淺析一種用于塔式太陽能熱發(fā)電站的定日鏡全自動(dòng)清洗車

陳康立，張旭中，何 龍，譚 瀟，王李波，周宇明，黃圓明

(浙江中控太陽能技術(shù)有限公司，杭州 310053)

0 引言

太陽能熱發(fā)電作為一種可再生能源利用方式被廣泛應(yīng)用。根據(jù)太陽能采集方式不同，太陽能熱發(fā)電可以分為槽式、塔式、碟式和菲涅爾式4種技術(shù)類型。其中，塔式太陽能熱發(fā)電是利用大量定日鏡將太陽直射光聚集到吸熱塔頂部的接收器上，接收器將吸收的太陽光光能轉(zhuǎn)換成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)，再輸入至蒸汽發(fā)生器，膨脹做工，以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后以電能的形式輸出[1]。塔式太陽能熱發(fā)電的原理示意圖如圖1 所示。

定日鏡由反射鏡、支撐桁架、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及立柱組成。大量的定日鏡組成鏡場(chǎng)，而鏡場(chǎng)作為塔式太陽能熱發(fā)電站的主要組成部分，其造價(jià)占電站整體造價(jià)的一半以上。比如在投資達(dá)1.42 億美元的Solar One 電站中，鏡場(chǎng)的投資比例占了52%[2]。鏡場(chǎng)的清潔度關(guān)系到整個(gè)電站的發(fā)電效率，維持鏡場(chǎng)較高的清潔度可有效提高電站的效益。

我國西北地區(qū)適合建設(shè)塔式太陽能熱發(fā)電站，但此類地區(qū)往往風(fēng)沙較大，定日鏡長期在戶外追日，其表面容易積灰，導(dǎo)致反射率降低，這會(huì)影響電站的發(fā)電效率，降低電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，定日鏡的清洗工作是塔式太陽能熱發(fā)電站運(yùn)營中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高定日鏡清洗工作的效率與安全性，降低清洗工作的成本，減少清洗工作對(duì)定日鏡日常追日產(chǎn)生的影響，需制定高效、安全的定日鏡清洗方案，并采用相應(yīng)的清洗車對(duì)定日鏡進(jìn)行清洗。

本文介紹了一種基于導(dǎo)航系統(tǒng)和鏡場(chǎng)整體控制的定日鏡全自動(dòng)清洗車，其可以大幅減少人力資源，并實(shí)現(xiàn)夜間清洗，提高了電站運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 塔式太陽能熱發(fā)電的原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tower type CSP

1 定日鏡全自動(dòng)清洗車的結(jié)構(gòu)

目前，由于不同的塔式太陽能熱發(fā)電站中采用的定日鏡規(guī)格各不相同，從2 m2的小型定日鏡到超過100 m2的大型定日鏡都有，因此，清洗方案也大相徑庭。不同規(guī)格的定日鏡采用不同的清洗車，具體如圖2 所示。

圖2 不同規(guī)格定日鏡采用的清洗車Fig. 2 Cleaning vehicle for heliostats with different specifications[3-4]

現(xiàn)有的定日鏡清洗設(shè)備大多涉及到人工操作，但塔式太陽能熱發(fā)電站中的定日鏡數(shù)量極多，若完全依靠人工操作來進(jìn)行定日鏡的清洗，非常消耗人力資源。因此，采用定日鏡全自動(dòng)清洗車對(duì)電站運(yùn)營至關(guān)重要。

1.1 定日鏡全自動(dòng)清洗車的車體結(jié)構(gòu)

為了能夠在正常行走的同時(shí)跨過定日鏡鏡面，本文設(shè)計(jì)的定日鏡全自動(dòng)清洗車的車體采用跨越式門架結(jié)構(gòu)，使清洗車在工作時(shí)橫跨于一行定日鏡之上，可一邊行走一邊對(duì)定日鏡進(jìn)行清洗作業(yè)。定日鏡全自動(dòng)清洗車的示意圖如圖3 所示。

圖3 定日鏡全自動(dòng)清洗車示意圖Fig. 3 Schematic diagram of heliostat automatic cleaning vehicle

定日鏡全自動(dòng)清洗車的車體兩側(cè)為車輛驅(qū)動(dòng)部件，每側(cè)安裝有2 組輪胎。兩側(cè)車體通過中部橫梁進(jìn)行連接，形成了一個(gè)完整的門架結(jié)構(gòu)。門架內(nèi)部寬度略寬于定日鏡寬度，門架頂部距離水平姿態(tài)時(shí)的定日鏡的高度為60～80 cm，這樣能保證清洗車橫跨于定日鏡之上進(jìn)行清洗工作。

定日鏡全自動(dòng)清洗車采用4 個(gè)轉(zhuǎn)輪向，以保證清洗車在行走過程中有盡可能小的轉(zhuǎn)彎半徑。由于4 個(gè)輪子均可以轉(zhuǎn)向，清洗車具備八字轉(zhuǎn)向，因此其可以采用斜向行走、橫向行走、原地自轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)模式，可保證車體能在道路環(huán)境復(fù)雜的定日鏡鏡場(chǎng)中順利行走。

1.2 定日鏡全自動(dòng)清洗車的清洗機(jī)構(gòu)

定日鏡全自動(dòng)清洗車的清洗機(jī)構(gòu)安裝在升降平臺(tái)上，采用尼龍刷輥加噴水的方式進(jìn)行清洗。1 個(gè)清洗機(jī)構(gòu)中有2 根刷輥，單根刷輥的兩端裝配有臺(tái)階軸及鍵槽；刷輥采用兩支點(diǎn)支撐的方式，可大幅加強(qiáng)刷輥旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性。清洗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由其上安裝的傳感器的反饋信號(hào)來控制，進(jìn)而完成整個(gè)鏡面的清洗工作。

升降平臺(tái)的升降通過安裝在車身前部的2 個(gè)超聲波傳感器來反饋，依靠減速電機(jī)與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)滑架來實(shí)現(xiàn)，從而調(diào)整刷輥到定日鏡鏡面的距離，并可通過升降平臺(tái)兩側(cè)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)來微調(diào)刷輥的角度。

當(dāng)冬季氣溫低于0 ℃、定日鏡清洗無法繼續(xù)采用水洗方案時(shí)，可人工關(guān)閉清洗車的噴水機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)而采用干刷清洗模式。為了保證清洗效果，在干刷清洗模式下，清洗車的清洗機(jī)構(gòu)將采用雙排刷輥，以通過1 次清洗達(dá)到2 次的清洗效果，縮短了清洗時(shí)間。

1.3 安全防護(hù)系統(tǒng)

清洗機(jī)構(gòu)至定日鏡鏡面間，除了有超聲波測(cè)量距離外，還安裝了多組限位開關(guān)，以確保刷輥不會(huì)觸碰到鏡面。此外，車身自前向后安裝了4 組拉線傳感器，分別布置在車體內(nèi)側(cè)上部的左前、左后、右前和右后部位。如果定日鏡全自動(dòng)清洗車意外偏離軌跡時(shí)，定日鏡碰到任何一組拉線傳感器，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，并強(qiáng)制清洗車停車；只有在人工解除報(bào)警并將車身調(diào)整至正確位置后，清洗車才會(huì)繼續(xù)向前行進(jìn)。

2 定日鏡全自動(dòng)清洗車的功能系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的定日鏡全自動(dòng)清洗車是根據(jù)在西北地區(qū)投運(yùn)近4 年的中控德令哈10 MW 塔式太陽能熱發(fā)電站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的，并在青海德令哈的塔式太陽能熱發(fā)電站中得到了充分測(cè)試驗(yàn)證。

假設(shè)鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)的平均清潔度為85%，那么理想的清洗前的平均清潔度應(yīng)高于80%，清洗后的平均清潔度應(yīng)高于90%。而實(shí)測(cè)的單個(gè)定日鏡清潔度隨時(shí)間變化的曲線顯示，其清潔度從90%降至80%的時(shí)間約為7 天(受到季節(jié)及天氣狀況影響，可能會(huì)存在波動(dòng))。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，定日鏡全自動(dòng)清洗車對(duì)鏡面進(jìn)行一次清洗后可將單個(gè)定日鏡的清潔度從70%提升至約90%；清洗15天后鏡場(chǎng)的平均清潔度才降至78%以下，所以按照5 天清洗一次設(shè)計(jì)清洗周期較為合理。由于我國西北地區(qū)沙塵量大，如果依然參照國外的運(yùn)營模式，每2～3 個(gè)月清洗一次，那么全年鏡場(chǎng)的平均清潔度將僅約為60%，發(fā)電量損失將超過

30%。

定日鏡全自動(dòng)清洗車可在夜間工作，每日可工作16 h，按照5 輛車計(jì)算，為了在相同的清洗時(shí)間內(nèi)完成清洗任務(wù)，采用人工清洗方案時(shí)，由于人工清洗白天只能清洗8 h，則需配備10 輛常規(guī)清洗車和10 名專職駕駛員。由此可以看到，采用定日鏡全自動(dòng)清洗車的清洗方案能夠節(jié)省大量人力成本開支。

當(dāng)1 輛清洗車在進(jìn)行定日鏡清洗時(shí)，會(huì)影響大約30 面定日鏡的正常追日，綜合估算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)10 輛清洗車一起工作時(shí)，將導(dǎo)致鏡場(chǎng)可用率下降約0.8%。在相同清洗任務(wù)及相同工作時(shí)間下，所需要的定日鏡全自動(dòng)清洗車數(shù)量較少，且運(yùn)行速度更穩(wěn)定；同時(shí)，全自動(dòng)清洗車清洗單面定日鏡的耗時(shí)僅約為30 s，對(duì)定日鏡正常追日的影響較小。綜上所述，采用定日鏡全自動(dòng)清洗車對(duì)鏡場(chǎng)的影響更小。

2.1 定日鏡全自動(dòng)清洗車的導(dǎo)航系統(tǒng)

定日鏡全自動(dòng)清洗車的導(dǎo)航系統(tǒng)包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用載波差分(RTK)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)清洗車的厘米級(jí)定位，具有全天候、導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間積累的優(yōu)勢(shì)，可保證定位精度在2 cm 以內(nèi)，且實(shí)時(shí)性好。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于車體航向的確定，尤其是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在遮擋時(shí)，有了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，定日鏡全自動(dòng)清洗車仍可以正常使用。定日鏡全自動(dòng)清洗車的導(dǎo)航系統(tǒng)以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為輔。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)僅可以提供清洗車的位置信息，但清洗車在自主駕駛運(yùn)行過程中還需準(zhǔn)確獲取車輛的運(yùn)行方向、與定日鏡的相對(duì)位姿關(guān)系、運(yùn)行避障策略等信息，因此需采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來對(duì)清洗車的位置、速度、角度、角速度等實(shí)時(shí)信息進(jìn)行測(cè)量。定日鏡全自動(dòng)清洗車的運(yùn)行路徑示意圖如圖4 所示。

圖4 全自動(dòng)清洗車的運(yùn)行路徑示意圖Fig. 4 Schematic of the automatic cleaning vehicle running path

由于定日鏡全自動(dòng)清洗車在鏡場(chǎng)中行進(jìn)時(shí)還會(huì)遇到各種復(fù)雜的地形環(huán)境、定日鏡姿態(tài)干擾等未知情形，因此其應(yīng)該配備紅外測(cè)距儀或成像相機(jī)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的周圍環(huán)境，以降低車輛的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 定日鏡全自動(dòng)清洗車的控制系統(tǒng)

配備有導(dǎo)航系統(tǒng)的定日鏡全自動(dòng)清洗車通過以太網(wǎng)連接到主控室，操作人員通過主控室的上位機(jī)獲取清洗車自身狀態(tài)信息和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制需求和獲取的清洗車相關(guān)信息輸入相應(yīng)的控制指令，控制指令經(jīng)以太網(wǎng)傳輸給定日鏡全自動(dòng)清洗車，該清洗車的工控機(jī)解析接收到的控制指令，并根據(jù)控制指令完成相應(yīng)的作業(yè)。

定日鏡全自動(dòng)清洗車的控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、主控制器、防撞監(jiān)測(cè)與避障系統(tǒng)、牽引制動(dòng)機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向電機(jī)。

工控機(jī)用于采集車載設(shè)備的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行核心導(dǎo)航算法及控制算法的運(yùn)算，可輸出或存儲(chǔ)車輛實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)信息及其他相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

主控制器通過CAN 網(wǎng)絡(luò)接收工控機(jī)輸出的清洗車的實(shí)時(shí)信息，控制車體的牽引制動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)清洗車的行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)向控制。

防撞監(jiān)測(cè)與避障系統(tǒng)主要起保護(hù)作用，避免全自動(dòng)清洗車在行進(jìn)過程中撞破定日鏡鏡面。該系統(tǒng)可采用云臺(tái)相機(jī)、紅外相機(jī)或車載雷達(dá)來實(shí)時(shí)獲取清洗車周圍的圖像，并經(jīng)由工控機(jī)運(yùn)行圖像處理算法來控制全自動(dòng)清洗車的行進(jìn)；同時(shí)在車體周圍安裝傳感器，主控制器通過接收傳感器信號(hào)來控制全自動(dòng)清洗車的行進(jìn)。

牽引制動(dòng)機(jī)構(gòu)包括車載油門和剎車系統(tǒng)，主控制器通過電控的方式，依據(jù)工控機(jī)下發(fā)的指令控制牽引制動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而控制定日鏡全自動(dòng)清洗車的行進(jìn)速度。

轉(zhuǎn)向電機(jī)作為全自動(dòng)清洗車的執(zhí)行部分，可以接收主控制器發(fā)出的指令并對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)，從而控制全自動(dòng)清洗車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全自動(dòng)清洗車轉(zhuǎn)向的控制。

3 結(jié)論

定日鏡作為塔式太陽能熱發(fā)電站的重要組成部分，其清潔度會(huì)極大影響電站的發(fā)電量，本文介紹了一種用于塔式太陽能熱發(fā)電站的定日鏡全自動(dòng)清洗車，并得到以下結(jié)論：

1)定日鏡全自動(dòng)清洗車可大幅降低塔式太陽能熱發(fā)電站的運(yùn)營成本。全自動(dòng)清洗車每天可清洗16 h，而人工清洗方案僅能在白天工作8 h，因此為了使花費(fèi)的清洗時(shí)間相同，人工清洗方案需要配置2 倍的清洗車數(shù)量。而且隨著清洗車數(shù)量的增加，無法正常跟蹤追日的定日鏡數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加，則鏡場(chǎng)可用率會(huì)降低，進(jìn)而影響電站效益。

2)采用定日鏡全自動(dòng)清洗車可實(shí)現(xiàn)定日鏡鏡場(chǎng)的隨時(shí)全自動(dòng)化清洗，將大幅提高鏡場(chǎng)的平均清潔度，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，定日鏡全自動(dòng)清洗車對(duì)鏡面進(jìn)行一次清洗后可將單個(gè)定日鏡的清潔度從70% 提升至約90%，從而提高鏡場(chǎng)的聚光集熱效率。

3)全自動(dòng)清洗車清洗單面定日鏡的耗時(shí)僅約30 s，對(duì)定日鏡正常追日的影響較小。