塔式光热电站定日镜的清洗技术

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鑫晨光热（上海）新能源有限公司的研究人员沈志华，在2021年第6期《电气技术》上撰文，根据塔式光热电站定日镜镜面清洗的需要，分析了定日镜主要的脏污成因和灰尘的形态及其对电站运行的影响，参考国外同类光热电站已有的设计和运维经验，对比片上机器人等清洗技术，设计一种移动式定日镜清洗车。考虑定日镜清洗的工作环境，清洗车以高离去角的车身行走系统为基础，采用喷淋清洗和扫盘刷扫负压吸尘两种清洗方法，设计镜场控制系统和清洗车操作控制装置，并根据不同的清洗工况设计了三种清洗作业模式，然后完成反射率测试，为定日镜的正常运行维护和光热电站的高效率运行提供了重要保障。

定日镜是塔式太阳能光热电站的关键聚光设备之一，用于将太阳光线通过镜面反射传送至光热塔的吸热器，以加热熔盐等传热介质最终带动汽轮机发电。根据储热量不同，一个100MW光热电站设计约100万m2的反射镜面，规划数万台定日镜用于反射聚光。

在电站的实际运行当中，定日镜长期运行于户外追日状态，定日镜表面非常容易发生灰尘沉积现象，导致反射到二次镜的太阳光功率减少，进而降低到达吸热器的光能量，最终影响光热电站的发电效率，因此需要对积灰的形成进行研究，并在此基础上制定清洗方案，对定日镜进行定期的清洗维护。

由于大规模的太阳能光热发电站的定日镜数量非常多，不可能采用人工清洗，因此规模化的机器清洗具有非常突出的综合经济优势。同时，定日镜清洗装置属于塔式光热电站镜场运维系统的关键设备之一，其设计和投入运行的好坏，直接关系到光热电站的总效率，对光热电站的长期、稳定、高效运行具有至关重要的作用。

1  定日镜脏污的成因及影响分析

定日镜处于沙漠戈壁地区，其脏污主要来自大气灰尘，其中沙土、红土和沙粒等属于干松积灰，附着于定日镜光滑的镜面后因风的吹拂容易掉落和清理。由于雨露等自然环境形成的粘结积灰吸附于定日镜表面，经长期运行后，镜面的灰尘厚度、硬度逐渐提高，需要使用专用的定日镜清洗装置进行清除。

大气积灰的理化表现主要为密度、粒径和化学性质三方面，在灰尘清扫与回收时需要对定日镜清洗装置的滤筒等设备进行特别的设计。在化学性质方面，大气灰尘以各类氧化物及少量盐为主，其中二氧化硅、氧化铝的含量较多，对定日镜面的腐蚀整体较小。

积灰对塔式光热发电造成的影响主要为遮挡定日镜反射光线。在灰尘掉落于定日镜面之后，会阻碍和减少到达镜面的太阳光，从而使进入镜面到达银反射层的光线减少，且当光线从定日镜出射到大气中时也会受灰尘遮挡。

另外，灰尘的存在增加了光的散射，使镜面反射率下降，从而影响光热发电效率。根据师志鹏等的研究，在50MW电站的整个寿期期间，由于灰尘对镜面的影响而造成定日镜反射率每减少1%～1.5%，直接经济损失达7000余万元，间接损失更加巨大。

2  定日镜清洗车设计

2.1  系统整体设计

定日镜清洗计划目前主要有片上机器人清洗、人工配高压水枪/气体清洗、车载移动式清洗车三种，其各自优劣势比较见表1。

其中西班牙Gemasolar电站的片上机器人，主要由Sener研发设计，与Torresol能源共同测试，可以在定日镜处于基本水平时在镜面上行走并完成清洗。美国Ivanpah光热电站则采用了多种车载移动式清洗车技术为主、人工清洗协助的方式。

采用水作为清洗介质时，主要有毛刷刷洗和喷射水洗两种形式，前者耗水量较少，清洗效率更高，但如果定日镜镜面灰尘包含坚硬的矿物质或盐类，则这种技术会导致镜面有被划伤的风险，不可逆地降低镜面的反射率，因此刷洗时需要考虑刷头对镜面压力的大小；后者由于采用非接触式清洗概念，出水管连接水射流喷头，雾状喷洒于定日镜面，在合适的水压下基本不会损伤定日镜。

本文设计定日镜清洗装置为移动式清洗车结构，运用比较成熟的载重汽车系统平台，搭载定日镜专用清洗设备和机械手臂，其主要组成包含车身行走系统、副动力系统、机械臂展支承机构、负压吸尘系统、喷淋清洗系统等，整体系统分别如图1和图2所示。清洗车综合了国外清洗车的主要优点，采用水喷淋清洗和刷扫吸尘干洗两种清洗方式相结合的作业模式，在确保不损伤镜面的同时使清洗效果得到了较大的提高。

表1  典型光热电站定日镜清洗技术比较

图1  定日镜清洗车系统构成

图2  定日镜清洗车整体结构

定日镜清洗车的车身行走系统采用成熟的4×4驱动式底盘结构，由于光热电站主要建造于野外沙漠戈壁区域，接近角和离去角需要充分考虑镜场地坪的表面粗糙度。副动力系统需要选用耐高低温环境的发动机，并需配备沙漠专用滤芯，为吸尘式作业和清洗系统提供动力。

臂展支承机构和清洗系统需要根据定日镜的尺寸和面积设计合适的液压机械臂，由于定日镜清洗姿态为倾斜30°姿态以便清洗后的脏污回收，臂展支承机构需要设计为可旋转形式以确保清洗姿态时清洗系统的正常工作。清洗回路中所有的液压阀门均带有锁止功能，在出现故障或者应急情况时可以锁死油路，保持其当时的工作状态。

2.2  清洗车单镜清洗原理

定日镜清洗车设计了喷淋清洗和扫盘刷扫负压吸尘两种机械清扫机构，其清洗姿态如图3所示。清洗车设计有水喷淋装置和储水装置，通过连接水箱将水通过机械臂管道和喷淋花洒高压喷淋在定日镜子镜表面，达到镜面清洗的效果，同时，考虑玻璃子镜的易碎性，清洗压力需要根据镜面的承受荷载进行选择。

由于光热电站一般建址于干旱地区，清洗用水主要来自于井水等含盐量较高的水源，对镜面的清洗产生严重的影响，如果长期使用，也会影响清洗车的机械结构和管路，因此需要设计有供镜场运维使用的除盐装置等，对定日镜清洗用水进行除盐和软化处理。

图3  定日镜运行与清洗姿态

根据定日镜的面积和镜面分布结构，清洗车分布式吸嘴设计在机械臂的前端，吸尘高压引尘管通过特制卷盘设计让气管可随着机械臂运动，气管尾部连接在大功率引风机上。引风机的叶轮通过电动机的快速旋转，将风机中积留的气体快速送出，然后使定日镜镜面的空气和积灰通过高压引尘管被连续地吸入引风机回路内，这样就会与镜面空气之间产生比较大的负压压差，其负压引风吸尘流程如图4所示。

引尘管内的尘埃、脏物随空气被吸入后经过隔板沉淀，部分脏物颗粒通过重力作用完成一次沉淀，其余较轻的尘埃通过专用滤芯进行二次过滤和沉淀，最后清洁空气排入大气，灰尘脏物进入转运箱存储和运走，防止产生二次扬尘，对刚清洗后的定日镜造成循环污染，从而保证清洁工作的持续进行。

图4  定日镜干洗负压吸尘流程

此外，转运箱还具有自卸功能，通过尾部箱体的举升翻转将垃圾收集后可自卸排出。考虑到清洗的工作环境，箱体内收集的灰尘不易沉积，清洗车设计有垃圾清运功能，可在箱体内部设计小型喷淋设备，确保灰尘和脏物颗粒能够真正被吸得进、留得住和排得出。

2.3  清洗车控制系统设计

定日镜清洗控制系统的设计包括镜场分散控制系统（distributed control system, DCS）规划设计和清洗车操作控制装置设计两方面，主要硬件框图如图5所示。

图5  清洗车控制系统总体硬件原理框架

镜场控制系统主要功能为根据电站的定期运维需求，规划指定单个镜场的定日镜清洗路线，清洗路线的选择需要充分考虑镜场的不规则布置与镜面脏污程度以确定清洗最短运行路径，然后编制运营表和每日清洗队列，按批次控制定日镜旋转于清洗姿态，当清洗车到达后即可立即开展清洗作业，其主要运行控制流程如图6所示。

清洗车操作控制装置以S7—300 PLC为核心控制器，实现对清洗姿态的臂展支承机构、不同清洗模式的机械传动系统的控制，并配备操作员接口，整体设计为有线电控系统，操作人员坐在驾驶室中就可完成风机的起动及机械臂的所有液压动作。

图6  镜场清洗运行控制流程

清洗车的臂展支承机构设计为一个水平单节伸缩臂，连接清洗车本体，伸缩臂上装有两个伺服电动缸，通过控制系统PLC分别控制臂展支承机构与镜面的距离和角度，能方便调整和保证吸盘与镜面间的合理间隙。

臂展支承机构端部安装防碰撞元件，防碰撞元件为数组光电式距离传感器，用于探测清洁滚刷与定日镜镜面的间距，返回距离信号至PLC，从而控制伺服电动缸，伺服电动缸反应速度较快，可保证清洗过程中滚刷与镜面距离平行、平稳。

同时清洁滚刷设计为浮动式毛刷，清洗过程中浮动调节毛刷与镜面之间的压力，其优点为可自适应镜面并保持接触压力恒定，不损伤定日镜镜面。此外，清洗车还设计有工作视频监视电路，在机械伸缩臂顶端安装高清摄像头，驾驶室内载显示屏，当车辆工作时可以对工作状况进行监视，查看镜面清洁效果，使操作更便利、清洁更高效。

2.4  清洗作业模式的选择

考虑镜面洁净度、天气状况等情况，定日镜清洗车配置了刷扫干洗模式、喷淋水洗、喷淋和刷扫结合共三种作业模式，电站运行和维护人员可根据镜面脏污程度和环境温度自主切换。

在镜面只有浮尘，或结灰情况较轻，没有开始大量堆积和硬化时，采用刷扫干洗的作业模式是比较经济与节能的选择。刷扫可将镜面结灰打散，再辅以负压吸尘，达到除尘和清洁镜面的效果。由于光热电站主要建址于沙漠戈壁地区，降雨较少，该清洗模式可适用于批量定日镜的快速清洗。在环境气温较高，且镜面结灰严重时，必须通过喷淋水洗甚至水洗与刷洗结合的方式，才能将镜面污垢清除。

3  清洗测试分析

采用光热电站现场长期放置的因脏污积灰后反射率较低、不能满足实际运行使用的镜片，如图7所示，通过镜面清扫，然后完成镜面反射率测试，对测试前后的反射率结果进行记录，见表2。从结果可知，清扫后的清洁度整体达到86%以上，比未清扫前提高了50%以上，说明清洗车的应用效果非常好，清扫方案具有实践可行性。

图7  电站现场用于待安装测试的定日镜片

表2  镜面清洗效果比较

同时测试中发现，一般光热电站夜间需对定日镜进行关场操作，以防止风速较大使定日镜倾覆，此时定日镜镜面一般处于水平位置。而根据长期观察测试结果，长期运行时镜面角度对其积灰存在较大的影响，白天由于太阳辐射环境温度较高不易凝积水滴，而在夜间，由于凝露的作用，定日镜面会沾染较多的灰尘，此情况在每年秋冬季的夜间尤为明显。经过测试，当定日镜在背风且镜面呈30°左右角度时，可以有效减少定日镜的积灰和脏污情况，其清洗维护周期可延长一半以上。

因此，光热电站DCS接入当地的气象站温湿度、云雨量、气溶胶、沙通量等数据后，分析和制定每天合适的开关场策略，对减少定日镜积灰，提高光热电站长期运行的光热转换效率具有较大的积极意义。

4  结论

根据对定日镜灰尘成因与影响的分析，比较了国内外光热电站定日镜的清洗技术与应用经验，设计了可移动式定日镜清洗车，并通过清洗测试证明清洗反射率得到了有效提高，对增加光热电站的运行效率提供了重要保障。定日镜清洗是塔式光热电站投入运行后重要的电站维护工作之一，该定日镜清洗技术还具有可扩展性和多项目的通用性，能较好地适应不同光热电站需求与定日镜面尺寸的变化。

本文编自2021年第6期《电气技术》，论文标题为“塔式光热电站定日镜清洗技术研究”，作者为沈志华。