積灰對塔式太陽能定日鏡反射率的影響研究

師志鵬，龔 俊，王偉志，閔浩晨

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積灰對塔式太陽能定日鏡反射率的影響研究

師志鵬，龔 俊，王偉志，閔浩晨

（蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

定日鏡反射率是塔式太陽能電站發(fā)電效率的一個決定性因素，由于灰塵導(dǎo)致的鏡面反射率的損失越來越引起重視。本文分析了灰塵影響定日鏡反射率的原因，并通過實驗?zāi)M安裝在現(xiàn)場的鏡面樣品，測得自然積灰與人工積灰狀態(tài)下反射率的損失值，以此為基礎(chǔ)來研究積灰時間和積灰密度對反射率的影響。結(jié)果表明，自然積灰30天可造成反射率損失25.88%，積灰密度對反射率有較大的影響。條件允許的情況下，建議及時清理灰塵使其保持較高的反射率以保證發(fā)電效率。該實驗結(jié)果可為電站制定合理的清洗周期提供參考依據(jù)。

定日鏡；反射率；灰塵；塔式太陽能；自然積灰；人工積灰；積灰密度

塔式太陽能發(fā)電屬于聚光型太陽能發(fā)電方式的一種，其利用大量獨立跟蹤太陽的定日鏡，將太陽射線匯集到一個相對較小、高溫的吸熱器上，通過加熱吸熱器中的傳熱工質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化為熱能，再利用熱交換系統(tǒng)生成的高溫蒸汽帶動汽輪機發(fā)電[1]。因其具有集熱溫度高、聚光比高、熱消耗少、熱傳遞路程短和系統(tǒng)綜合效率高等優(yōu)點，成為最為理想的大規(guī)模發(fā)電方法[2]。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站的關(guān)鍵設(shè)備，在整個電站中數(shù)量最多，占地面積最大，其潔凈程度直接影響著電站的發(fā)電效率[3]。太陽能熱發(fā)電站一般建在太陽輻射高、日照時間長、土地面積廣闊的沙漠地區(qū)，但這些地區(qū)往往也面臨著風(fēng)沙大、降雨少的環(huán)境考驗。長期暴露在這樣的環(huán)境中，鏡面難免會粘上灰塵，這將大大降低定日鏡反射率，從而降低整個鏡場聚光效率[4–5]。

國內(nèi)外學(xué)者對塔式太陽能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但主要集中在如何提高追蹤精度[6]以及合理進(jìn)行鏡場布置方面，對于定日鏡積灰問題研究較少。Yadva N K等[7]在印度進(jìn)行了灰塵沉積實驗，結(jié)果表明灰塵在單個定日鏡上呈均勻沉積，且沉積狀態(tài)與擺放位置有關(guān)。Singh G等[8]對粉塵的沉積機理和清洗策略進(jìn)行了研究。但關(guān)于積灰對聚光反射率的影響尚無正式報道。

本文以蘭州市某光熱光伏試驗基地為研究對象，研究了灰塵對定日鏡反射率的影響，得到了自然積灰和人工積灰狀態(tài)下反射率的損失程度。實驗結(jié)果對今后的光熱發(fā)電積灰問題研究以及為電站制定合理的清灰周期有一定借鑒作用。

1 灰塵對定日鏡影響

1.1 灰塵來源

灰塵分為自然來源與人工來源。自然來源主要是土壤、巖石、動植物細(xì)屑，它們經(jīng)過風(fēng)化等自然作用后分裂成細(xì)小的微粒。人工來源包括工業(yè)廠房排放、建筑施工、交通運輸及行人造成的二次揚塵等。各種來源的灰塵長期在人和自然力的作用下經(jīng)過長期搬運后沉積下來，或再次揚起或長期附著在物體表面[9]。

1.2 積灰對定日鏡的影響

1.2.1 定日鏡工作原理

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。由于太陽在天空中不斷移動，陽光的照射角度也一直在變化，位于鏡場中的一系列定日鏡通過控制系統(tǒng)控制反射鏡的旋轉(zhuǎn)來對太陽進(jìn)行跟蹤，使陽光經(jīng)過反射后能以一定的方向出射，將太陽輻射最大限度聚集在鏡場中心的集熱塔頂，從而克服太陽能輻射能流密度低的缺點，提高發(fā)電效率。單臺定日鏡的反射面一般為微弧平凹面鏡，這就使得定日鏡可以將陽光反射的同時進(jìn)行聚焦[10]。

圖1 塔式太陽熱能發(fā)電系統(tǒng)示意

1.2.2 積灰對定日鏡反射率影響機理

隨著灰塵顆粒接近定日鏡，它會隨著流動而延遲并最終沉積在定日鏡上。潔凈的鏡子在控制系統(tǒng)的作用下通過實時跟蹤太陽，可以將太陽光線反射到位于鏡場中心的集熱塔頂（圖2a)）。但是當(dāng)灰塵沉積在反射鏡上時，整個鏡面將會凹凸不平，從而使大量的入射光線發(fā)生漫反射而朝四面八方散開（圖2b)），這將會大大影響定日鏡場的聚光效率從而降低電站的整體經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)光熱發(fā)電網(wǎng)（CSPPLAZA）有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以國內(nèi)某臺50 MW的光熱示范電站為例，反射率每降低1.0%~1.5%，在該電站25年的壽命中，在不考慮其他因素影響的情況下，損失的收益可達(dá)7 200萬元。

2 反射率測量實驗

2.1 實驗設(shè)備及方案

2.1.1 實驗設(shè)備

本實驗采用美國D&S公司的15R-RGB便攜式鏡面反射率計來測量樣鏡的鏡面反射率。該反射率計測量時遵循光學(xué)原理：通過一個高強度的LED燈發(fā)射波長約660 nm的光線，透過集成好的透鏡瞄準(zhǔn)儀照射到樣品鏡面上，同時在接收端接收反射光線。其他主要設(shè)備為175 mm×100 mm×3 mm鍍鋁膜光學(xué)反射鏡（在光學(xué)玻璃基材表面，通過真空鍍膜鍍一層金屬鋁薄膜，使入射光反射的光學(xué)元件反射率達(dá)93%以上）、可調(diào)整角度樣鏡支架、精度為0.001 g的電子天平。

2.1.2 實驗方案

研究積灰對反射鏡反射率的影響時，積灰時間和積灰密度[11]是2個重要參數(shù)。

為了使實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，本實驗采用自然積灰和人工積灰2種方式。自然積灰實驗是將樣鏡置于支架上，調(diào)整好鏡子角度，以連續(xù)30天為測量周期，中午12:00測量，每2天測量1次。測得潔凈和積灰狀態(tài)下的樣鏡反射率，兩者之差即為反射率衰減值。人工積灰實驗旨在消除外界環(huán)境影響，定量分析積灰密度對反射率的影響。事先測得潔凈樣鏡反射率和樣鏡質(zhì)量，然后人工撒灰，測得不同積灰量下樣鏡反射率和樣鏡質(zhì)量，通過計算求得不同積灰密度下反射率的損失值。撒灰時人離實驗鏡約2 m，站在上風(fēng)口向空中撒灰，使灰塵在風(fēng)力和重力作用下落向鏡面。

2.2 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

2.2.1 自然積灰實驗

在這30天里，鏡面每天平均污染造成的聚光反射率衰減約為0.86百分點。測試期間有3次降雨過程，分別為第8、12、19天，降雨量為中雨。從圖3可以看出：每次降雨都可以對鏡面進(jìn)行1次清洗，但還不足以起到完全清洗的效果，特別是對于積灰時間較長導(dǎo)致的高污染；每次降雨后的一兩天內(nèi)，灰塵增加速度較慢；在整個實驗過程中，某些時段由于灰塵污染會出現(xiàn)較高的反射率損失，例如第4天到第5天，第4天下午天氣變化，刮起了大風(fēng)，導(dǎo)致第6天測試時鏡面反射率損失值較大；第20天到第30天天氣良好，沒有出現(xiàn)大風(fēng)及降雨等現(xiàn)象，所以反射率損失值呈比較標(biāo)準(zhǔn)的線性分布，每天反射率的損失值約為1.77百分點。

圖3 自然積灰1個月反射率衰減曲線

2.2.2 人工積灰實驗

為了減小實驗誤差，使實驗結(jié)果更具普遍性，以3塊尺寸和材質(zhì)相同、初始反射率相近的鏡子為1組，在相同環(huán)境下進(jìn)行實驗。實驗采取逐次遞增灰塵的方法，在分撒灰塵的時候盡量保證灰塵均勻分布，使樣鏡表面各處均有灰塵沉積[12]。分別測得3塊樣鏡不同積灰量下的鏡面反射率，以三者均值作為實驗結(jié)果，不同積灰密度下反射率損失值見表1。其中，積灰密度為積灰量與積灰面積之比。

表1 不同積灰密度下反射率損失值

Tab.1 The reflectance loss values at different dust densities

由表1可見：當(dāng)積灰密度為0.159 g/m2時，反射率約為91.48%；當(dāng)積灰密度為1.137 g/m2，反射率約為78.84%，下降了14.56%；當(dāng)積灰密度為2.157 g/m2，反射率僅為66.93%，下降了26.47%。可見，即使很少量的灰塵也會對反射鏡反射率造成巨大的影響，并且積灰量越多，反射率越低。由此推斷，隨著灰塵的不斷累積，反射率將逐漸降低至使聚光設(shè)備無法使用，因此在條件允許的情況下應(yīng)及時清理灰塵使其保持高的反射率以保證發(fā)電效率。

3 結(jié) 論

1）灰塵沉積在定日鏡上，會使太陽光線發(fā)生漫反射從而導(dǎo)致鏡面反射率下降，使得塔式發(fā)電站的集熱效率降低，造成大幅度的能量損失，這將會大大影響電站的經(jīng)濟(jì)效益。

2）自然積灰30天，鏡面反射率的平均損失為每天0.86百分點。在天氣良好，不出現(xiàn)大風(fēng)或者降雨等情況下，鏡面每天的反射率損失約為每周1次，那么該電站的平均反射率為90.82%。

3）積灰密度對反射率的影響較大，即使很少量的灰塵沉積也能導(dǎo)致較大的反射率損失，平均1 g/m2的積灰，將會導(dǎo)致鏡面反射率下降約12.5%。

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Effect of dust accumulation on reflectivity of tower solar heliostat

SHI Zhipeng, GONG Jun, WANG Weizhi, MIN Haochen

(School of Mechanical & Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

The reflectance of heliostat is a decisive factor for the efficiency of tower solar power station. The loss of specular reflectance due to dust has drawn more and more attentions. In this article, the causes of dust’s influence on reflectivity are analyzed, the mirror sample installed on site is simulated, and the loss of reflectivity in natural dust and artificial dust is measured. On this basis, the effect of time and dust density on the reflectivity is investigated. The experimental results show that, natural ash accumulation for 30 days can cause a loss of reflectance of 25.88%, indicating the dust density has a greater influence on the reflectivity. If conditions permit, it is recommended that the dust be cleaned up in time to maintain high reflectivity to ensure power generation efficiency. This results provide a reference for power stations to develop a reasonable cleaning cycle.

heliostat, reflectivity, dust, tower solar power, natural dust, artificial dust, dust density

TK514

A

10.19666/j.rlfd.201811200

師志鵬, 龔俊, 王偉志, 等. 積灰對塔式太陽能定日鏡反射率的影響研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 134-137. SHI Zhipeng, GONG Jun, WANG Weizhi, et al. Effect of dust accumulation on reflectivity of tower solar heliostat[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 134-137.

2018-11-07

師志鵬(1995—)，男，碩士研究生，主要研究方向為太陽能熱發(fā)電技術(shù)，szp7b25@163.com。

（責(zé)任編輯 劉永強）