答辩博士：AHMED AMIN MOHAMED TAIE
指导教师：汪小旵教授
论文题目：温室屋顶自动化清洁装置设计与装备研发
答辩委员会：
主席：
鲁植雄教授/博导 南京农业大学
委员：
薛金林教授/博导 南京农业大学
蒋雪松教授/博导 南京林业大学
王新忠教授/博导 江苏大学
卢伟教授/博导 南京农业大学
秘书：戴 芸 南京农业大学
答辩时间：2025年11月30日14:00
答辩地点：滨江校区12#B442
学位论文简介：
在现代农业中，温室对提升作物生产效率和资源利用效率具有显著作用。然而，温室屋顶积尘是制约温室光合效率的主要因素，其可导致光照强度降低30%以上，并使作物产量和品质下降至少30%。屋顶清洁是解决积尘的常见手段，但人工清洁存在覆盖材料易损、安全性低、效率低以及成本较高等问题，为解决这些问题，本文设计了一套温室屋顶自动化智能清洁装置，研究了其运行机制、规格参数、工作性能及作业精度，以及运动系统性能、清洁效率和适应性。该系统通过积尘分级系统，监测灰尘水平并在超过预设阈值时触发自主清洁功能，实现温室屋顶清洁的智能控制。主要研究工作和成果如下：
(1) 温室屋顶清洁装置设计与积尘分级评价
设计了一种用于文洛型温室屋顶的清洁装置，并建立了基于透光率的积尘分级评价体系。通过采用不同配比的水和清洁剂（cement removal agent，CRA）混合溶液进行清洁试验。研究结果表明，温室覆盖材料的透光率可有效表征积尘程度：透光率88%至93%表示屋顶清洁状态，82%至87%表示轻微积尘，75%至81%表示中度积尘，低于75%则表示重度积尘。该装置显著提升了不同积尘程度屋顶的透光性能：轻微积尘屋顶的光照强度从39,285 lux提升至41,731 lux（CRA:水=1:3），中度积尘屋顶从36,777 lux提升至39,383 lux（CRA:水=1:1），重度积尘屋顶从30,585 lux提升至35,525 lux（CRA:水=3:1）。本研究验证了透光率分级方法的可行性，同时证明了该清洁装置的高效性与实用性。
(2) 温室屋顶清洁装置的结构设计与优化
设计了一套适用于大型温室的自主清洁装置。该装置集成了可调毛刷、刮板和喷水器等清洁模块，并配备了智能传感控制单元以实现自主运行。动力系统采用500W光伏（PV）供电方案，配合电动驱动轮实现平稳移动；设计了可更换的刷-刮复合机构以提高设备耐用性和维护便捷性。使用SolidWorks建模分析质量属性，采用k-ε湍流模型开展计算流体力学仿真以评估风载工况；通过ANSYS结构分析验证了系统在极端风速（126公里/小时，达常规工况十倍）下的耐久性。转速对比试验（25转/分与50转/分）表明，25转/分工况在清洁效率与设备耐久性之间达到最优平衡。
(3) 光伏驱动系统能源性能评估
设计了一套独立光伏供电系统以解决清洁装置在多变光照条件下的能源供应问题。该系统由四块160W柔性光伏组件与四块12V 20.5Ah蓄电池（串联配置）构成，并配备MPPT充电控制器以优化能量转换效率。光伏板采用双侧安装布局，最大化提升太阳辐射捕获能力。利用PVsyst软件在南京地区进行模拟，结果显示，系统年接收总辐照量达1215.4 kWh/m²，在系统性能比为47.93%的条件下，年发电量可达524.64 kWh，完全满足装置运行需求。夏季发电效率最高，荷电状态接近于1.0，冬季效率降低，荷电状态波动于0.2–0.4之间。预计30年内，该系统可减少碳排放15.51吨。
(4) 屋顶智能清洁装置与积尘分级系统的集成优化
研发了一套集温室屋顶自动清洁与积尘智能分级于一体的系统，该系统能通过移动应用程序实现远程智能控制。该系统采用模块化设计，包含稳定驱动机构（驱动轮+支撑轮）、高效清洁单元和双控制模块，可进行移动端远程监控与自主运行。评估了清洁参数，包括设备速度（0.1-0.3米/秒）和摩擦距离（1.5-5毫米）对清洁效果的影响。基于透光率建立的四级积尘评价体系（清洁≥86%；轻微80-85%；中度75-79%；重度<74%）为系统提供了精准的清洁决策依据。通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）分析发现，积尘主要成分为硅钙钾化合物，形态呈不规则/球形，其来源包括土壤颗粒、肥料、孢子和花粉等。微生物群落分析表明，影响积尘累积和温室屋顶透光率的主要因素是生物膜形成菌（蓝细菌、甲基杆菌）和分解菌（芽孢杆菌、假单胞菌）。优化试验表明：0.3m/s清洁速度配合1.5mm摩擦距离可实现最佳综合性能（透光率提升2.5%，达90%），而0.1m/s低速节能模式虽降低20%能耗，但需增加15%清洁剂用量。
主要创新点如下：
1.This is the first comprehensive study documenting global methods for cleaning greenhouse roofs.
2.The study designed, fabricated and tested a practical cleaning device for a greenhouse roof with its potential to be expand widely and multifunctionality.
3.Introduces the first sustainable power source PV system for the cleaning greenhouse device and implements a control system, a two-control unit (internal slave and external master) with remote management through a mobile application.
4.The study offers an innovative dirt classification system based on light transmittance.
