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昊智科技:定日镜清洗机器人,提升光热发电效率新引擎!

2022.08.15 来自:昊智科技 高英杰

在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背景下,可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视,大力发展可再生能源已成为世界各国的共识。



太阳能发电技术可以分为光伏发电和光热发电。光热发电由于其优良的深度调峰性能和低成本储能特性,与风电、光伏发电形成了有效的互补生态,真正成为安全、绿色、经济型清洁能源系统的重要组成部分。


光热发电包括塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式,其中塔式太阳能光热发电技术因其热传递路程较短、热损耗少、集热效率较高等优势而备受关注。



定日镜是塔式太阳能光热电站系统中太阳能的重要采集单元,其表面清洁度是影响镜场聚光效率的重要因素,表面清洁度影响着定日镜反射光的强度,从而影响吸热器吸收太阳的能量。太阳能光热电站通常建在沙漠、戈壁等环境条件比较复杂的野外,定日镜镜面上会时常附着和积累灰尘等小颗粒,这使得定日镜反射率大大降低,从而影响整个电站的发电效率。保证定日镜镜面的高清洁度,是确保整个光热电站高效运行,提高发电效率的重要保障。



相对恶劣的自然条件给镜面的清洁也带来一定得难度。而镜面的洁净度对于电站聚光效果却至关重要,因此镜面清洗是光热电站运维过程中不容忽视的一部分,也是目前大型商业化光热电站如何运维面临的一个新的课题。

一、光热电站定日镜地理环境及清洗要求


1、地理环境要求

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。


定日镜现场清洗通道主要为沙石、硬土等越野路面,一般地,镜行两侧清洗通道地面高差≤300mm,镜行清洗通道前进方向6m距离内地面高差≤500mm,清洗通道路面坑槽深度≤150mm,相邻定日镜高差≤400mm。清洗时,定日镜的姿态可依据清洗设备的结构特点进行调节。对跨越式清洗设备,清洗时定日镜需处于水平姿态,镜面离地距离3129±300mm,机器人沿定日镜长度方向对定日镜进行清洗(如下图)。对臂架式清洗设备,定日镜需调整至倾斜状态,并使被清洗的各个镜面保持一致的倾斜角度以提高清洗效率。

图 30m2定日镜与清洗通道环境 


2、定日镜清洗要求

由于大规模太阳能光热发电站的定日镜数量多,其高效高质清洗对于电场的运维至关重要。当前,镜场大部分采用人工清洗车进行清洗,该方法清洗速度慢,成本高,清洗费时,而且清洗间隔周期较长,不利于镜面高清洁度的保持。此外,现有的自动清洗设备都是需要安装在每个定日镜两侧或定日镜上方,这些仅仅适用于定日镜数量不多的小镜场的清洗。因此规模化的无人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。


清洗时要求机器人设置2套可独立控制清洗动作的清洗单元模块,每个清洗单元模块包含1套清洗刷辊,并配置独立的喷水系统,在清洗作业时可同时工作,2套清洗单元可在三维空间内具备升降、横向调姿等自动调节功能,可有效保证清洗机构与镜面间的平行姿态。机器人前方应安装可用于预判是否有镜面需要清洗及检测前方镜面位置高度的传感器,每套清洗刷辊应安装相应的传感器用于监测清洗刷辊与镜面间距离。为保证清洗时不损伤定日镜面,要求机器人移动过程中运动平稳,顶部清洗机构的摆动量不大于15mm。

二、定日镜清洁方式的研究

目前,依据定日镜的大小,定日镜清洗设备分为小型机器人、中型和大型清洗设备。

图:人工驾驶的水投射式清洗车

图:接触式反射镜自动清洗机器

随着自动驾驶技术的迅猛发展,无人化清洗机器人已成为主要的发展方向。


初期使用的机器人,对光热发电站所处地理环境的越野路面适应性差,存在以下不足之处:

  1. 横坡机架侧向受力不能自平衡,致使机器人结构变形,可靠性差;
  2. 平台在纵横坡工况下不能自动调平而致使清扫装置调节频繁,降低清洗效率;
  3. 清洗装置双扫刷一起调节,由于惯性大,调节灵敏性差,对于镜面的贴合度不好,从而导致清洗效果不理想等问题,使无人化清洗机器人的推广应用受到限制。


昊智科技自主研发出自行走定日镜清洗机器人

为解决当前机器人使用过程中的技术问题,提高清洗效率和无人化清洗机器人的可靠性,解决越野路面对机器人工作效率的影响,安徽昊智科技有限公司针对光热发电站的地理环境特点,结合定日镜的清洗要求,在充分研究现有清洗机械的基础上,研发出了具有主体平台可柔性主动调平、可适应纵坡和横坡、具有作业环境自主与自动识别、清洗装置自动适应定日镜镜面、脉冲式水压清洗系统的跨越式和臂架式两个系列的自行走式定日镜清洗机器人。

自行走式定日镜清洗机器人的产品特点:

  • 无需人工驾驶,可沿镜面自动运动进行清洗;
  • 主体平台可柔性主动调平;
  • 可适应纵坡和横坡;
  • 具有作业环境自主与自动识别;
  • 清洗装置自动适应定日镜镜面;
  • 脉冲式水压清洗系统。


昊智科技研发的机器人,在对定日镜合理、有效清洁的同时,极大地提高了光热和光电的转换效率,从而降低了光热发电项目每瓦的实际投资成本,同时也降低了电站的运维成本,保证了电站的运转效率,这两种清洗机器人对于国内一些地处风沙较大地区的光热项目来说具有一定的优势。

图 基于环境感知具有柔性自动调平平台的清洗机器人

三、定日镜清洗机器人的技术优势:

1、昊智科技研发的自行走式定日镜清洗机器人包括以下几个部分:

柔性自动调平工作平台(门架式和桥式)、分布式冗余动力系统、含有独立转向和独立主动悬挂的分布式驱动系统、姿态可独立调节的环境自主感知清洗单元、脉冲式水压清洗系统、基于CAN总线的分布式控制系统、自主导航控制系统等。

2、自行走式定日镜清洗机器人的技术优势

a、先进的底盘悬挂技术

跨越式机器人的主动悬挂系统采用与悬挂臂十字铰接的双轮支撑,可自动适应横坡,消除因横坡形成的对门架的侧向力,从而使门架的变形最小化,保证设备使用的可靠性。双轮机构采用轮履互换结构,可依据地形特点选用轮胎或橡胶履带,利用橡胶履带结构,可以减小接地比压,提高设备的通过性。

臂架式机器人的主动悬挂系统采用双横臂主动悬挂,横坡的适应性依赖三角履带轮内部的横坡适应器来进行调整,纵坡利用主动悬挂四轮调平。

图 横坡适应性       

b、 柔性主动调平工作平台

为保证机器人在越野路面上移动时的平稳性,柔性主动悬挂单元通过感知平台的俯仰角和摇摆角,主动调节每个悬挂的高度,自动对平台进行调平。进一步通过分析俯仰角和摇摆角的组合特征,可针对25种工况进行平台的等高调平,保证工作平台在越野路面上行驶时的稳定性,进而保证清扫装置的作业平稳性。

图  柔性主动调平控制系统

c、 环境感知清洗装置

具有环境感知的清扫单元包括超前感知系统与姿态调整系统。超前感知系统在清扫装置接近或离开镜面时感应镜面的与清洗装置的距离,为清洗装置进行距离调整提前感知镜面,从而减小清洗装置的调整时间,提高清洗效率。

图 环境感知清洗装置  

姿态调整系统包括平面贴合度控制系统与镜面覆盖度控制系统。利用安装于清洗装置四个角点处的位置检测传感器,可以检测清洗刷与镜面的贴合度,如两侧传感器的数值相比较超差,则控制执行器调整清洗装置的摆角,以保证两者的贴合精度。如一侧的传感器超出镜面,则通过臂架控制器调整清洗刷与镜面的覆盖度。

清洗装置上的安全装置用于防止因为控制装置失灵而导致清洗装置触碰镜面,可保证工作的安全性。

d、 具有自主路径识别的定位导航系统

利用RTK+GPS导航系统,机器人可实现高精度的定位导航运行,自动设置和记忆行驶路线;在白天、夜间均可无人化作业。融合双目识别系统,通过识别路径边界、定日镜支柱、障碍物等,机器人可实现自主路径重新规划、避障功能,并通过深度学习,对作业路径进行精确修订,实现精准导航。同时,通过双目传感器感知定日镜的姿态,可预先调整清洗装置的姿态,提高清洗效率。

e、脉冲式水压清洗系统

与普通的喷水系统相比,脉冲式水压系统可实现在同等清洗面积下节约水量、提升清洗效果的作用。

四、定日镜清洗机器人的测试分析


通过实验模拟和功能试验机的实践,对自走式清洗机器人的作业自调平功能、清洗装置的智能感知与控制功能、无人作业功能和安全功能进行了测试。

结果表明,在目标实验条件下(通道地面高差≤300mm,通道前进方向6m距离内地面高差≤500mm,清洗通道路面坑槽深度≤150mm,相邻定日镜高差≤400mm),机器人可实现的性能如下:

  1. 机器人底盘可实现等高度自调平,底盘的摇摆角和俯仰角可控制在0.1度的范围之内。
  2. 清洗装置可提前感知被清洗装置的高度和姿态,并进行超前调节,与被清洗对象的贴合度可实现在清扫装置范围内小于2mm。
  3. 过间隙(一面定日镜与另一面定日镜之间的间隙)时,清扫装置可自动进行高度方向的调整,以适应被清扫对象的高度变化。可调节范围为800mm。
  4. 臂架式机器人与跨越式机器人相比,臂架式机器人可适应窄通道内的作业、作业范围大、调节自由度多等优点。跨越式机器人则在清洗过程中的平稳性更优。
  5. 机器人可实现规定路径的自主导航作业,进行无人化作业。路径偏差可控制在8mm以内。


昊智科技研发的定日镜清扫机器人,具备智能化、柔性化、可视化,节能、降噪,可靠性、可维修性强,运行经济性,绿色环保等特点,既减少人工成本又能提高系统的整体效率,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。

本文由安徽昊智科技有限公司首席科学家高英杰教授撰写




相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(时间待定,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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