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

（來源：微信公眾號“太陽能雜志”ID：tynzz1980）

我國自2012年開始對組件清潔技術展開研究，將國外先進技術與國內(nèi)光伏電站相結(jié)合，研發(fā)出了多種機械式清潔技術。目前，機械式清潔(也稱為“清潔機器人”) 主要包括單排清潔、跨排清潔和便攜式清潔3 種技術路線，而跨排清潔和便攜式清潔均由單排清潔技術演變而來。本文對上述3 種清潔機器人技術路線進行了系統(tǒng)地闡述，并對其應用現(xiàn)狀進行了總結(jié)與展望。

1 清潔機器人的3種技術路線

1.1 單排清潔技術

單排清潔技術是指清潔機器人僅能完成一排光伏組件的清潔，不能越排。國內(nèi)對該技術的研究最為深入，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器人的結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)等方面。巫江等[6] 研究了一種采用新型凸輪式清掃機構(gòu)的自動除塵裝置，朱趙慧娟[7] 提出了一種絞纜式自動養(yǎng)護機器人；馬磊等[8] 研究了清潔機器人的控制系統(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]研究了清潔機器人的控制原理、組成及邏輯算法；王龍等[11] 研究了清潔機器人的零部件的輕量化設計。

目前，采用單排清潔技術并已得到產(chǎn)業(yè)化應用的產(chǎn)品主要分為3 個方向，分別以南京天創(chuàng)電子技術有限公司( 以下簡稱“南京天創(chuàng)”)、以色列的Ecoppia Scientific Ltd.( 以下簡稱“Ecoppia公司”)、南京索能多思智能科技有限公司( 以下簡稱“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)品為代表的清潔機器人目前應用最為廣泛。生產(chǎn)該類產(chǎn)品的代表公司還有上海安軒自動化科技有限公司( 以下簡稱“上海安軒”)、山東豪沃電氣有限公司( 以下簡稱“山東豪沃”)、北京中電博順智能設備技術有限公司( 以下簡稱“中電博順”) 等。該類產(chǎn)品由行走系統(tǒng)、導向系統(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 個行走輪對稱布置在產(chǎn)品的上、下位置，用于完成前進和后退，4 個行走輪可共用1 臺電機或每2 個行走輪共用1 臺電機，中電博順已實現(xiàn)“單輪單控”；導向系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品的限位和導向，防止因速度過快而使產(chǎn)品超出組件邊框。

該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時，清潔機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，且轉(zhuǎn)動方向與行走輪的行進方向相反；毛刷在轉(zhuǎn)動過程中，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)點在于可實時感知自身所在位置及電機、電池等核心部件的工作狀態(tài)，人機交互功能良好，也可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。但其最大的缺點在于行走系統(tǒng)對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，清潔機器人的行走輪很容易因行走不協(xié)調(diào)而導致“自鎖”。各廠家都在探索解決該問題的方式，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)試圖在安裝清潔機器人之前先對組件進行調(diào)整，但因前期工程費用太高而無法進行推廣；中電博順的“單輪單控”技術提高了清潔機器人的越障能力，基本解決了“自鎖”問題，但性價比不高。

2) 以Ecoppia 公司生產(chǎn)的Ecoppia 清潔機器人[12] 為代表。該清潔機器人是由橫向行走輪、主體框架、縱向清潔裝置、拖曳電機、電池和控制系統(tǒng)組成，典型特點是行走方向與清潔方向為正交，清潔機器人在行走方向上斷續(xù)進行。該類產(chǎn)品的工作原理為：工作時，清潔機器人的橫向行走輪沿專用導軌行走至未清潔的組件時停車；然后縱向清潔裝置啟動，通過超細纖維毛刷旋轉(zhuǎn)并輔以氣流吹掃，自上而下對積灰進行清潔；清潔完畢后，清潔機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)應用廣泛，但由于其需要在橫向行走路徑上全程鋪設導軌，價格昂貴，因此性價比不高。

3) 以南京索能多思的產(chǎn)品為代表。該類產(chǎn)品設計方案獨特，由驅(qū)動與傳感系統(tǒng)、輸導裝置、臨時停車臺、清潔裝置組成。該產(chǎn)品的典型特色有2 點：一是清潔裝置無需自主轉(zhuǎn)動，僅依靠輸導裝置的鋼絲繩拖動前行；二是整套設備僅使用1 臺驅(qū)動電機，且驅(qū)動電機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，驅(qū)動電機帶動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，至組件間的縫隙時推落；當傳感計數(shù)器達到閾值時，電機停止轉(zhuǎn)動進入散熱狀態(tài)，此時設備正好到達停車臺；散熱結(jié)束后，驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，設備進入“返回清潔”模式。由于單次清潔效果不明顯，在一個清潔周期內(nèi)通常需要多次清潔。

該產(chǎn)品在多數(shù)應用場景下具有較大優(yōu)勢，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展智能化、遠程監(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難題。

1.2 跨排清潔技術

已進行規(guī)?；瘧玫目缗徘鍧嵓夹g主要有車載清潔式和擺渡車式2 種。

1) 車載清潔式機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)無法自適應復雜的地形地貌，清潔裝置易對組件造成損壞，因此主要適用于我國西北部地勢相對平坦的光伏電站，但這類地區(qū)水資源相對匱乏，因此使用該類產(chǎn)品有一定的局限性。

2) 擺渡車式清潔機器人主要由清潔機器人、擺渡車及軌道等附屬設施組成。目前該類產(chǎn)品僅在少數(shù)分布式光伏電站應用，而在地面光伏電站的應用仍處于樣機試驗階段，這是因為采用該技術的現(xiàn)場施工量大、施工周期長，對軌道載體的平整度要求高，復雜的環(huán)境和地形地貌會導致成本陡增，且設備易發(fā)生傾覆。該類產(chǎn)品受限于性價比、環(huán)境適應性及穩(wěn)定性等問題，發(fā)展前景不樂觀。

3) 除上述2 種已規(guī)模化應用的跨排清潔技術外，還有一種新研發(fā)但尚未量產(chǎn)的專門針對平單軸跟蹤系統(tǒng)研發(fā)的跨排清潔技術。這一技術的典型特點是軌道安裝在平單軸跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動軸上，完全擺脫了軌道對地面的依賴[15]。清潔時，首先由清潔機器人與平單軸跟蹤系統(tǒng)交互確認，當平單軸跟蹤系統(tǒng)與軌道角度一致時，清潔機器人從軌道行進至組件上進行清潔。該技術可適應前后排組件6 個自由度方向上的大范圍偏差，對項目現(xiàn)場的施工質(zhì)量包絡性強，可匹配所有型號的清潔機器人，具備適用性廣、制作成本低等特點。目前該技術也已展開相關樣機的試驗工作。

1.3 便攜式清潔技術

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

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

便攜式清潔機器人是在組件表面爬行過程中通過高速轉(zhuǎn)動的毛刷來對組件表面進行清潔，通過行走輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。為防止清潔機器人從組件上跌落，多以人工現(xiàn)場控制為主，個別廠家正在研發(fā)基于視覺跟蹤系統(tǒng)的位置判斷技術。

但便攜式清潔機器人存在電池容量小的缺點，單塊電池僅能清潔容量為0.8 MW 的組件；此外，在機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 清潔機器人技術存在的問題及技術發(fā)展方向

2.1 存在的問題

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

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

2.2 技術發(fā)展方向

對光伏組件進行清潔的清潔機器人技術的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 細分應用場景：針對光伏電站的形式研發(fā)適用于不同應用場景的清潔機器人，場景可細分為大傾角式、平鋪式、大幅面平鋪式、平單軸跟蹤系統(tǒng)等。

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

3) 智能化：為清潔機器人建立云平臺，共享設備運行參數(shù)、電站發(fā)電量、大氣環(huán)境等大數(shù)據(jù)，輔以機器自學習算法，以提高設備的智能化。

3 結(jié)論

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