CSP候選廠址的鏡面灰塵監(jiān)測
發(fā)布者：walt | 來源：智陽科技 | 0評論 | 10553查看 | 2016-07-05 14:30:00
概述
對于太陽能光熱電站（CSP）的設(shè)計者和運營者來說，由于灰塵導(dǎo)致的鏡面發(fā)射率的損失越來越引起重視，投建一個新的光熱電站，投資回報率的評估除了擬建場地的太陽能資源外，還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐臐崈舳?。大氣中落塵的類型和數(shù)量是和地理位置相關(guān)并且使隨著季節(jié)循環(huán)的。通過對安裝在現(xiàn)場的鏡面樣品表面的落塵和鏡面反射率損失的測試，我們通過集塵袋和鏡面反射率的損失對一個CSP候選廠址做了一年清潔度的評估工作。使用專門設(shè)計的便攜式鏡面反射計對反射率的損失每個月為周期進行測量。下面會描述該儀器的測量原理及有代表性的結(jié)果。
1、介紹
CSP使用光學(xué)組件，通常是鏡面，將太陽射線匯集到一個相對較小的，高溫的接收器，將光能轉(zhuǎn)化成熱能，并將熱能傳遞至汽輪機或發(fā)電機，將熱能轉(zhuǎn)換成電或者傳至儲熱罐中。
CSP依靠的是晴朗天空和太陽直接輻射，因為要得到高溫進行高效運行依賴于投射到接收器上的太陽碟片的光學(xué)發(fā)射。這個運行效率意味著CSP系統(tǒng)的鏡面光學(xué)反射率是和電站的輸出緊密相關(guān)的，由于環(huán)境惡劣或者落塵導(dǎo)致的鏡面反射率的下降將直接導(dǎo)致燃料發(fā)電成本（LCOE）的增加，而LCOE是一個電站能力的最基本的指標(biāo)。
對CSP電站候選廠址的評估是一個綜合性的過程，要考慮到投資一個電站在建設(shè)和運行中所產(chǎn)生的實際情況及財務(wù)測算。電站的環(huán)境影響是一個需要考慮的關(guān)鍵因素，這包括由于落塵或者環(huán)境污染導(dǎo)致的鏡面反射率損失的比率，頻率以及相關(guān)的鏡面的成本。
鏡面的潔凈度和電站的收益率密切相關(guān)，由于它會導(dǎo)致發(fā)電量的減少，因此是電站成本中需要考慮的一個重要因素。特別是在沙漠的環(huán)境中，水是比較稀缺的資源。然而，對電站鏡面反射率的管理是一個系統(tǒng)的工程，而不僅僅是對鏡面進行清洗。它包括針對不同的環(huán)境，有著不同耐久性的鏡面的選擇，到電站的設(shè)計原理，比如水的礦物化以及存儲設(shè)施，以及監(jiān)控和防范措施。對反射率的維護涉及到對運行期間各種即時條件（例如天氣條件）的認(rèn)識，以及對當(dāng)?shù)馗黝悮夂驅(qū)W的認(rèn)識，防范鏡面破碎是另一個要素。
正是基于反射率管理的重要意義，本實驗對位于南非北開普省卡圖（緯度：27.70°S，經(jīng)度：23.05°E）附近的候選CSP廠址的灰塵對鏡面反射率的影響進行了研究，該候選廠址位于半干旱的南部喀拉哈里沙漠地區(qū)，有非常好的環(huán)境利于大規(guī)模的CSP電站。2011年8月，在該地區(qū)建立了樣鏡的支架，并且每個月使用定制的，便攜式鏡面反射計對灰塵導(dǎo)致的鏡面反射的損失進行了測量。本文對該儀器的設(shè)計以及監(jiān)測的有代表性的結(jié)果進行論述。
2.反射儀的設(shè)計
目前市面上有很多便攜式的儀器對反射率進行測量，包括DevicesandServices?公司的15R-USB,AbengoaCondor?公司的SR-6.1，以及SurfaceOpticsCorporation?公司的410-SOLAR手持式反射計。由于考慮到需要非常高的要求來透過污染的鏡面對準(zhǔn)單色反射率損失進行測量，因此我們決定對該項目定制一款鏡面反射計。設(shè)計和定制一款基于商業(yè)單反數(shù)碼相機(DSLR)的相機系統(tǒng)，該相機系統(tǒng)附帶一個不銹鋼的基座配置了一套對準(zhǔn)調(diào)整螺釘，起鎖定的作用，它能提供固定的對準(zhǔn)作用使相機能夠快速和容易的使用。圖1顯示了該DSLR基準(zhǔn)鏡面發(fā)射計的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)的CAD設(shè)計圖，該系統(tǒng)包括一個白色的LED光源以及一個準(zhǔn)直透鏡來模擬直接太陽光照。
Fig.1.(a)DSLR-BasedContaminationCameraOpticalLayout;(b)CADViewofDSLR-BasedDustCamera.
光源包括一個白色的飛利浦LED光源，光源校準(zhǔn)使用消色差膠合透鏡來模擬太陽圓盤。準(zhǔn)直光束經(jīng)測試樣鏡反射，以45?入射角，然后再模擬太陽能接收器小孔徑成像。
光圈的大小用一個可調(diào)光圈來調(diào)整，這個可調(diào)光圈可以拒絕在光譜方向上任何小于角度φ（可接收的角度，見圖2）內(nèi)的反射光通過。在整個測試過程中這個可調(diào)光圈是固定的，它給定的可接收的角度是φ=0.9?，16mrad.，比一般建議的數(shù)值φ=12.5mrad要大30%，這是預(yù)計到該候選廠址要使用的拋物槽面的結(jié)構(gòu)，但是比一般的灰塵測量區(qū)域的φ=23mrad要小。
鏡面樣品區(qū)域的直線視角（FOV）是300mm2.范圍內(nèi)的16.8mm至17.7mm.
Fig.2.SpecularReflectionVectorDiagram.
該應(yīng)用中DSLR選擇的是尼康D90，雖然我們沒有D90的光譜響應(yīng)函數(shù)，但圖3中有D70的光譜響應(yīng)函數(shù)的測量，并且有ASTMG-173作為太陽光譜的參照。
CSP的太陽鏡面材料，其參數(shù)特征標(biāo)準(zhǔn)定義，比如波長范圍是280-2500nm,入射角和鏡面水平面的角度應(yīng)當(dāng)小于15?，φ≈12.5mrad。該實驗中的入射角θi=45?，比一般標(biāo)準(zhǔn)的θi<15?要大的多。對于鏡面灰塵的測量，加大入射角是非常重要的，因為考慮到槽面鏡結(jié)構(gòu)入射角要大的多，我們的計算表明，在目前的候選廠址緯度上，對于典型的槽型拋物面，使用45?的入射角進行測量時恰當(dāng)?shù)?。對鏡面灰塵的測量來說，入射角度比測量一般的鏡面反射更加重要，這是因為粉塵一般是附著在二維鏡面材料上的三維顆粒，而有效的反射鏡面積會隨著入射角的余弦值而下降，灰塵顆粒會出現(xiàn)獨立于入射角的光截面。因此灰塵損耗在入射角方面比一般的鏡面發(fā)射率來說有更強的獨立性。
Fig.3.SpectralResponseFunctionsoftheNikonD70.
對于可接收的入射角，有專家對比了D&S?15R反射計測量儀對于φ=46mrad的測量和SR-6.1對于408mrad的測量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是比較理想的，這說明對于灰塵導(dǎo)致的反射率損失的測量對入射角度的依賴不是很強，可以確定比較高的入射角的值408mrad是正確的。
3、方法
為獲得在該區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致反射率損失的關(guān)鍵因素，該試驗的研究包括對各個方向朝向的樣鏡的安裝支架的研究，每個月去測量一次反射率的損失以及其他相關(guān)的方面。鏡面樣品來自Flabeg?公司,2011年8月24日安裝，見圖4，安裝2周后開始測量，2012年8月28日對測量結(jié)果進行了討論。
首先把樣鏡清潔一部分區(qū)域進行測量值作為參考值，然后捕獲樣鏡清潔區(qū)域的參考鏡像和污染區(qū)域的鏡像。每一個鏡像之前都有一個LED燈關(guān)掉的鏡像作為參考。該過程涉及在視野范圍內(nèi)直線移動相機取三次清潔區(qū)域的測量（每次之前有黑燈鏡像參考），然后取三次污染區(qū)域的測量（每次有黑燈鏡像參考）。重復(fù)此過程，取6個樣品清潔區(qū)域和污染區(qū)域的24個鏡像（關(guān)燈和開燈的）。這相當(dāng)于在一個20cmX30cm的樣鏡上總樣本約在1800mm2的區(qū)域上。鏡像的捕獲采用相機的RAW模式。在測量過程中，要注意不要改變鏡面的污染情況。
Fig.4.MirrorRackPopulatedwithSamples.
用清潔的區(qū)域圖像的平均像素除以污染區(qū)域圖像的平均像素來計算反射率的損失。亮燈的圖像扣除之前對應(yīng)的黑燈的圖像，結(jié)果被合并成一個對應(yīng)顏色信道的平均測量值，如下列等式所示：
在這里，n是全部像素的數(shù)量，DN是數(shù)值（像素值），鏡面反射率的損失通過DSLR相機的紅色、綠色和藍色的顏色信道的結(jié)果的平均值來計算。
這個結(jié)果代表的是可見光譜（380nm至780nm）范圍內(nèi)反射率的損失，但是沒有覆蓋延至2500nm的太陽短波光譜。越小的顆粒，越短的波長，來自污染物顆粒的光的廣角散射越強烈。因此，在紫外光譜范圍（300nm至380nm）和可見光譜范圍的測量結(jié)果是最嚴(yán)重的，通過對相機的紅色、綠色和藍色信道的對比分析，反射率損失的波長趨勢是比較小的。
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