在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的大背景下，可再生能源開(kāi)發(fā)利用日益受到國(guó)際社會(huì)的重視，大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國(guó)的共識(shí)。
太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)可以分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。光熱發(fā)電由于其優(yōu)良的深度調(diào)峰性能和低成本儲(chǔ)能特性，與風(fēng)電、光伏發(fā)電形成了有效的互補(bǔ)生態(tài)，真正成為安全、綠色、經(jīng)濟(jì)型清潔能源系統(tǒng)的重要組成部分。光熱發(fā)電包括塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式，其中塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)因其熱傳遞路程較短、熱損耗少、集熱效率較高等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。
定日鏡是塔式太陽(yáng)能光熱電站系統(tǒng)中太陽(yáng)能的重要采集單元，其表面清潔度是影響鏡場(chǎng)聚光效率的重要因素，表面清潔度影響著定日鏡反射光的強(qiáng)度，從而影響吸熱器吸收太陽(yáng)的能量。太陽(yáng)能光熱電站通常建在沙漠，戈壁等環(huán)境條件比較復(fù)雜的野外，定日鏡鏡面上會(huì)時(shí)常附著和積累灰塵等小顆粒，這使得定日鏡反射率大大降低，從而影響整個(gè)電站的發(fā)電效率。保證定日鏡鏡面的高清潔度，是確保整個(gè)光熱電站高效運(yùn)行，提高發(fā)電效率的重要保障。
相對(duì)惡劣的自然條件給鏡面的清潔也帶來(lái)一定的難度。而鏡面的潔凈度對(duì)于電站聚光效果卻至關(guān)重要，直接影響到光熱轉(zhuǎn)換效率及電站發(fā)電量，因此鏡面清洗是光熱電站運(yùn)維過(guò)程中不容忽視的一部分，也是目前大型商業(yè)化光熱電站如何運(yùn)維面臨的一個(gè)新的課題。
一、光熱電站定日鏡地理環(huán)境及清洗要求
1、地理環(huán)境要求
定日鏡是塔式太陽(yáng)能光熱電站的關(guān)鍵聚光設(shè)備之一，用于將太陽(yáng)光線通過(guò)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(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。
定日鏡現(xiàn)場(chǎng)清洗通道主要為沙石、硬土等越野路面，一般地，鏡行兩側(cè)清洗通道地面高差≤300mm，鏡行清洗通道前進(jìn)方向6m距離內(nèi)地面高差≤500mm，清洗通道路面坑槽深度≤150mm，相鄰定日鏡高差≤400mm。清洗時(shí)，定日鏡的姿態(tài)可依據(jù)清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)跨越式清洗設(shè)備，清洗時(shí)定日鏡需處于水平姿態(tài)，鏡面離地距離3129±300mm，機(jī)器人沿定日鏡長(zhǎng)度方向?qū)Χㄈ甄R進(jìn)行清洗（如下圖）。對(duì)臂架式清洗設(shè)備，定日鏡需調(diào)整至傾斜狀態(tài)，并使被清洗的各個(gè)鏡面保持一致的傾斜角度以提高清洗效率。
2、定日鏡清洗要求由于大規(guī)模太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的定日鏡數(shù)量多，其高效高質(zhì)清洗對(duì)于電場(chǎng)的運(yùn)維至關(guān)重要。當(dāng)前，鏡場(chǎng)大部分采用人工清洗車進(jìn)行清洗，該方法清洗速度慢，成本高，清洗費(fèi)時(shí)，而且清洗間隔周期較長(zhǎng)，不利于鏡面高清潔度的保持。此外，現(xiàn)有的自動(dòng)清洗設(shè)備都是需要安裝在每個(gè)定日鏡兩側(cè)或定日鏡上方，這些僅僅適用于定日鏡數(shù)量不多的小鏡場(chǎng)的清洗。因此規(guī)模化的無(wú)人化的機(jī)器清洗具有非常突出的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，定日鏡清洗裝置屬于塔式光熱電站鏡場(chǎng)運(yùn)維系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)和投入運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到光熱電站的總效率，對(duì)光熱電站的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。
清洗時(shí)要求機(jī)器人設(shè)置2套可獨(dú)立控制清洗動(dòng)作的清洗單元模塊，每個(gè)清洗單元模塊包含1套清洗刷輥，并配置獨(dú)立的噴水系統(tǒng)，在清洗作業(yè)時(shí)可同時(shí)工作，2套清洗單元可在三維空間內(nèi)具備升降、橫向調(diào)姿等自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可有效保證清洗機(jī)構(gòu)與鏡面間的平行姿態(tài)。機(jī)器人前方應(yīng)安裝可用于預(yù)判是否有鏡面需要清洗及檢測(cè)前方鏡面位置高度的傳感器，每套清洗刷輥應(yīng)安裝相應(yīng)的傳感器用于監(jiān)測(cè)清洗刷輥與鏡面間距離。為保證清洗時(shí)不損傷定日鏡面，要求機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，頂部清洗機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)量不大于15mm。
二、定日鏡清潔方式的研究目前，依據(jù)定日鏡的大小，定日鏡清洗設(shè)備分為小型機(jī)器人、中型和大型清洗設(shè)備。
隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人化清洗機(jī)器人已成為主要的發(fā)展方向。
初期使用的機(jī)器人，對(duì)光熱發(fā)電站所處地理環(huán)境的越野路面適應(yīng)性差，存在以下不足之處：
1、橫坡機(jī)架側(cè)向受力不能自平衡，致使機(jī)器人結(jié)構(gòu)變形，可靠性差；2、平臺(tái)在縱橫坡工況下不能自動(dòng)調(diào)平而致使清掃裝置調(diào)節(jié)頻繁，降低清洗效率；3、清洗裝置雙掃刷一起調(diào)節(jié)，由于慣性大，調(diào)節(jié)靈敏性差，對(duì)于鏡面的貼合度不好，從而導(dǎo)致清洗效果不理想等問(wèn)題，使無(wú)人化清洗機(jī)器人的推廣應(yīng)用受到限制。
昊智科技自主研發(fā)出自行走定日鏡清洗機(jī)器人
為解決當(dāng)前機(jī)器人使用過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題，提高清洗效率和無(wú)人化清洗機(jī)器人的可靠性，解決越野路面對(duì)機(jī)器人工作效率的影響，安徽昊智科技有限公司針對(duì)光熱發(fā)電站的地理環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合定日鏡的清洗要求，在充分研究現(xiàn)有清洗機(jī)械的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)出了具有主體平臺(tái)可柔性主動(dòng)調(diào)平、可適應(yīng)縱坡和橫坡、具有作業(yè)環(huán)境自主與自動(dòng)識(shí)別、清洗裝置自動(dòng)適應(yīng)定日鏡鏡面、脈沖式水壓清洗系統(tǒng)的跨越式和臂架式兩個(gè)系列的自行走式定日鏡清洗機(jī)器人。
自行走式定日鏡清洗機(jī)器人的產(chǎn)品特點(diǎn)：1、無(wú)需人工駕駛，可沿鏡面自動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行清洗；2、主體平臺(tái)可柔性主動(dòng)調(diào)平；3、可適應(yīng)縱坡和橫坡；4、作業(yè)環(huán)境自主與自動(dòng)識(shí)別；5、清洗裝置自動(dòng)適應(yīng)定日鏡鏡面；6、脈沖式水壓清洗系統(tǒng)；
昊智科技研發(fā)的機(jī)器人，在對(duì)定日鏡合理、有效清潔的同時(shí)，極大地提高了光熱和光電的轉(zhuǎn)換效率，從而降低了光熱發(fā)電項(xiàng)目每瓦的實(shí)際投資成本，同時(shí)也降低了電站的運(yùn)維成本，保證了電站的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，這兩種清洗機(jī)器人對(duì)于國(guó)內(nèi)一些地處風(fēng)沙較大地區(qū)的光熱項(xiàng)目來(lái)說(shuō)具有一定的優(yōu)勢(shì)。
三、定日鏡清洗機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1、昊智科技研發(fā)的自行走式定日鏡清洗機(jī)器人包括以下幾個(gè)部分：柔性自動(dòng)調(diào)平工作平臺(tái)（門(mén)架式和橋式）、分布式冗余動(dòng)力系統(tǒng)、含有獨(dú)立轉(zhuǎn)向和獨(dú)立主動(dòng)懸掛的分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、姿態(tài)可獨(dú)立調(diào)節(jié)的環(huán)境自主感知清洗單元、脈沖式水壓清洗系統(tǒng)、基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)、自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)等。
2、自行走式定日鏡清洗機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
a、先進(jìn)的底盤(pán)懸掛技術(shù)
跨越式機(jī)器人的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)采用與懸掛臂十字鉸接的雙輪支撐，可自動(dòng)適應(yīng)橫坡，消除因橫坡形成的對(duì)門(mén)架的側(cè)向力，從而使門(mén)架的變形最小化，保證設(shè)備使用的可靠性。雙輪機(jī)構(gòu)采用輪履互換結(jié)構(gòu)，可依據(jù)地形特點(diǎn)選用輪胎或橡膠履帶，利用橡膠履帶結(jié)構(gòu)，可以減小接地比壓，提高設(shè)備的通過(guò)性。
臂架式機(jī)器人的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)采用雙橫臂主動(dòng)懸掛，橫坡的適應(yīng)性依賴三角履帶輪內(nèi)部的橫坡適應(yīng)器來(lái)進(jìn)行調(diào)整，縱坡利用主動(dòng)懸掛四輪調(diào)平。
b、柔性主動(dòng)調(diào)平工作平臺(tái)為保證機(jī)器人在越野路面上移動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性，柔性主動(dòng)懸掛單元通過(guò)感知平臺(tái)的俯仰角和搖擺角，主動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)懸掛的高度，自動(dòng)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平。進(jìn)一步通過(guò)分析俯仰角和搖擺角的組合特征，可針對(duì)25種工況進(jìn)行平臺(tái)的等高調(diào)平，保證工作平臺(tái)在越野路面上行駛時(shí)的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證清掃裝置的作業(yè)平穩(wěn)性。
c、環(huán)境感知清洗裝置具有環(huán)境感知的清掃單元包括超前感知系統(tǒng)與姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。超前感知系統(tǒng)在清掃裝置接近或離開(kāi)鏡面時(shí)感應(yīng)鏡面的與清洗裝置的距離，為清洗裝置進(jìn)行距離調(diào)整提前感知鏡面，從而減小清洗裝置的調(diào)整時(shí)間，提高清洗效率。
姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)包括平面貼合度控制系統(tǒng)與鏡面覆蓋度控制系統(tǒng)。利用安裝于清洗裝置四個(gè)角點(diǎn)處的位置檢測(cè)傳感器，可以檢測(cè)清洗刷與鏡面的貼合度，如兩側(cè)傳感器的數(shù)值相比較超差，則控制執(zhí)行器調(diào)整清洗裝置的擺角，以保證兩者的貼合精度。如一側(cè)的傳感器超出鏡面，則通過(guò)臂架控制器調(diào)整清洗刷與鏡面的覆蓋度。清洗裝置上的安全裝置用于防止因?yàn)榭刂蒲b置失靈而導(dǎo)致清洗裝置觸碰鏡面，可保證工作的安全性。d、具有自主路徑識(shí)別的定位導(dǎo)航系統(tǒng)利用RTK GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高精度的定位導(dǎo)航運(yùn)行，自動(dòng)設(shè)置和記憶行駛路線；在白天、夜間均可無(wú)人化作業(yè)。融合雙目識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)識(shí)別路徑邊界、定日鏡支柱、障礙物等，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自主路徑重新規(guī)劃、避障功能，并通過(guò)深度學(xué)習(xí)，對(duì)作業(yè)路徑進(jìn)行精確修訂，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。同時(shí)，通過(guò)雙目傳感器感知定日鏡的姿態(tài)，可預(yù)先調(diào)整清洗裝置的姿態(tài)，提高清洗效率。e、脈沖式水壓清洗系統(tǒng)與普通的噴水系統(tǒng)相比，脈沖式水壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在同等清洗面積下節(jié)約水量、提升清洗效果的作用。
四、定日鏡清洗機(jī)器人的測(cè)試分析
通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和功能試驗(yàn)機(jī)的實(shí)踐，對(duì)自走式清洗機(jī)器人的作業(yè)自調(diào)平功能、清洗裝置的智能感知與控制功能、無(wú)人作業(yè)功能和安全功能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，在目標(biāo)實(shí)驗(yàn)條件下（通道地面高差≤300mm，通道前進(jìn)方向6m距離內(nèi)地面高差≤500mm，清洗通道路面坑槽深度≤150mm，相鄰定日鏡高差≤400mm），機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)的性能如下：1）機(jī)器人底盤(pán)可實(shí)現(xiàn)等高度自調(diào)平，底盤(pán)的搖擺角和俯仰角可控制在0.1度的范圍之內(nèi)。2）清洗裝置可提前感知被清洗裝置的高度和姿態(tài)，并進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，與被清洗對(duì)象的貼合度可實(shí)現(xiàn)在清掃裝置范圍內(nèi)小于2mm。3）過(guò)間隙(一面定日鏡與另一面定日鏡之間的間隙)時(shí)，清掃裝置可自動(dòng)進(jìn)行高度方向的調(diào)整，以適應(yīng)被清掃對(duì)象的高度變化�？烧{(diào)節(jié)范圍為800mm。4) 臂架式機(jī)器人與跨越式機(jī)器人相比，臂架式機(jī)器人可適應(yīng)窄通道內(nèi)的作業(yè)、作業(yè)范圍大、調(diào)節(jié)自由度多等優(yōu)點(diǎn)�？缭绞綑C(jī)器人則在清洗過(guò)程中的平穩(wěn)性更優(yōu)。5) 機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)規(guī)定路徑的自主導(dǎo)航作業(yè)，進(jìn)行無(wú)人化作業(yè)，路徑偏差可控制在8mm以內(nèi)。昊智科技研發(fā)的定日鏡清掃機(jī)器人，具備智能化、柔性化、可視化，節(jié)能、降噪，可靠性、可維修性強(qiáng)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，既減少人工成本又能提高系統(tǒng)的整體效率，為定日鏡的正常運(yùn)行維護(hù)和光熱電站的高效率運(yùn)行提供了重要保障。
