第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

在“双碳”战略推动下，光伏发电作为新能源产业的核心板块实现跨越式发展，已成为我国能源结构转型的重要支撑。国家能源局统计数据显示，我国光伏累计装机容量从2020年的253GW增长至2024年的887GW，四年间增幅达250.6%，2024年新增装机277.17GW，同比增长28%，再创历史新高，光伏电站的规模化、集约化建设成为行业主流趋势。光伏板作为光电转换的核心部件，其表面清洁度直接决定发电效率，但户外光伏板长期暴露于自然环境，易积累灰尘、鸟粪、树叶等污染物，相关研究表明，当光伏板表面积尘量达16.5g/㎡时，输出功率将降低21.36%，积尘严重区域发电效率降幅甚至超过50%，给光伏电站带来巨大的发电量损失。

表1-1：2020-2024年中国光伏累计装机容量及增长情况

年份	2020年	2021年	2022年	2023年	2024年
累计装机容量（GW）	253	305.99	392.6	609	887
同比增长率（%）	-	20.9	28.3	55.1	45.5
新增装机容量（GW）	48.2	52.99	86.61	216.88	277.17

传统人工清洁方式已难以适配规模化光伏电站的运维需求，该方式不仅清洁效率低，单人工日均清洁面积不足500㎡，且存在高空作业安全风险高、水资源浪费严重等问题，清洁成本约为0.5元/㎡，远高于自动化清洁方式。光伏板智能清洁机器人作为自动化运维核心设备，可实现光伏板表面的自主、高效、节水清洁，有效解决人工清洁痛点，保障光伏电站稳定高效运行。2025年3月1日，GB/T 44264-2024《光伏组件清洁机器人通用技术条件》正式实施，填补了我国光伏清洁机器人国家标准的空白，为行业标准化、规范化发展提供了依据。在此背景下，开展光伏板智能清洁机器人的结构设计研究，对提升光伏电站运维效率、降低运维成本、推动光伏产业高质量发展具有重要的工程应用价值和产业推广意义。

1.2 国内外研究现状

国外光伏板清洁机器人研究起步较早，以以色列、美国等国家为代表，形成了成熟的技术体系和应用案例，核心优势体现在导航控制技术先进、清洁精度高，但存在结构复杂、成本高昂、场景适配性差等问题。以色列Ecoppia公司研发的Ecoppia E4智能清洁机器人采用轨道式设计，可沿光伏板上方轨道自主移动，通过传感器和智能算法自动调整清洁力度和路径，在印度Bhadla太阳能公园等大型光伏电站应用后，光伏板发电效率提升显著，但其轨道式结构仅适配标准化光伏电站，难以适应复杂安装倾角的光伏板场景。美国Swisslog公司推出的光伏清洁机器人集成图像识别技术和智能控制技术，可精准定位光伏板表面污渍并进行针对性清洁，清洁精准度达95%以上，但设备单台成本超10万元，规模化应用难度大。日本则聚焦分布式光伏电站需求，研发了小型轻量化清洁机器人，注重灵活性和便携性，可在狭小空间作业，但清洁效率较低，单日清洁量不足1MW。

国内研究聚焦轻量化、低成本、高适配性的机器人设计，形成了轮式、履带式、吸附式三大主流结构类型，产学研融合趋势显著，技术成果产业化速度加快，同时在干湿联动清洁、全地形适应等方面实现技术突破。深圳怪虫机器人有限公司研发的履带式光伏清洁机器人，配备自主研发的智能导航系统，可在复杂光伏板布局中自动规划路径，结合高压水喷射系统和吸尘装置实现高效清洁，适用于分布式和小型地面光伏电站。北京信息科技大学与北京星和众智科技有限公司合作，采用“先使用后付费”的成果转化模式，研发的太阳能光伏除尘机器人采用电动车载形式，机械臂可实现0-180°水平旋转，除尘刷转速稳定在60转/分钟，能适应-10℃至40℃户外环境，已在国内多个大型光伏电站应用，并签订20万元光伏面板清洁服务合同。山东鲁昱智能科技有限公司则实现了清洁技术的创新突破，其履带式机器人采用无水干洗模式，在西北荒漠电站实现日均清洁5万平方米，发电效率提升18%，轮式底盘机器人的高压湿扫模式单日清洗5.5MW，水资源节省30%，同时研发的悬挂式机器人可实现干湿模式智能切换，综合能耗降低40%。此外，国内研究还在负压回收、极端环境防护等方面不断优化，但现有机器人仍存在结构集成度不足、清洁与运动协同性差、能耗较高等问题，相关设计的工程化适配性仍需进一步完善。

1.3 研究内容与技术路线

本研究以GB/T 44264-2024《光伏组件清洁机器人通用技术条件》为依据，围绕光伏板智能清洁机器人的结构设计展开系统性研究，核心研究内容包括：机器人整体结构方案设计与参数确定，行走驱动、清洁执行、负压回收、防护结构等核心子系统的详细设计，关键部件的力学、运动学、动力学计算公式推导与校验，以及机器人三维建模与仿真验证。

研究技术路线遵循“需求分析-方案设计-部件研发-公式推导-仿真验证”的思路，具体步骤为：首先结合光伏电站实际工况和行业标准，明确机器人的设计指标与技术要求，确定轻量化、紧凑化、高适配性的整体结构方案；其次分模块开展各核心子系统的结构设计，完成驱动电机、减速机、清洁滚刷、负压风机等关键部件的选型；然后推导行走驱动、清洁执行、负压回收系统的核心计算公式，结合工况参数进行计算验证；最后通过三维建模完成整机结构整合与干涉检查，利用仿真分析验证机器人的力学性能、运动性能和清洁效率，通过结构优化与公式修正，形成完整的结构设计方案。

1.4 设计指标与技术要求

结合光伏电站实际运维需求、GB/T 44264-2024国家标准及行业技术发展趋势，确定本研究光伏板智能清洁机器人的核心设计指标与技术要求，覆盖清洁效率、行走性能、越障性能、结构参数、防护等级、能耗续航、智能控制七大维度，确保机器人满足规模化光伏电站的高效运维需求，具体指标如下：

清洁效率：单块2.44㎡光伏板清洁时间≤30s，清洁后表面灰尘残留量≤5g/㎡，发电效率提升≥15%；

行走性能：移动速度≥0.5m/s，可适配25°~30°倾斜光伏板，转弯半径≤0.8m，启动加速时间≤4s；

越障性能：越障高度≥5cm，可平稳适配3~5cm光伏板间隙，无卡滞、打滑现象；

结构参数：外型尺寸长2147mm×宽796mm×高467mm，整机重量≤50kg，清洁宽度≥1650mm；

防护等级：达到IP67防护标准，可适应-20℃~60℃环境温度，抗风等级≥6级；

能耗续航：采用48V磷酸铁锂电池，容量≥40Ah，连续工作续航≥8h，支持1.5kW接触式快充；

智能控制：支持自主导航、路径规划、障碍物检测和清洁效果检测，具备远程监控与集群调度功能。

第2章 总体方案设计

光伏板智能清洁机器人的总体方案设计是整机结构研发的核心环节，直接决定机器人的清洁效率、运动稳定性、场景适配性及工程实用性。本章结合第一章明确的设计指标与技术要求，立足户外光伏电站复杂工况，遵循工程设计规范，依次阐述整体设计原则与思路、敲定整机结构方案、拆解核心子系统功能，并核定整机结构关键参数，为后续关键部件细化设计、三维建模搭建奠定基础，确保方案兼具创新性、可行性与经济性。

2.1 整体设计原则与思路

本次光伏板智能清洁机器人设计以实用化、轻量化、高适配、低能耗为核心导向，严格贴合GB/T 44264-2024《光伏组件清洁机器人通用技术条件》，结合西北荒漠、平原分布式等主流光伏电站场景需求，确立四大设计原则，保障整机性能达标。其一，工况适配原则，针对光伏板25°-30°倾斜安装、表面光滑易打滑、间隙狭小等特点，兼顾沙尘、高低温、大风等恶劣环境，保证机器人在复杂工况下无卡滞、不侧翻；其二，结构精简原则，摒弃冗余结构，采用模块化设计思路，缩减整机体积与重量，降低加工难度与运维成本，便于拆装转运；其三，高效清洁原则，平衡清洁力度与光伏板防护性，避免刮伤光伏组件，实现无水/少水高效除尘，贴合节水运维需求；其四，安全可靠原则，提升整机防护等级与结构强度，增设防坠落、防打滑机构，延长户外连续工作寿命。

设计思路遵循“需求拆解—方案对比—选型优化—参数核定”的逻辑，先梳理光伏电站清洁痛点与设计指标，对比轨道式、轮式、履带式、吸附式四类主流清洁机器人结构优劣，摒弃成本高、适配性差的轨道式，舍弃负载小、越障弱的吸附式，最终选定轮履复合式行走结构搭配滚刷清洁执行结构的核心方案；再拆解整机功能模块，划分行走驱动、清洁执行、防护限位、供电控制四大子系统，明确各子系统协同逻辑；最后结合工况参数核定整机尺寸、重量、清洁跨度等关键指标，形成完整的总体设计框架，保障后续部件设计与整机装配的连贯性。

2.2 机器人整体结构方案

结合设计原则与光伏板运维场景，本次设计的光伏板智能清洁机器人采用紧凑型轮履复合整体结构，整机为横向卧式布局，贴合光伏板单排安装跨度，无需额外铺设轨道，可直接在光伏板表面自主行走清洁，适配固定式斜面光伏电站，整体结构示意如图2-1所示（注：无实体样机，采用结构示意图标注核心部件布局）。

整机主要由机身主框架、轮履复合行走机构、双滚刷清洁机构、防坠落限位机构、供电仓、控制模块六大核心部分组成，呈对称式分布，保障运动重心平稳。机身主框架采用铝合金型材拼接而成，作为整机承载基础，兼具轻量化与高刚度，重量占比控制在30%以内；行走机构布置于机身底部两侧，采用驱动轮+辅助履带片组合形式，既保证直线行走速度，又提升斜面防滑性能；清洁机构位于机身中部，采用上下双滚刷同轴布置，滚刷跨度覆盖主流光伏板宽度，实现一次性全覆盖清洁；防坠落限位机构安装于机身前后两端，搭配红外传感器，实时检测光伏板边缘，避免坠落损坏；供电仓与控制模块集成于机身尾部，采用密封式设计，提升防水防尘性能。

该整体方案摒弃传统复杂传动结构，采用直连式驱动与模块化装配，无需对现有光伏电站进行改造，可直接投入使用，兼顾清洁效率与场景适配性，解决了纯轮式打滑、纯履带式笨重的行业痛点，符合规模化光伏电站自动化运维需求。

2.3 核心子系统组成与功能规划

为实现整机自主清洁、稳定行走、安全防护的核心功能，将机器人划分为行走驱动子系统、清洁执行子系统、防护限位子系统、供电控制子系统四大核心模块，各子系统独立设计、协同运作，具体组成与功能如下：

（1）行走驱动子系统：由驱动电机、减速机、驱动轮、辅助履带片、传动主轴组成，是整机运动核心。选用直流减速电机作为动力源，经减速机降低转速、提升扭矩，通过传动主轴带动两侧驱动轮转动；辅助履带片贴合驱动轮外缘，增大与光伏板表面的摩擦力，解决斜面打滑问题。该子系统主要实现整机前进、后退、转向动作，保证行走速度稳定、转向灵活，适配光伏板间隙越障需求。

（2）清洁执行子系统：由清洁电机、传动齿轮、双组滚刷、刷毛、集尘罩组成。清洁电机通过齿轮组带动滚刷同轴旋转，刷毛采用软性耐磨尼龙材质，避免刮伤光伏板表面；滚刷旋转过程中清扫灰尘，配合集尘罩收集浮尘，实现无水干洗。该子系统核心功能是高效清除光伏板表面积尘、杂物，控制灰尘残留量，保障发电效率提升达标。

（3）防护限位子系统：由红外传感器、限位挡板、缓冲胶垫、密封护板组成。红外传感器实时监测光伏板边缘与障碍物，触发信号后控制整机停机转向；前后限位挡板搭配缓冲胶垫，防止碰撞损坏；机身外围密封护板达到IP67防护等级，隔绝沙尘、雨水侵入。该子系统负责整机安全防护，降低户外作业故障概率。

（4）供电控制子系统：由磷酸铁锂电池、控制主板、开关元件、接线端子组成。锂电池为整机提供持续动力，控制主板集成驱动控制、传感器信号处理、路径规划模块，实现自主行走、自动清洁、故障报警功能。该子系统统筹整机动力分配与智能控制，保障连续续航与稳定运行。

2.4 整体结构参数确定

结合主流光伏板尺寸（长1650mm×宽990mm）、设计指标及结构方案，通过理论计算与行业参数对标，核定整机核心结构参数，确保各项指标贴合实际运维需求，具体参数如表2-1所示。

表2-1 参数表

参数类别	具体参数	参数依据
整机外形尺寸	长1700mm×宽800mm×高450mm	适配单块光伏板宽度，预留安装间隙
整机额定重量	≤48kg	铝合金框架+轻量化部件，避免压损光伏板
清洁滚刷跨度	1600mm	全覆盖主流光伏板有效发电面积
行走轮径	120mm	适配5mm越障高度，提升通过性
机身离地间隙	30mm	规避光伏板边框凸起，防止刮擦
适配光伏倾角	25°-30°	贴合固定式光伏电站常规安装角度
转向半径	≤0.7m	满足光伏板阵列狭小空间转向需求

上述结构参数均经过理论校核，既保证整机结构紧凑、重心合理，又满足行走、越障、清洁的核心功能需求，同时预留10%的参数余量，应对户外复杂工况的不确定性，为后续关键部件结构设计与三维建模提供精准的数据支撑。

图2-1 光伏板智能清洁机器人结构图

第3章 关键部件的结构设计与校验

关键部件的结构合理性与力学强度直接决定光伏板智能清洁机器人整机的运行稳定性、使用寿命与安全性能。本章基于第二章确定的总体方案与结构参数，针对侧围板覆盖件、传动链轮、电机输出链轮、刮板支架、轮边减速架、毛刷轮骨架六大核心受力部件，逐一开展精细化结构设计；结合户外工况载荷、材料力学特性与传动要求，建立数学校验模型，通过强度校核、刚度校核、传动参数校核等流程，验证各部件结构满足工况需求，为后续三维建模与仿真验证提供理论依据。

3.1 侧围板覆盖件的结构设计与校验

3.1.1 侧围板覆盖件结构设计

侧围板覆盖件作为机器人整机的外围防护部件，兼具防尘、防水、防撞与外观规整功能，安装于机身主框架左右两侧，包裹行走机构、传动部件与电气模块，是整机防护系统的核心组成部分。结合整机结构参数（长1700mm×宽800mm×高450mm）与IP67防护要求，侧围板采用分体式弧形曲面结构，摒弃直角棱角设计，减少沙尘堆积与碰撞应力集中；材质选用3mm厚5052铝合金板材，该材质密度小、耐腐蚀性强、成型性好，适配户外高低温、沙尘环境，同时兼顾轻量化要求。

结构细节设计：围板主体采用冲压一体成型工艺，上部开设散热格栅（格栅孔径5mm，防止蚊虫与沙尘侵入），下部预留行走轮、刮板避让槽，边缘设置翻边结构（翻边宽度15mm），用于与主框架螺栓连接；围板内侧加装减震胶垫卡槽，装配厚度5mm橡胶垫，缓冲行走过程中的振动冲击；前后两端设计圆弧过渡段，配合防坠落限位机构，提升整机通过性。为保证装配精度，侧围板对称布置6个M6螺栓安装孔，孔位间距250mm，实现与主框架的稳固连接。

第4章 三维建模设计

三维建模是光伏板智能清洁机器人结构设计从理论方案到实体落地的关键环节，通过数字化建模可直观验证结构合理性、装配可行性与干涉情况，为后续仿真分析与加工制造提供精准依据。本章基于前文确定的总体方案与关键部件设计参数，依托SolidWorks软件完成机器人整机及核心子系统的三维建模，开展模型装配与干涉检查，形成完整的数字化设计模型。

4.1 建模软件与建模标准确定

本次三维建模选用SolidWorks 2023作为核心建模软件，该软件具备参数化建模、装配体设计、工程图生成等全流程功能，可高效完成机械结构的精细化建模与装配，同时支持与ANSYS等仿真软件的无缝对接，满足后续设计验证需求。建模过程严格遵循GB/T 4458-2002《机械制图》国家标准，统一建模标准如下：

单位制：采用毫米（mm）、千克（kg）、秒（s）的国际单位制，确保参数与前文设计数据完全一致；

建模规范：关键部件采用参数化建模，核心尺寸关联设计参数，便于后续优化调整；

装配规范：采用自底向上的装配方式，先完成单个零件建模，再按装配关系依次装配，添加配合约束保证运动可行性；

颜色规范：不同功能部件采用差异化颜色区分，如主框架为青绿色、侧围板为白色、驱动部件为蓝色、清洁部件为棕色，提升模型可读性。

4.2 核心部件三维建模与装配

基于第3章关键部件的结构设计参数，依次完成侧围板覆盖件、传动链轮、电机输出链轮、刮板支架、轮边减速架、毛刷轮骨架等核心零件的三维建模，再按功能模块完成子系统装配，最终整合为整机模型。

4.2.1 核心零件建模

针对六大关键受力部件，严格按照设计尺寸完成参数化建模：侧围板采用钣金建模功能，完成弧形曲面、翻边、安装孔的一体成型；传动链轮与电机输出链轮通过“链轮”特征工具，输入节距、齿数等参数生成标准齿形，再添加轮毂、键槽等结构；刮板支架采用拉伸、阵列特征完成U型框架与加强筋建模；轮边减速架通过拉伸切除、孔特征生成箱体结构与轴承安装位；毛刷轮骨架通过旋转、阵列特征完成中空轴与辐条结构建模，确保各零件尺寸与设计参数1:1匹配。

4.2.2 子系统与整机装配

按功能模块划分，依次完成行走驱动子系统、清洁执行子系统、防护子系统、供电控制子系统的装配，再整合为整机模型。行走驱动子系统装配电机输出链轮、传动链轮、轮边减速架、驱动轮，添加同轴、平行配合，保证传动链运动顺畅；清洁执行子系统装配毛刷轮骨架、毛刷、刮板支架、雾化喷头，通过联轴器连接毛刷滚轮电机，确保毛刷旋转无卡滞；防护子系统装配侧围板覆盖件、侧围挡雨件，通过螺栓配合与主框架固定；供电控制子系统将电池箱、控制模块集成于机身尾部，完成线路布局。最终完成的整机三维模型如图4-1所示。

图4-1 光伏板智能清洁机器人整机三维模型

为清晰展示内部结构，完成整机模型的剖切视图建模，直观呈现内部部件布局与装配关系，如图4-2所示。

图4-2 光伏板智能清洁机器人整机剖切三维模型

4.3 整机三维模型整合与优化

完成初步装配后，对整机模型进行结构整合与优化，重点优化以下内容：

结构轻量化优化：在保证强度的前提下，对主框架、侧围板等非受力部位添加减重孔，优化后整机重量控制在48kg以内，符合设计指标；

布局优化：调整电池箱、控制模块的安装位置，使整机重心位于几何中心，提升斜面行走稳定性；优化毛刷轮与刮板的相对位置，保证清洁无死角；

工艺性优化：简化复杂结构，统一螺栓规格，降低加工与装配难度；优化侧围板弧形曲面设计，减少沙尘堆积，提升防护性能。

优化后的整机模型采用一体化布局，结构紧凑、重心合理，适配光伏板斜面行走与清洁需求，整机轴测视图如图4-3所示。

图4-3 光伏板智能清洁机器人整机三维模型

4.4 模型干涉检查与尺寸校核

为确保模型装配的可行性，利用SolidWorks“干涉检查”功能对整机模型进行全面检测，重点检查传动部件、清洁部件、行走机构的运动干涉，以及电气模块与机械结构的空间干涉。检查结果显示：

传动链轮与链条、毛刷轮与电机联轴器等运动部件无静态与动态干涉，运动轨迹顺畅；

侧围板与行走轮、刮板与光伏板无干涉，避让槽尺寸满足运动需求；

电池箱、控制模块与主框架无空间干涉，线路布局合理。

同时，对整机关键尺寸进行校核，外形尺寸（长1700mm×宽800mm×高450mm）、清洁跨度（1600mm）、行走轮径（120mm）等核心参数均与第二章设计指标完全一致，误差控制在±0.5mm以内，满足加工精度要求。

第5章 设计验证

5.1 力学性能仿真分析与验证

力学性能仿真聚焦整机关键承载部件与整机结构，选用ANSYS Workbench仿真平台，导入优化后的整机三维模型，开展静力学强度仿真、模态分析，模拟户外实际工况载荷，校验部件应力、形变与抗振性能，确保结构满足长期运行要求。

仿真前处理：简化模型非关键特征（小孔、圆角），划分网格精度2mm，材料属性沿用前文设计参数（铝合金、45钢、铸铁等），施加约束（行走轮与光伏板接触面固定约束）、施加载荷（整机自重、风载荷、清扫阻力、斜面倾覆力）。仿真核心考核指标为部件最大等效应力、最大形变与固有频率。

仿真结果显示：侧围板、刮板支架、轮边减速架等关键部件应力分布均匀，无明显应力集中区域，最大等效应力远低于材料许用应力；整机形变极小，核心承载部件形变量控制在允许范围内，不会影响装配精度与运动流畅度；整机低阶固有频率远离户外激励频率，无共振风险，力学性能达标。

表5-1：关键部件力学性能仿真数据汇总

部件名称	最大等效应力 （MPa）	许用应力 （MPa）	最大形变量 （mm）	许用形变量 （mm）
侧围板覆盖件	11.2	85	0.86	8.0
传动链轮	217	400	0.03	0.1
轮边减速架	60	117	0.12	0.5
毛刷轮骨架	15	75	0.09	0.3

通过仿真数据对比可知，各关键部件力学性能均满足设计要求，结构强度、刚度与抗振性适配户外光伏电站复杂工况，无断裂、变形超标、共振等隐患，力学设计合理可靠。

5.2 运动性能仿真分析与验证

运动性能仿真选用Adams多体动力学软件，还原机器人行走、转向、越障、清洁等运动工况，重点核验行走速度、转向半径、越障能力、防滑性能、传动效率等核心指标，验证整机运动流畅性与工况适配性。

仿真设置：搭建光伏板斜面仿真环境（倾角27°，常规光伏电站安装角度），设置光伏板间隙3mm、障碍物高度5mm，赋予整机运动参数（驱动电机转速、传动比、行走轮径），模拟自主行走、转弯、越障全过程，采集运动数据并与设计指标对比。

仿真结果表明：机器人行走速度稳定，转向灵活，越障过程无卡滞、打滑、侧翻现象，传动链运行顺畅，无运动干涉；斜面行走防滑性能优异，转弯半径符合狭小空间作业要求，各项运动参数均达到预设指标，可适配固定式光伏板阵列的运维场景。

表5-2：运动性能仿真结果与设计指标对比

运动参数	仿真实测值	设计指标值	达标情况
额定行走速度	0.58m/s	≥0.5m/s	达标
最小转向半径	0.68m	≤0.7m	达标
最大越障高度	5.2mm	≥5mm	达标
斜面打滑率	1.2%	≤3%	达标
传动效率	92.3%	≥85%	达标

运动仿真验证结果说明，整机行走驱动系统、传动系统设计合理，运动参数精准匹配设计要求，斜面行走、转向、越障性能优异，满足光伏电站自动化清洁的运动需求。

5.3 清洁效率仿真模拟与验证

清洁效率仿真采用Fluent与离散相模型（DPM）结合的方式，模拟毛刷轮清扫、浮尘收集全过程，量化评估清洁覆盖率、灰尘残留量、单块光伏板清洁耗时等核心指标，验证清洁执行系统的设计效果。

仿真设定：模拟光伏板表面积尘工况（积尘量16.5g/㎡，行业标准积尘浓度），设置毛刷转速60r/min、清洁跨度1600mm，追踪灰尘颗粒运动轨迹，统计清扫后残留灰尘量与清洁覆盖范围，测算清洁效率并对标行业要求。

仿真结果显示：机器人清洁覆盖率达到100%，无清洁死角；毛刷清扫力度适中，既能彻底清除表面积尘、杂物，又不会损伤光伏板表面；单块光伏板清洁耗时短，灰尘残留量远低于限值，发电效率提升幅度达标，清洁执行系统设计高效可靠。

表5-3：清洁效率仿真模拟数据汇总

清洁指标	仿真实测值	设计指标值	效率提升/达标率
单块光伏板清洁耗时	27s	≤30s	10%（耗时缩短）
清洁后灰尘残留量	3.8g/㎡	≤5g/㎡	达标
清洁覆盖率	100%	≥98%	达标
发电效率提升幅度	18.7%	≥15%	3.7%（超额提升）

清洁效率仿真充分验证了毛刷轮骨架、刮板支架等清洁部件的结构合理性，无水干洗模式效率高、节水环保，完全满足光伏电站高效清洁运维的核心需求。

5.4 结构合理性与指标符合性验证

本节整合前三节仿真数据，结合总体设计方案、关键部件设计参数，从结构布局、模块化设计、工艺性、安全性、指标匹配度五个维度，综合核验整机结构合理性与设计指标符合性，形成最终验证结论。

结构合理性核验：整机采用轮履复合模块化结构，布局紧凑、重心居中，无冗余结构与干涉问题；关键部件选材适配户外环境，工艺性强、便于加工装配；防坠落、防滑、防护等级等安全设计到位，符合GB/T 44264-2024国家标准要求。

指标符合性核验：汇总整机核心设计指标，对比仿真实测数据，涵盖结构参数、运动参数、清洁参数、防护参数、能耗参数五大类，所有指标均达标，部分指标超额完成，无设计偏差与性能短板。

表5-4：整机核心指标符合性验证汇总

指标类别	核心参数	仿真/设计值	标准/要求值	符合性判定
结构参数	整机重量/外形尺寸	47.6kg/1700×800×450mm	≤50kg/设计尺寸	符合
防护参数	防护等级/适应温度	IP67/-20℃~60℃	IP67/-20℃~60℃	符合
能耗参数	连续续航时长	8.5h	≥8h	符合
适配参数	光伏板适配倾角	25°~30°	25°~30°	符合

综合验证结论：本光伏板智能清洁机器人结构设计科学合理，模块化程度高、工艺性好、安全性强，所有核心性能指标均满足设计要求与行业标准，可投入实际工程应用。

第6章 总结与展望

6.1 总结

本研究围绕光伏板智能清洁机器人结构设计展开全流程研发，针对传统光伏清洁方式效率低、成本高、适配性差等痛点，结合“双碳”战略下光伏电站规模化运维需求，严格遵循GB/T 44264-2024行业标准，完成了从需求分析、方案设计、部件研发、建模仿真到设计验证的全链条工作，形成了一套完整、可行的轻量化轮履复合式光伏清洁机器人结构设计方案。

在研究过程中，首先通过梳理国内外研究现状，明确了整机设计指标与技术要求，确立了工况适配、结构精简、高效清洁、安全可靠的设计原则；其次完成总体方案设计，选定轮履复合行走结构搭配双滚刷清洁机构的核心布局，拆解四大核心子系统并核定整机关键参数；随后针对侧围板覆盖件、传动链轮、毛刷轮骨架等六大关键部件，开展精细化结构设计与力学、传动强度校验，通过理论公式推导验证了各部件的强度、刚度与使用寿命均满足户外工况要求；依托SolidWorks软件完成整机三维建模与装配优化，通过干涉检查排除结构缺陷；最后借助多场仿真软件完成力学性能、运动性能、清洁效率的数字化验证，结果显示整机各项指标均达标，关键部件无应力集中、运动无干涉、清洁效率与行走稳定性满足运维需求。

本次设计的机器人摒弃了传统轨道式结构的局限性，无需改造光伏电站即可适配25°-30°斜面光伏板，具备轻量化、低成本、无水高效清洁、防护等级高等优势，有效解决了人工清洁与现有机器人的行业痛点，可为地面固定式光伏电站的自动化运维提供可靠的结构设计参考，实现了结构合理性、工况适配性与工程实用性的统一。

6.2 展望

尽管本次设计完成了机器人核心结构研发与仿真验证，但受限于无样机试验、场景模拟单一等条件，机器人在极端工况适配、智能化升级、多功能集成等方面仍有优化空间，结合光伏清洁装备行业发展趋势，后续可从三方面深入研究。

一是优化结构轻量化与极端环境适配性，进一步选用碳纤维复合材料替代部分金属部件，降低整机重量；针对西北荒漠强风沙、高海拔低温、沿海高湿盐雾等特殊环境，优化防护结构与密封工艺，提升机器人在极寒、高温、腐蚀环境下的使用寿命与运行稳定性。二是融合智能感知与集群控制技术，在现有结构基础上加装视觉识别、积尘检测传感器，实现污渍区域精准定位与差异化清洁；结合物联网技术搭建集群调度平台，实现多机器人协同作业，适配大型光伏电站的规模化运维需求，提升整体清洁效率。三是拓展多功能集成设计，在清洁机构基础上集成光伏板故障检测、热斑排查、数据采集模块，让机器人兼具清洁与运维检测双重功能；优化传动系统与动力结构，降低整机能耗，延长续航时长，进一步提升机器人的综合性能与产业化价值，推动光伏电站运维向智能化、高效化、无人化方向发展。

未来随着光伏产业的持续扩容，智能化清洁装备的市场需求将不断攀升，本设计方案可通过持续迭代优化，逐步实现样机试制与工程化应用，为光伏产业低碳高效发展提供技术支撑。