光伏清扫机器人应用白皮书：组件-支架-机器人智能化协同

CONTENTS目 录01 /全球光伏行业的发展与挑战02 /机器人、组件和支架匹配的难点和挑战1.1全球光伏市场规模持续扩张1.2光伏运维技术面临的系统性挑战2.1组件技术发展对机器人系统的影响2.2支架技术发展对机器人系统的影响2.3大型电站复杂生态系统的兼容性挑战03 /机器人、组件与支架的协同设计优化3.1机器人系统适配技术3.2组件与机器人适配技术3.3支架与机器人适配技术术语表参考文献04 /匹配性测试的实施方案探究05 /清扫机器人技术发展的未来展望附录4.1与支架的匹配性测试方案探究4.2与组件的匹配性测试方案探究 1.全球光伏行业的发展与挑战1.1 全球光伏市场规模持续扩张全球光伏产业正经历前所未有的高速发展期。根据国际能源署（IEA）最新发布的报告显示，2024年全球新增光伏装机容量突破600GW大关，占可再生能源新增装机总量的75%以上，全球累计装机规模已达2.2TW。这一迅猛发展主要得益于各国政策的有力支持，包括欧盟REPowerEU能源战略、美国《通胀削减法案》（IRA）的税收激励政策，以及中国"十四五"可再生能源发展规划的持续推进。与此同时，光伏电站建设成本在过去十年间累计下降超过80%，使得光伏发电成为最具成本竞争力的能源形式之一。中国在全球光伏市场中继续稳居领导地位。2024年，中国新增光伏装机容量达277.57GW，占全球新增总量的46%，充分彰显了其在全球能源结构转型中的关键角色。与此同时，新兴市场的崛起亦成为拉动全球光伏增长的新引擎。中东及北非（MENA）地区凭借优越的日照资源与能源战略转型的加速推进，2024年累计装机容量已达24GW，其中沙特阿拉伯与阿联酋成为主要贡献国家。拉丁美洲市场同样表现不俗，智利受能源转型紧迫性驱动，2024年装机增速突破40%，而巴西则依托分布式光伏的快速扩张，跃升为南美地区最大的光伏市场。组件价格的持续下探与大型地面电站建设节奏的加快，共同为全球光伏产业的多元化布局注入了新动能。1.2 光伏运维技术面临的系统性挑战随着光伏电站规模的持续扩张，积灰损失（简称“灰损”）问题日益突出，已成为制约全球光伏行业高质量发展的普遍性难题。灰尘、沙尘及花粉等污染物在组件表面的沉积，会降低光吸收效率，平均降幅在4%至8%之间，而在干旱、高尘或沿海等特殊区域，图1 全球光伏发电潜力分布图 1 甚发电效率的损失甚至可能超过15%。据国际能源署（IEA）测算，2023年因灰损导致的全球经济损失高达40亿至70亿欧元。由于人工成本日益高涨以及单体电站规模从10年前的MW级演变为GW级，人工清扫在很多场景下已经不能适应光伏电站清扫的需求，因此，光伏清扫机器人系统（Automated Robotic Cleaning System, 简称ARCS）的应用越来越广泛。与此同时，组件尺寸持续增大，边框强度降低；跟踪支架技术不断演进，新型支架结构设计层出不穷。这些技术变革在为电站带来更高发电效率的同时，也对电站系统的整体匹配性提出了全新挑战。电站规模的扩大还带来了海量数据处理、设备间无线通信干扰等系统级问题，这些因素共同构成了当前光伏电站运维管理面临的主要技术瓶颈。在此背景下，行业亟需建立完善的匹配性技术标准和测试体系。从机器人轻量化设计、毛刷优化，到组件耐磨损性能提升，再到支架结构强化和通信协议标准化，需要产业链各环节协同创新。特别是在大型地面电站场景下，如何确保机器人、组件和支架三大系统的无缝配合，成为提升电站整体性能和可靠性的关键所在。本白皮书将围绕这些核心问题展开深入探讨，为行业提供系统性的解决方案，指明技术发展方向。2.机器人、组件和支架匹配的难点和挑战当前主流的光伏清扫机器人采用干挂式设计，即机器人通过行走轮沿组件边框行走，两侧配置停机位和换向位，中间搭设桥架作为机器人运行和停机的载体。这种技术路线决定了清扫机器人的运行与光伏组件及支架（固定式或跟踪式）密切相关，其可靠性也很大程度上取决于组件和支架的性能。随着光伏组件清扫机器人在GW级光伏电站中的规模化应用，电站运营方不仅更加重视机器人带来的经济价值，同时对其技术能力、运行稳定性和清扫效果等性能也有更高要求。面对同一场区内数千台机器人、数万排跟踪支架以及数百万片光伏组件的复杂系统，如何实现各子系统在结构和运行逻辑上的适配，使其既能保持相对独立运行，又能将对关联系统的影响降至最低，2图2 被灰尘覆盖的光伏组件 2.1 组件技术发展对机器人系统的影响得益于182mm和210mm硅片的应用，市场上主流的光伏组件功率普遍超过600W甚至达到700W。这类超大尺寸组件给清扫机器人的稳定运行带来额外的挑战，其主要体现在组件尺寸变大，组件边框厚度减薄，组件机械载荷能力降低，使得组件两端在机器人运行时产生较大的变形量。这些变化不仅可能影响组件在整个生命周期内的发电性能，也会影响机器人的实际清扫此外，随着降本压力的增大，组件边框截面减小，材质刚度降低，会导致组件的承载能力降低，从而对机器人的长期可靠运行带来不利影响。已成为行业探索的重要课题。以下三个章节将分别从组件、支架以及系统三个维度，阐述它们与机器人性能的关联性。2.2 支架技术发展对机器人系统的影响光伏支架作为光伏电站的支撑结构，其技术的革新不断重塑着相关领域的发展格局。然而，在行业进步的同时，清扫机器人与支架的配合，尤其是与跟踪支架系统的配合出现了诸多挑战。譬如，伴随着成本压力的增大，支架檩条长度缩短、厚度变薄，使得机器人运行的支撑稳定性大受影响，刚度较弱的檩条叠加上大尺寸的光伏组件，使得机器人在运行时组件产生较大的变形。同时，支架的天线、传动杆等特殊结构，不仅可能干扰机器人行进路径，还会引发电磁干扰或碰撞风险。例如，支架上突出的天线和传动杆可能占据机器人的运行空间，使其在移动过程中面临碰撞风险。此外，由于支架制造与施工精度不足等带来的角度偏差问题，进一步加剧了机器人运行的复杂性。由于制造公差和施工安装误差，相邻支架间的角度难以保持一致，这对机器人桥架的兼容性提出了严苛要求：桥架需具备柔性调节能力以覆盖角度偏差，机器人的运动控制算法也必须引入自适应补偿机制，通过感知手段实时调整行进姿态，避免因轨道对接误差导致卡滞，确保机器人在复杂支架环境下仍能稳定运行。图3 双排联动跟踪支架对机器人通过性提出挑战图4 跟踪支架凸起的回转齿轮影响机器人通过 效果。 3 2.3 大型电站复杂生态系统的兼容性挑战在大型电站系统的运行体系中，技术集成的深度与设备协同的广度，共同构筑起复杂的生态环境，也由此衍生出诸多亟待解决的难题。无线通信作为支架与机器人实现交互的核心桥梁，其稳定性因频段重叠、同频干扰等问题而难以保障。一旦信号传输出现延迟或丢失，机器人便无法及时响应支架的状态变化，进而影响整个系统的稳定。数据传输环节同样存在挑战。由于电站内支架设备来源广泛、型号多样，其数据通信协议缺乏统一规范，导致机器人在获取支架状态、位置等关键信息时，需耗费大量资源适配不同协议。这不仅增加了数据解析的复杂性，更因协议转换延迟，使得机器人难以依据实时数据做出精准决策。特殊工况下，支架与机器人的逻辑冲突进一步加剧了系统运行的风险。当大风等极端天气来袭，支架自动启动保护机制调整姿态或进入休眠，若机器人仍按既定程序行进，极易发生碰撞；而在离线保护启动时，支架与控制系统的连接中断，机器人若无法及时感知，继续执行依赖支架数据的任务，将对作业安全与准确性造成严重威胁。此外，电站规模的不断扩张使得设备数量激增，通信数据量呈爆发式增长。从支架的结构参数、运行状态，到机器人的作业数据、位置信息，海量数据的实时传输、存储与分析，对通信系统带宽、服务器性能及算法效率均提出了严苛要求。一旦数据处理效率不足，系统响应迟缓、通信中断等问题出现，那么电站运行将陷入混乱。3.机器人、组件与支架的协同设计优化3.1 机器人系统适配技术3.1.1 匹配组件设计（1）轻量化设计+柔性binder设计：减少组件弯沉，保证组件安全机器人在运行过程中依靠辊刷或纤维布在转动过程中产生的切向力将灰尘及其他污渍从组件表面剥离，从而达到除尘的效果。在机器人持续且往复的清扫过程中，一方面机器人自重对组件产生额外的载荷，可能对组件边框和电池片产生潜在影响，另一方面可能会对组件表面的防反射膜产生磨损，从而降低组件的发电效率。因此，如何通过优化机器人载荷、清扫方式、刷毛材料、清扫速度等最大程度降低机器人长期清扫对组件效率的影响，已成为判别清扫机器人性能的重要依据。光伏清扫机器人的轻量化设计是其核心技术要点之一。轻量化设计通过减轻机器人自身重量，可有效降低对光伏组件的压力，从而减少因组件弯沉而产生的边缘清扫盲区问题。在工程系统设计方面，通过在相邻组件之间增设"连接件"来保证安全。当机器人在某块组件上运行时，相邻组件可以分担部分压力。考虑到支架转动过程中相邻组件会产生变形差（尤其在组件外侧端部变形最为显著），最新设计的连接件取消了螺栓固定在光伏电站实际运行环境中，光伏清扫机器人的技术路线持续迭代升级，以实现与组件及支架系统的最佳匹配，在保障系统安全可靠性的同时不断提升清扫效率。这一技术演进过程涵盖机器人动力系统设计、整体结构优化、关键部件强化以及配套工程物料标准化和通信系统匹配等多个技术维度。经过行业持续探索与实践验证，目前已形成一套相对完整的技术体系。下文将从组件匹配性和支架匹配性两个技术方向分别进行详细阐述。 4 方式，采用柔性连接结构。这种设计既保证了组件间的可靠连接，又为组件提供了必要的伸缩空间，有效防止了组件损坏和隐裂的产生。通过这两种办法能够显著降低机器人在光伏组件上移动时产生的压力，有效控制组件弯沉，避免组件隐裂或损坏的风险，同时保证机器人清扫效果。（2）毛刷定制化设计：材质和形状适配组件滚刷作为清扫机器人与光伏组件直接接触的关键部件，其材质选择对组件表面保护至关重要。目前行业普遍采用尼龙、PBT及纤维布等材料，其中改性PBT柔性刷丝因其优异性能备受青睐。该材料具备高熔点、低吸水率、高弯曲强度保持率等特性，同时具备出色的耐化学腐蚀性和抗冲击性能。其适中的硬度和优异的回弹性，既能有效清除组件表面污垢，又能在各种环境条件下保持性能稳定，确保不会损伤光伏组件表面。5图5 组件连接件安装图图6 PBT刷丝 滚刷的形态设计是实现无损清洁的关键要素之一。从清洁机理来看，各类清洁刷的除尘原理均依赖于刷丝末端对灰尘颗粒的切削作用，使其从组件表面剥离。在清洁过程中，刷丝接触组件表面时会产生微小形变，并与灰尘颗粒形成力学交互。具体表现为当刷丝与灰尘接触时，刷丝对灰尘施加正向压力F，进而产生有效的切削力F∑，实现灰尘清除。6图7 刷丝与灰尘颗粒作用力模型（3）滚刷独立电机驱动：实现毛刷转速可调针对不同电站的灰尘特性和污染程度差异，为实现清洁效果与组件保护的最佳平衡，清扫机器人需要具备毛刷转速调节功能。采用独立电机驱动设计可使机器人根据实际积灰情况灵活调整滚刷转速，在确保清洁效率的同时，最大程度减少对组件玻璃的潜在损伤。此外，滚刷在作业过程中会持续积聚灰尘，需要及时进行清除，避免在后续清扫时对组件造成二次伤害。机器人在完成清扫返回停机位时，可自动提升滚刷转速，利用增强的离心力实现自清洁功能，有效避免灰尘残留导致的二次污染问题。3.1.2 匹配支架设计（1）机器人扭转设计：兼容支架停机的角度差，允许更大现场安装误差跟踪支架系统在夜间会按预设角度停靠以便机器人进行组件清扫。然而，受施工误差、仪器精度、主轴扭转及测量偏差等因素影响，相邻支架间往往存在安装误差和停机角度偏差的复合工况，对机器人的通过性能提出了严苛要求。为解决这一技术难题，清扫机器人需具备自适应扭转功能。当通过存在角度偏差的桥架时，机器人可通过自身扭转调节，确保行走轮和限位轮始终紧密贴合组件边框，同时保持毛刷对组件的恒定压缩量。该设计能有效解决边框积尘和清扫死角问题， （2）桥架不脱开设计：适应支架停机±60°平单轴支架在每日运行过程中，不同排支架可能存在转动偏差。若采用桥架连接相邻两排平单轴支架，必须考