塔式光熱電站定日鏡清洗技術研究

沈志華

（鑫晨光熱（上海）新能源有限公司，上海 201100）

0 引言

定日鏡是塔式太陽能光熱電站的關鍵聚光設備之一，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最終帶動汽輪機發電[1]。根據儲熱量不同，一個100MW光熱電站設計約100萬m2的反射鏡面，規劃數萬臺定日鏡用于反射聚光[2]。

在電站的實際運行當中，定日鏡長期運行于戶外追日狀態，定日鏡表面非常容易發生灰塵沉積現象，導致反射到二次鏡的太陽光功率減少，進而降低到達吸熱器的光能量，最終影響光熱電站的發電效率[3-4]，因此需要對積灰的形成進行研究，并在此基礎上制定清洗方案，對定日鏡進行定期的清洗維護。由于大規模的太陽能光熱發電站的定日鏡數量非常多，不可能采用人工清洗，因此規模化的機器清洗具有非常突出的綜合經濟優勢。同時，定日鏡清洗裝置屬于塔式光熱電站鏡場運維系統的關鍵設備之一，其設計和投入運行的好壞，直接關系到光熱電站的總效率，對光熱電站的長期、穩定、高效運行具有至關重要的作用。

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，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[5]，附著于定日鏡光滑的鏡面后因風的吹拂容易掉落和清理。由于雨露等自然環境形成的粘結積灰吸附于定日鏡表面，經長期運行后，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行清除。

大氣積灰的理化表現主要為密度、粒徑和化學性質三方面，在灰塵清掃與回收時需要對定日鏡清洗裝置的濾筒等設備進行特別的設計。在化學性質方面，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，會阻礙和減少到達鏡面的太陽光，從而使進入鏡面到達銀反射層的光線減少，且當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，從而影響光熱發電效率。根據師志鵬等[6]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%，直接經濟損失達7 000余萬元，間接損失更加巨大。

2 定日鏡清洗車設計

2.1 系統整體設計

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研發設計，與Torresol能源共同測試[7]，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[8]則采用了多種車載移動式清洗車技術為主、人工清洗協助的方式。采用水作為清洗介質時，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或鹽類，則這種技術會導致鏡面有被劃傷的風險，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。

表1 典型光熱電站定日鏡清洗技術比較

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

圖1 定日鏡清洗車系統構成

圖2 定日鏡清洗車整體結構

定日鏡清洗車的車身行走系統采用成熟的4×4驅動式底盤結構，由于光熱電站主要建造于野外沙漠戈壁區域，接近角和離去角需要充分考慮鏡場地坪的表面粗糙度。副動力系統需要選用耐高低溫環境的發動機，并需配備沙漠專用濾芯，為吸塵式作業和清洗系統提供動力。臂展支承機構和清洗系統需要根據定日鏡的尺寸和面積設計合適的液壓機械臂，由于定日鏡清洗姿態為傾斜30°姿態以便清洗后的臟污回收，臂展支承機構需要設計為可旋轉形式以確保清洗姿態時清洗系統的正常工作。清洗回路中所有的液壓閥門均帶有鎖止功能，在出現故障或者應急情況時可以鎖死油路，保持其當時的工作狀態。

2.2 清洗車單鏡清洗原理

定日鏡清洗車設計了噴淋清洗和掃盤刷掃負壓吸塵兩種機械清掃機構，其清洗姿態如圖3所示。清洗車設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，清洗壓力需要根據鏡面的承受荷載進行選擇。由于光熱電站一般建址于干旱地區，清洗用水主要來自于井水等含鹽量較高的水源，對鏡面的清洗產生嚴重的影響，如果長期使用，也會影響清洗車的機械結構和管路，因此需要設計有供鏡場運維使用的除鹽裝置等，對定日鏡清洗用水進行除鹽和軟化處理。

圖3 定日鏡運行與清洗姿態

根據定日鏡的面積和鏡面分布結構，清洗車分布式吸嘴設計在機械臂的前端，吸塵高壓引塵管通過特制卷盤設計讓氣管可隨著機械臂運動，氣管尾部連接在大功率引風機上。引風機的葉輪通過電動機的快速旋轉，將風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地吸入引風機回路內，這樣就會與鏡面空氣之間產生比較大的負壓壓差，其負壓引風吸塵流程如圖4所示。引塵管內的塵埃、臟物隨空氣被吸入后經過隔板沉淀，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行二次過濾和沉淀，最后清潔空氣排入大氣，灰塵臟物進入轉運箱存儲和運走，防止產生二次揚塵，對剛清洗后的定日鏡造成循環污染，從而保證清潔工作的持續 進行。

圖4 定日鏡干洗負壓吸塵流程

此外，轉運箱還具有自卸功能，通過尾部箱體的舉升翻轉將垃圾收集后可自卸排出。考慮到清洗的工作環境，箱體內收集的灰塵不易沉積，清洗車設計有垃圾清運功能，可在箱體內部設計小型噴淋設備，確保灰塵和臟物顆粒能夠真正被吸得進、留得住和排得出。

2.3 清洗車控制系統設計

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

圖5 清洗車控制系統總體硬件原理框架

鏡場控制系統主要功能為根據電站的定期運維需求，規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則布置與鏡面臟污程度以確定清洗最短運行路徑[9]，然后編制運營表和每日清洗隊列，按批次控制定日鏡旋轉于清洗姿態，當清洗車到達后即可立即開展清洗作業，其主要運行控制流程如圖6所示。

圖6 鏡場清洗運行控制流程

清洗車操作控制裝置以S7—300 PLC為核心控制器[10]，實現對清洗姿態的臂展支承機構、不同清洗模式的機械傳動系統的控制，并配備操作員接口，整體設計為有線電控系統，操作人員坐在駕駛室中就可完成風機的起動及機械臂的所有液壓動作。清 洗車的臂展支承機構設計為一個水平單節伸縮臂，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PLC分別控制臂展支承機構與鏡面的距離和角度，能方便調整和保證吸盤與鏡面間的合理間隙。臂展支承機構端部安裝防碰撞元件[11]，防碰撞元件為數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，伺服電動缸反應速度較快，可保證清洗過程中滾刷與鏡面距離平行、平穩。同時清潔滾刷設計為浮動式毛刷，清洗過程中浮動調節毛刷與鏡面之間的壓力，其優點為可自適應鏡面并保持接觸壓力恒定，不損傷定日鏡鏡面。此外，清洗車還設計有工作視頻監視電路，在機械伸縮臂頂端安裝高清攝像頭，駕駛室內載顯示屏，當車輛工作時可以對工作狀況進行監視，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、噴淋和刷掃結合共三種作業模式，電站運行和維護人員可根據鏡面臟污程度和環境溫度自主切換。

在鏡面只有浮塵，或結灰情況較輕，沒有開始大量堆積和硬化時，采用刷掃干洗的作業模式是比較經濟與節能的選擇。刷掃可將鏡面結灰打散，再輔以負壓吸塵，達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，降雨較少，該清洗模式可適用于批量定日鏡的快速清洗。在環境氣溫較高，且鏡面結灰嚴重時，必須通過噴淋水洗甚至水洗與刷洗結合的方式，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果進行記錄，見表2。從結果可知，清掃后的清潔度整體達到86%以上，比未清掃前提高了50%以上，說明清洗車的應用效果非常好，清掃方案具有實踐可行性。

圖7 電站現場用于待安裝測試的定日鏡片

表2 鏡面清洗效果比較

同時測試中發現，一般光熱電站夜間需對定日鏡進行關場操作，以防止風速較大使定日鏡傾覆，此時定日鏡鏡面一般處于水平位置。而根據長期觀察測試結果，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。經過測試，當定日鏡在背風且鏡面呈30°左右角度時，可以有效減少定日鏡的積灰和臟污情況，其清洗維護周期可延長一半以上。因此，光熱電站DCS接入當地的氣象站溫濕度、云雨量、氣溶膠、沙通量等數據后，分析和制定每天合適的開關場策略，對減少定日鏡積灰，提高光熱電站長期運行的光熱轉換效率具有較大的積極意義。

4 結論

根據對定日鏡灰塵成因與影響的分析，比較了國內外光熱電站定日鏡的清洗技術與應用經驗，設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工作之一，該定日鏡清洗技術還具有可擴展性和多項目的通用性，能較好地適應不同光熱電站需求與定日鏡面尺寸的變化。