РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА

​DEVELOPMENT AND INVESTIGATION OF A VARIABLE-GEOMETRY SOLAR PANEL DESIGN FOR A ROBOTIC DEVICE

Aleksandrovskiy Egor Valerievich

Master's student, Institute of Nano and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (MIET),

Russia, Zelenograd

Syrchin Vladimir Kimovich

Scientific Supervisor, Doctor of Technical Sciences, Institute of Nano- and Microsystems Engineering, National Research University of Electronic Technology (MIET),

Russia, Zelenograd

АННОТАЦИЯ

Рассматривается способ повышения энергетической автономности робота-доставщика за счёт солнечной панели с изменяемой геометрией. Проанализированы статичные панели, раскрывающиеся фотоэлектрические модули и солнечные трекеры. Предложена одноосная система ориентации панели и приведён оценочный расчёт зубчатого редуктора её привода.

ABSTRACT

The article considers a method for increasing the energy autonomy of a delivery robot by using a variable-geometry solar panel. Static panels, deployable modules and solar trackers are compared. A single-axis panel orientation system is proposed, and an estimated calculation of its gear drive is presented.

Ключевые слова: робот-доставщик, солнечная панель, изменяемая геометрия, солнечный трекер, редуктор, автономное энергоснабжение.

Keywords: delivery robot, solar panel, variable geometry, solar tracker, gear drive, autonomous power supply.

1. Введение

Рост потребности в мобильных робототехнических системах приводит к росту требований к их автономности. Роботы-доставщики, мобильные платформы для мониторинга и малогабаритные сервисные роботы обычно используют аккумуляторные батареи как основной источник питания. При этом запас энергии аккумулятора ограничен, что влияет на маршрут и допустимую массу полезной нагрузки. Одним из способов решения этого ограничения является применение солнечных панелей, размещаемых на роботе [1, 2].

Недостаток этого решения состоит в том, что солнечная панель на мобильной платформе чаще всего закрепляется неподвижно. В течение дня положение Солнца изменяется, а сам робот может менять ориентацию корпуса при движении. В результате угол падения лучей на рабочую поверхность панели становится неоптимальным. Поэтому актуальной является задача разработки солнечной панели с изменяемой геометрией, адаптированной к ограничениям мобильного робота: малой массе, компактности, низкому энергопотреблению привода и достаточной механической жёсткости.

2. Анализ существующих решений

Существующие решения для повышения выработки солнечных панелей можно условно разделить на три группы. Первая группа — статичные панели, закреплённые на корпусе устройства. Их достоинства заключаются в простоте, надёжности и отсутствии энергозатрат на привод. Однако при изменении положения Солнца и курса робота такая панель работает с отклонением от оптимального угла [1].

Вторая группа — раскрывающиеся или выдвижные панели. Они увеличивают эффективную площадь генерации, что особенно полезно для платформ с ограниченной верхней поверхностью корпуса. Недостаток таких решений связан с усложнением кинематики, повышением требований к шарнирам и риском повреждения раскрытых секций при движении робота.

Третья группа — солнечные трекеры. В стационарных установках применяются одноосные и двухосные системы ориентации, изменяющие азимут и угол места панели. Для робота-доставщика полная двухосевая схема часто избыточна: она требует нескольких приводов, увеличивает массу и усложняет защиту механизма от ударов, пыли и влаги. С учётом общих принципов проектирования мехатронных устройств [3] в рассматриваемой конструкции предпочтение отдаётся одноосной системе изменения угла панели, обеспечивающей инженерный компромисс между приростом мощности и простотой реализации.

Рисунок 1. Робот-доставщик с одноосной системой солнечных панелей

3. Расчётная модель ориентации панели

В упрощённой расчётной модели выходная мощность солнечной панели определяется плотностью солнечного излучения G, активной площадью панели A, КПД фотоэлектрического модуля η и углом θ между нормалью к поверхности панели и направлением солнечного излучения. При согласованном азимуте угол θ можно оценить по выражению

где h — высота Солнца над горизонтом; α — угол установки панели.

Полезная электрическая мощность определяется по выражению

где  — мощность, затрачиваемая приводом и системой управления.

Применение изменяемой геометрии оправдано при условии, что прирост энергии от более благоприятной ориентации превышает энергозатраты механизма поворота. Для оценки эффективности используется суммарная энергия рассчитанная за интервал наблюдения.

4. Оценочный расчёт редуктора привода

В качестве расчётного примера рассматривается фотоэлектрический модуль SilaSolar SIM120-12 мощностью 120 Вт. Площадь панели составляет 0,62 м², масса — 7,6 кг, рабочее напряжение — 20,2 В, рабочий ток — 5,95 А, КПД модуля — 19,23 % [4]. Для изменения угла панели рассматривается мотор-редуктор WSJ-550 с напряжением питания 12 В. В оценочном расчёте крутящий момент привода принят равным 10 Н·м; при выборе конкретного исполнения двигателя это значение необходимо проверить по его паспортным данным.

Необходимый момент на оси поворота определяется по выражению

где k — коэффициент запаса; m — масса панели; g — ускорение свободного падения; l — плечо до центра масс;  — максимальный угол подъёма. Для консервативной оценки принято: m = 7,6 кг, l = 0,296 м,  = 60°, k = 1,3. Тогда Mтр ≈ 1,3 · 7,6 · 9,81 · 0,296 · sin 60° ≈ 24,8 Н·м. Подход к оценке параметров механической передачи соответствует общим принципам расчёта зубчатых передач [5].

Для передачи момента используется зубчатая передача с ведущей шестернёй  и модулем . Делительный диаметр ведущей шестерни составляет . Ведомый сектор принимается с радиусом 175 мм, что соответствует делительному диаметру  и эквивалентному числу зубьев . Передаточное отношение

 С учётом КПД передачи  выходной момент составляет

Таблица 1.

Оценочные параметры редуктора поворота панели

Полученный запас по моменту  показывает, что выбранная схема редуктора может обеспечить подъём панели в расчётном режиме.

5. Заключение

Проведённый анализ показывает, что для мобильного робота-доставщика рациональным является применение компактной панели с изменяемой геометрией. Статичная панель проста, но не компенсирует изменение положения Солнца и ориентации корпуса робота. Двухосевой трекер эффективен энергетически, но усложняет конструкцию и увеличивает массу. Одноосная система ориентации панели обеспечивает компромисс: она уменьшает угол падения солнечных лучей и потенциально повышает выработку энергии при умеренных требованиях к приводу.

Расчёт редуктора показал, что при использовании ведущей шестерни с 20 зубьями и ведомого зубчатого сектора радиусом 175 мм может быть получен выходной момент порядка 30,8 Н·м. Это превышает расчётный требуемый момент подъёма панели, равный примерно 24,8 Н·м.

Следовательно, предложенная кинематическая схема может быть использована как основа для экспериментального стенда. Планирование дальнейшего эксперимента и обработку результатов целесообразно выполнять с учётом терминологии ГОСТ 24026–80 [6].

Список литературы:

1. Королева Д. А., Шайдаков В. В., Целищев В. А. Солнечная энергетика: учебное пособие. Вологда: Инфра-Инженерия, 2023. — 140 с.
2. Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В., Кузнецова В. А., Малинин Н. К. Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов. 2-е изд., стер. М.: МЭИ, 2011. — 276 с.
3. Лукинов А. П. Проектирование мехатронных и робототехнических устройств. СПб.: Лань, 2024. — 608 с.
4. Солнечная батарея SilaSolar 120Вт 10BB [Электронный ресурс]. URL: https://nsk-electro.ru/sim120-12-10bb (дата обращения: 09.06.2026).
5. Буланов Э. А. Детали машин. Расчёт механических передач: учебник для вузов. М.: Юрайт, 2026. — 201 с.
6. ГОСТ 24026–80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения.