鑫晨光熱（上海）新能源有限公司的研究人員沈志華，在2021年第6期《電氣技術(shù)》上撰文，根據(jù)塔式光熱電站定日鏡鏡面清洗的需要，分析了定日鏡主要的臟污成因和灰塵的形態(tài)及其對電站運行的影響，參考國外同類光熱電站已有的設(shè)計和運維經(jīng)驗，對比片上機器人等清洗技術(shù)，設(shè)計一種移動式定日鏡清洗車。考慮定日鏡清洗的工作環(huán)境，清洗車以高離去角的車身行走系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用噴淋清洗和掃盤刷掃負(fù)壓吸塵兩種清洗方法，設(shè)計鏡場控制系統(tǒng)和清洗車操作控制裝置，并根據(jù)不同的清洗工況設(shè)計了三種清洗作業(yè)模式，然后完成反射率測試，為定日鏡的正常運行維護(hù)和光熱電站的高效率運行提供了重要保障。

定日鏡是塔式太陽能光熱電站的關(guān)鍵聚光設(shè)備之一，用于將太陽光線通過鏡面反射傳送至光熱塔的吸熱器，以加熱熔鹽等傳熱介質(zhì)最終帶動汽輪機發(fā)電。根據(jù)儲熱量不同，一個100MW光熱電站設(shè)計約100萬m2的反射鏡面，規(guī)劃數(shù)萬臺定日鏡用于反射聚光。

在電站的實際運行當(dāng)中，定日鏡長期運行于戶外追日狀態(tài)，定日鏡表面非常容易發(fā)生灰塵沉積現(xiàn)象，導(dǎo)致反射到二次鏡的太陽光功率減少，進(jìn)而降低到達(dá)吸熱器的光能量，最終影響光熱電站的發(fā)電效率，因此需要對積灰的形成進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上制定清洗方案，對定日鏡進(jìn)行定期的清洗維護(hù)。

由于大規(guī)模的太陽能光熱發(fā)電站的定日鏡數(shù)量非常多，不可能采用人工清洗，因此規(guī)模化的機器清洗具有非常突出的綜合經(jīng)濟優(yōu)勢。同時，定日鏡清洗裝置屬于塔式光熱電站鏡場運維系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)計和投入運行的好壞，直接關(guān)系到光熱電站的總效率，對光熱電站的長期、穩(wěn)定、高效運行具有至關(guān)重要的作用。

1、定日鏡臟污的成因及影響分析

定日鏡處于沙漠戈壁地區(qū)，其臟污主要來自大氣灰塵，其中沙土、紅土和沙粒等屬于干松積灰，附著于定日鏡光滑的鏡面后因風(fēng)的吹拂容易掉落和清理。由于雨露等自然環(huán)境形成的粘結(jié)積灰吸附于定日鏡表面，經(jīng)長期運行后，鏡面的灰塵厚度、硬度逐漸提高，需要使用專用的定日鏡清洗裝置進(jìn)行清除。

大氣積灰的理化表現(xiàn)主要為密度、粒徑和化學(xué)性質(zhì)三方面，在灰塵清掃與回收時需要對定日鏡清洗裝置的濾筒等設(shè)備進(jìn)行特別的設(shè)計。在化學(xué)性質(zhì)方面，大氣灰塵以各類氧化物及少量鹽為主，其中二氧化硅、氧化鋁的含量較多，對定日鏡面的腐蝕整體較小。

積灰對塔式光熱發(fā)電造成的影響主要為遮擋定日鏡反射光線。在灰塵掉落于定日鏡面之后，會阻礙和減少到達(dá)鏡面的太陽光，從而使進(jìn)入鏡面到達(dá)銀反射層的光線減少，且當(dāng)光線從定日鏡出射到大氣中時也會受灰塵遮擋。

另外，灰塵的存在增加了光的散射，使鏡面反射率下降，從而影響光熱發(fā)電效率。根據(jù)師志鵬等的研究，在50MW電站的整個壽期期間，由于灰塵對鏡面的影響而造成定日鏡反射率每減少1%～1.5%，直接經(jīng)濟損失達(dá)7000余萬元，間接損失更加巨大。

2、定日鏡清洗車設(shè)計

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計

定日鏡清洗計劃目前主要有片上機器人清洗、人工配高壓水槍/氣體清洗、車載移動式清洗車三種，其各自優(yōu)劣勢比較見表1。

其中西班牙Gemasolar電站的片上機器人，主要由Sener研發(fā)設(shè)計，與Torresol能源共同測試，可以在定日鏡處于基本水平時在鏡面上行走并完成清洗。美國Ivanpah光熱電站則采用了多種車載移動式清洗車技術(shù)為主、人工清洗協(xié)助的方式。

采用水作為清洗介質(zhì)時，主要有毛刷刷洗和噴射水洗兩種形式，前者耗水量較少，清洗效率更高，但如果定日鏡鏡面灰塵包含堅硬的礦物質(zhì)或鹽類，則這種技術(shù)會導(dǎo)致鏡面有被劃傷的風(fēng)險，不可逆地降低鏡面的反射率，因此刷洗時需要考慮刷頭對鏡面壓力的大小；后者由于采用非接觸式清洗概念，出水管連接水射流噴頭，霧狀噴灑于定日鏡面，在合適的水壓下基本不會損傷定日鏡。

本文設(shè)計定日鏡清洗裝置為移動式清洗車結(jié)構(gòu)，運用比較成熟的載重汽車系統(tǒng)平臺，搭載定日鏡專用清洗設(shè)備和機械手臂，其主要組成包含車身行走系統(tǒng)、副動力系統(tǒng)、機械臂展支承機構(gòu)、負(fù)壓吸塵系統(tǒng)、噴淋清洗系統(tǒng)等，整體系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。清洗車綜合了國外清洗車的主要優(yōu)點，采用水噴淋清洗和刷掃吸塵干洗兩種清洗方式相結(jié)合的作業(yè)模式，在確保不損傷鏡面的同時使清洗效果得到了較大的提高。

表1典型光熱電站定日鏡清洗技術(shù)比較

圖1定日鏡清洗車系統(tǒng)構(gòu)成

圖2定日鏡清洗車整體結(jié)構(gòu)

定日鏡清洗車的車身行走系統(tǒng)采用成熟的4×4驅(qū)動式底盤結(jié)構(gòu)，由于光熱電站主要建造于野外沙漠戈壁區(qū)域，接近角和離去角需要充分考慮鏡場地坪的表面粗糙度。副動力系統(tǒng)需要選用耐高低溫環(huán)境的發(fā)動機，并需配備沙漠專用濾芯，為吸塵式作業(yè)和清洗系統(tǒng)提供動力。

臂展支承機構(gòu)和清洗系統(tǒng)需要根據(jù)定日鏡的尺寸和面積設(shè)計合適的液壓機械臂，由于定日鏡清洗姿態(tài)為傾斜30°姿態(tài)以便清洗后的臟污回收，臂展支承機構(gòu)需要設(shè)計為可旋轉(zhuǎn)形式以確保清洗姿態(tài)時清洗系統(tǒng)的正常工作。清洗回路中所有的液壓閥門均帶有鎖止功能，在出現(xiàn)故障或者應(yīng)急情況時可以鎖死油路，保持其當(dāng)時的工作狀態(tài)。

2.2清洗車單鏡清洗原理

定日鏡清洗車設(shè)計了噴淋清洗和掃盤刷掃負(fù)壓吸塵兩種機械清掃機構(gòu)，其清洗姿態(tài)如圖3所示。清洗車設(shè)計有水噴淋裝置和儲水裝置，通過連接水箱將水通過機械臂管道和噴淋花灑高壓噴淋在定日鏡子鏡表面，達(dá)到鏡面清洗的效果，同時，考慮玻璃子鏡的易碎性，清洗壓力需要根據(jù)鏡面的承受荷載進(jìn)行選擇。

由于光熱電站一般建址于干旱地區(qū)，清洗用水主要來自于井水等含鹽量較高的水源，對鏡面的清洗產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如果長期使用，也會影響清洗車的機械結(jié)構(gòu)和管路，因此需要設(shè)計有供鏡場運維使用的除鹽裝置等，對定日鏡清洗用水進(jìn)行除鹽和軟化處理。

圖3定日鏡運行與清洗姿態(tài)

根據(jù)定日鏡的面積和鏡面分布結(jié)構(gòu)，清洗車分布式吸嘴設(shè)計在機械臂的前端，吸塵高壓引塵管通過特制卷盤設(shè)計讓氣管可隨著機械臂運動，氣管尾部連接在大功率引風(fēng)機上。引風(fēng)機的葉輪通過電動機的快速旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)機中積留的氣體快速送出，然后使定日鏡鏡面的空氣和積灰通過高壓引塵管被連續(xù)地吸入引風(fēng)機回路內(nèi)，這樣就會與鏡面空氣之間產(chǎn)生比較大的負(fù)壓壓差，其負(fù)壓引風(fēng)吸塵流程如圖4所示。

引塵管內(nèi)的塵埃、臟物隨空氣被吸入后經(jīng)過隔板沉淀，部分臟物顆粒通過重力作用完成一次沉淀，其余較輕的塵埃通過專用濾芯進(jìn)行二次過濾和沉淀，最后清潔空氣排入大氣，灰塵臟物進(jìn)入轉(zhuǎn)運箱存儲和運走，防止產(chǎn)生二次揚塵，對剛清洗后的定日鏡造成循環(huán)污染，從而保證清潔工作的持續(xù)進(jìn)行。

圖4定日鏡干洗負(fù)壓吸塵流程

此外，轉(zhuǎn)運箱還具有自卸功能，通過尾部箱體的舉升翻轉(zhuǎn)將垃圾收集后可自卸排出?？紤]到清洗的工作環(huán)境，箱體內(nèi)收集的灰塵不易沉積，清洗車設(shè)計有垃圾清運功能，可在箱體內(nèi)部設(shè)計小型噴淋設(shè)備，確保灰塵和臟物顆粒能夠真正被吸得進(jìn)、留得住和排得出。

2.3清洗車控制系統(tǒng)設(shè)計

定日鏡清洗控制系統(tǒng)的設(shè)計包括鏡場分散控制系統(tǒng)（distributed control system,DCS）規(guī)劃設(shè)計和清洗車操作控制裝置設(shè)計兩方面，主要硬件框圖如圖5所示。

圖5清洗車控制系統(tǒng)總體硬件原理框架

鏡場控制系統(tǒng)主要功能為根據(jù)電站的定期運維需求，規(guī)劃指定單個鏡場的定日鏡清洗路線，清洗路線的選擇需要充分考慮鏡場的不規(guī)則布置與鏡面臟污程度以確定清洗最短運行路徑，然后編制運營表和每日清洗隊列，按批次控制定日鏡旋轉(zhuǎn)于清洗姿態(tài)，當(dāng)清洗車到達(dá)后即可立即開展清洗作業(yè)，其主要運行控制流程如圖6所示。

清洗車操作控制裝置以S7—300 PLC為核心控制器，實現(xiàn)對清洗姿態(tài)的臂展支承機構(gòu)、不同清洗模式的機械傳動系統(tǒng)的控制，并配備操作員接口，整體設(shè)計為有線電控系統(tǒng)，操作人員坐在駕駛室中就可完成風(fēng)機的起動及機械臂的所有液壓動作。

圖6鏡場清洗運行控制流程

清洗車的臂展支承機構(gòu)設(shè)計為一個水平單節(jié)伸縮臂，連接清洗車本體，伸縮臂上裝有兩個伺服電動缸，通過控制系統(tǒng)PLC分別控制臂展支承機構(gòu)與鏡面的距離和角度，能方便調(diào)整和保證吸盤與鏡面間的合理間隙。

臂展支承機構(gòu)端部安裝防碰撞元件，防碰撞元件為數(shù)組光電式距離傳感器，用于探測清潔滾刷與定日鏡鏡面的間距，返回距離信號至PLC，從而控制伺服電動缸，伺服電動缸反應(yīng)速度較快，可保證清洗過程中滾刷與鏡面距離平行、平穩(wěn)。

同時清潔滾刷設(shè)計為浮動式毛刷，清洗過程中浮動調(diào)節(jié)毛刷與鏡面之間的壓力，其優(yōu)點為可自適應(yīng)鏡面并保持接觸壓力恒定，不損傷定日鏡鏡面。此外，清洗車還設(shè)計有工作視頻監(jiān)視電路，在機械伸縮臂頂端安裝高清攝像頭，駕駛室內(nèi)載顯示屏，當(dāng)車輛工作時可以對工作狀況進(jìn)行監(jiān)視，查看鏡面清潔效果，使操作更便利、清潔更高效。

2.4清洗作業(yè)模式的選擇

考慮鏡面潔凈度、天氣狀況等情況，定日鏡清洗車配置了刷掃干洗模式、噴淋水洗、噴淋和刷掃結(jié)合共三種作業(yè)模式，電站運行和維護(hù)人員可根據(jù)鏡面臟污程度和環(huán)境溫度自主切換。

在鏡面只有浮塵，或結(jié)灰情況較輕，沒有開始大量堆積和硬化時，采用刷掃干洗的作業(yè)模式是比較經(jīng)濟與節(jié)能的選擇。刷掃可將鏡面結(jié)灰打散，再輔以負(fù)壓吸塵，達(dá)到除塵和清潔鏡面的效果。由于光熱電站主要建址于沙漠戈壁地區(qū)，降雨較少，該清洗模式可適用于批量定日鏡的快速清洗。在環(huán)境氣溫較高，且鏡面結(jié)灰嚴(yán)重時，必須通過噴淋水洗甚至水洗與刷洗結(jié)合的方式，才能將鏡面污垢清除。

3、清洗測試分析

采用光熱電站現(xiàn)場長期放置的因臟污積灰后反射率較低、不能滿足實際運行使用的鏡片，如圖7所示，通過鏡面清掃，然后完成鏡面反射率測試，對測試前后的反射率結(jié)果進(jìn)行記錄，見表2。從結(jié)果可知，清掃后的清潔度整體達(dá)到86%以上，比未清掃前提高了50%以上，說明清洗車的應(yīng)用效果非常好，清掃方案具有實踐可行性。

圖7電站現(xiàn)場用于待安裝測試的定日鏡片

表2鏡面清洗效果比較

同時測試中發(fā)現(xiàn)，一般光熱電站夜間需對定日鏡進(jìn)行關(guān)場操作，以防止風(fēng)速較大使定日鏡傾覆，此時定日鏡鏡面一般處于水平位置。而根據(jù)長期觀察測試結(jié)果，長期運行時鏡面角度對其積灰存在較大的影響，白天由于太陽輻射環(huán)境溫度較高不易凝積水滴，而在夜間，由于凝露的作用，定日鏡面會沾染較多的灰塵，此情況在每年秋冬季的夜間尤為明顯。經(jīng)過測試，當(dāng)定日鏡在背風(fēng)且鏡面呈30°左右角度時，可以有效減少定日鏡的積灰和臟污情況，其清洗維護(hù)周期可延長一半以上。

因此，光熱電站DCS接入當(dāng)?shù)氐臍庀笳緶貪穸?、云雨量、氣溶膠、沙通量等數(shù)據(jù)后，分析和制定每天合適的開關(guān)場策略，對減少定日鏡積灰，提高光熱電站長期運行的光熱轉(zhuǎn)換效率具有較大的積極意義。

4、結(jié)論

根據(jù)對定日鏡灰塵成因與影響的分析，比較了國內(nèi)外光熱電站定日鏡的清洗技術(shù)與應(yīng)用經(jīng)驗，設(shè)計了可移動式定日鏡清洗車，并通過清洗測試證明清洗反射率得到了有效提高，對增加光熱電站的運行效率提供了重要保障。定日鏡清洗是塔式光熱電站投入運行后重要的電站維護(hù)工作之一，該定日鏡清洗技術(shù)還具有可擴展性和多項目的通用性，能較好地適應(yīng)不同光熱電站需求與定日鏡面尺寸的變化。

本文編自2021年第6期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“塔式光熱電站定日鏡清洗技術(shù)研究”，作者為沈志華。