淺析一種用于塔式太陽能熱發(fā)電站的定日鏡全自動清洗車

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，以帶動發(fā)電機發(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)動裝置及立柱組成。大量的定日鏡組成鏡場，而鏡場作為塔式太陽能熱發(fā)電站的主要組成部分，其造價占電站整體造價的一半以上。比如在投資達1.42 億美元的Solar One 電站中，鏡場的投資比例占了52%[2]。鏡場的清潔度關(guān)系到整個電站的發(fā)電效率，維持鏡場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，這會影響電站的發(fā)電效率，降低電站運行的經(jīng)濟性。因此，定日鏡的清洗工作是塔式太陽能熱發(fā)電站運營中的關(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)的清洗車對定日鏡進行清洗。

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

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，采用定日鏡全自動清洗車對電站運營至關(guān)重要。

1.1 定日鏡全自動清洗車的車體結(jié)構(gòu)

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

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

定日鏡全自動清洗車的車體兩側(cè)為車輛驅(qū)動部件，每側(cè)安裝有2 組輪胎。兩側(cè)車體通過中部橫梁進行連接，形成了一個完整的門架結(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行清洗工作。

定日鏡全自動清洗車采用4 個轉(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)等多種運動模式，可保證車體能在道路環(huán)境復(fù)雜的定日鏡鏡場中順利行走。

1.2 定日鏡全自動清洗車的清洗機構(gòu)

定日鏡全自動清洗車的清洗機構(gòu)安裝在升降平臺上，采用尼龍刷輥加噴水的方式進行清洗。1 個清洗機構(gòu)中有2 根刷輥，單根刷輥的兩端裝配有臺階軸及鍵槽；刷輥采用兩支點支撐的方式，可大幅加強刷輥旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性。清洗機構(gòu)的運動由其上安裝的傳感器的反饋信號來控制，進而完成整個鏡面的清洗工作。

升降平臺的升降通過安裝在車身前部的2 個超聲波傳感器來反饋，依靠減速電機與滾珠絲杠驅(qū)動滑架來實現(xiàn)，從而調(diào)整刷輥到定日鏡鏡面的距離，并可通過升降平臺兩側(cè)的獨立驅(qū)動來微調(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，可人工關(guān)閉清洗車的噴水機構(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，清洗車的清洗機構(gòu)將采用雙排刷輥，以通過1 次清洗達到2 次的清洗效果，縮短了清洗時間。

1.3 安全防護系統(tǒng)

清洗機構(gòu)至定日鏡鏡面間，除了有超聲波測量距離外，還安裝了多組限位開關(guān)，以確保刷輥不會觸碰到鏡面。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。如果定日鏡全自動清洗車意外偏離軌跡時，定日鏡碰到任何一組拉線傳感器，將會觸發(fā)報警裝置，并強制清洗車停車；只有在人工解除報警并將車身調(diào)整至正確位置后，清洗車才會繼續(xù)向前行進。

2 定日鏡全自動清洗車的功能系統(tǒng)

本文設(shè)計的定日鏡全自動清洗車是根據(jù)在西北地區(qū)投運近4 年的中控德令哈10 MW 塔式太陽能熱發(fā)電站的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計的，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試驗證。

假設(shè)鏡場設(shè)計時的平均清潔度為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%。而實測的單個定日鏡清潔度隨時間變化的曲線顯示，其清潔度從90%降至80%的時間約為7 天(受到季節(jié)及天氣狀況影響，可能會存在波動)。根據(jù)實際測試，定日鏡全自動清洗車對鏡面進行一次清洗后可將單個定日鏡的清潔度從70%提升至約90%；清洗15天后鏡場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營模式，每2～3 個月清洗一次，那么全年鏡場的平均清潔度將僅約為60%，發(fā)電量損失將超過

30%。

定日鏡全自動清洗車可在夜間工作，每日可工作16 h，按照5 輛車計算，為了在相同的清洗時間內(nèi)完成清洗任務(wù)，采用人工清洗方案時，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 輛清洗車在進行定日鏡清洗時，會影響大約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，將導(dǎo)致鏡場可用率下降約0.8%。在相同清洗任務(wù)及相同工作時間下，所需要的定日鏡全自動清洗車數(shù)量較少，且運行速度更穩(wěn)定；同時，全自動清洗車清洗單面定日鏡的耗時僅約為30 s，對定日鏡正常追日的影響較小。綜上所述，采用定日鏡全自動清洗車對鏡場的影響更小。

2.1 定日鏡全自動清洗車的導(dǎo)航系統(tǒng)

定日鏡全自動清洗車的導(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)實現(xiàn)全自動清洗車的厘米級定位，具有全天候、導(dǎo)航誤差不隨時間積累的優(yōu)勢，可保證定位精度在2 cm 以內(nèi)，且實時性好。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，有了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，定日鏡全自動清洗車仍可以正常使用。定日鏡全自動清洗車的導(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行過程中還需準(zhǔn)確獲取車輛的運行方向、與定日鏡的相對位姿關(guān)系、運行避障策略等信息，因此需采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來對清洗車的位置、速度、角度、角速度等實時信息進行測量。定日鏡全自動清洗車的運行路徑示意圖如圖4 所示。

圖4 全自動清洗車的運行路徑示意圖Fig. 4 Schematic of the automatic cleaning vehicle running path

由于定日鏡全自動清洗車在鏡場中行進時還會遇到各種復(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)該配備紅外測距儀或成像相機來實時監(jiān)測車輛的周圍環(huán)境，以降低車輛的運行風(fēng)險。

2.2 定日鏡全自動清洗車的控制系統(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清洗車，該清洗車的工控機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)。

定日鏡全自動清洗車的控制系統(tǒng)包括工控機、主控制器、防撞監(jiān)測與避障系統(tǒng)、牽引制動機構(gòu)及轉(zhuǎn)向電機。

工控機用于采集車載設(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算，可輸出或存儲車輛實時位置動態(tài)信息及其他相關(guān)的運行數(shù)據(jù)。

主控制器通過CAN 網(wǎng)絡(luò)接收工控機輸出的清洗車的實時信息，控制車體的牽引制動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向電機，實現(xiàn)全自動清洗車的行進速度與轉(zhuǎn)向控制。

防撞監(jiān)測與避障系統(tǒng)主要起保護作用，避免全自動清洗車在行進過程中撞破定日鏡鏡面。該系統(tǒng)可采用云臺相機、紅外相機或車載雷達來實時獲取清洗車周圍的圖像，并經(jīng)由工控機運行圖像處理算法來控制全自動清洗車的行進；同時在車體周圍安裝傳感器，主控制器通過接收傳感器信號來控制全自動清洗車的行進。

牽引制動機構(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)工控機下發(fā)的指令控制牽引制動機構(gòu)，從而控制定日鏡全自動清洗車的行進速度。

轉(zhuǎn)向電機作為全自動清洗車的執(zhí)行部分，可以接收主控制器發(fā)出的指令并對指令進行響應(yīng)，從而控制全自動清洗車的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對全自動清洗車轉(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清洗車，并得到以下結(jié)論：

1)定日鏡全自動清洗車可大幅降低塔式太陽能熱發(fā)電站的運營成本。全自動清洗車每天可清洗16 h，而人工清洗方案僅能在白天工作8 h，因此為了使花費的清洗時間相同，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)量會相應(yīng)增加，則鏡場可用率會降低，進而影響電站效益。

2)采用定日鏡全自動清洗車可實現(xiàn)定日鏡鏡場的隨時全自動化清洗，將大幅提高鏡場的平均清潔度，根據(jù)實際測試，定日鏡全自動清洗車對鏡面進行一次清洗后可將單個定日鏡的清潔度從70% 提升至約90%，從而提高鏡場的聚光集熱效率。

3)全自動清洗車清洗單面定日鏡的耗時僅約30 s，對定日鏡正常追日的影響較小。