyjnej przypominającej panel fotowoltaiczny.
- System wykrywania światła i wyłączniki krańcowe umożliwiają inteligentne sterowanie oparte na zmianach oświetlenia otoczenia i odległości granicznej, umożliwiając automatyczne uruchamianie i zatrzymywanie robota.
Projekt układu ssącego
- Aby zachować stabilność na pochyłych panelach fotowoltaicznych, robot potrzebuje odpowiedniej siły ssania. Obliczenia wskazują, że siła ssania większa niż 33,62 N pozwala robotowi poruszać się po mokrych powierzchniach.
- Zastosowano dwa generatory podciśnienia z przyssawkami umieszczonymi między kołami głównymi i pomocniczymi w celu zminimalizowania utraty siły ssącej spowodowanej nieszczelnościami podciśnieniowymi.
Wyniki eksperymentu
Efektywność czyszczenia
- Robot pracuje stabilnie na zboczach o nachyleniu poniżej 25°, osiągając wydajność czyszczenia 50 m²/h.
- Skuteczność usuwania pyłu sięga 91,16%, a średni błąd pozycjonowania ptasich odchodów wynosi 1,38 mm.
Stabilność
- Podczas eksperymentów robot skutecznie wykonywał ruchy zamiatające tam i z powrotem, zapewniając płynny ruch i minimalne drgania całego ciała.
- Robot ściśle przylegał do powierzchni paneli fotowoltaicznych, skutecznie unikając upadków podczas licznych testów.
Skuteczność czyszczenia
- Powierzchnia paneli fotowoltaicznych po czyszczeniu nie wykazała znaczących ilości cząsteczek kurzu, co spełnia wymagania dotyczące czyszczenia.
- Wskaźnik pokrycia wyniósł 100%, a ogólna czystość czyszczenia przekroczyła 95%, co zwiększyło wydajność wytwarzania energii elektrycznej na oczyszczonym obszarze o około 20%.
Unikalne zalety Todo Smart Robot czyszczący panele słoneczne
Ulepszona inteligencja
- Dalsza optymalizacja połączenia czujników wizualnych i fotoelektrycznych może poprawić dokładność planowania ścieżki przez robota i inteligencję jego strategii czyszczenia.
Redukcja kosztów
- Zastosowanie pojedynczego napędu silnikowego minimalizuje liczbę wymaganych silników, co przekłada się na obniżenie kosztów.
Rozszerzona stosowalność
- Dalsze badania skoncentrują się na opracowaniu robotów sprzątających, które będą mogły pracować w różnych rodzajach terenu i warunkach środowiskowych, aby sprostać potrzebom różnych typów elektrowni słonecznych.
Automatyczne wykrywanie
- Zastosowanie inteligentnych metod wykrywania w celu automatycznego rozpoznawania jakości czyszczenia jeszcze bardziej zwiększy funkcjonalność systemu sterowania, poprawiając autonomię i niezawodność robotów.
Podsumowując, robot czyszczący panele słoneczne to kluczowe rozwiązanie, które pozwoli sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na czystą energię, a jednocześnie sprostać wyzwaniom związanym z utrzymaniem wydajności paneli fotowoltaicznych. Dzięki inteligentnemu projektowi i wdrożeniu, projekt ten stanowi obiecujące rozwiązanie w zakresie poprawy efektywności produkcji energii słonecznej.
