氣象儀器儀表在太陽能光熱發(fā)電站的選型與應用

張瑞祥

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

太陽能光熱發(fā)電站的設計要對站址所在的區(qū)域進行太陽能資源分析，電站的運行需要法向直接輻射、水平面總輻射、散射輻射、氣溫、相對濕度、風速、風向、降水量等實測時間序列數(shù)據(jù)，且實時觀測數(shù)據(jù)要直接傳送至電站的控制系統(tǒng)[1]。目前對于新建太陽能光熱發(fā)電站的設計，一般在項目前期站址區(qū)域內(nèi)建設單獨的氣象站，數(shù)據(jù)用于太陽能資源分析，項目建設后期在站址內(nèi)建設現(xiàn)場觀測站，數(shù)據(jù)用于電站的運行，如圖1和圖2所示前期太陽能資源評估氣象站和后期站址處現(xiàn)場氣象觀測站。

圖1 前期太陽能資源評估氣象站

圖2 后期站址現(xiàn)場氣象觀測站

氣象站主要由數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)及支架、數(shù)據(jù)處理和分析軟件和儀器儀表等組成。氣象站所涉及的氣象儀器儀表主要有：太陽能資源類輻射儀表(直接輻射表、水平面總輻射表、散射輻射表)、常規(guī)氣象類儀表(溫濕度傳感器、風向風速儀、雨量計、大氣壓力傳感器)和其他類儀器。

1 氣象儀器儀表的選型

目前太陽能光熱發(fā)電站對于氣象儀器儀表的設計沒有專門的規(guī)定和規(guī)范，主要是參考氣象行業(yè)的相關規(guī)范，如《地面氣象觀測規(guī)范》系列標準：QX/T 49《地面觀測規(guī)范 第5部分氣壓觀測》 、QX/T 50《地面觀測規(guī)范 第6部分空氣溫度和濕度觀測》、QX/T 51《地面觀測規(guī)范 第7部分風向和風速觀測》、QX/T 52《地面觀測規(guī)范 第8部分降水觀測》、QX/T 55《地面觀測規(guī)范 第11部分：輻射觀測》等的規(guī)定。

1.1 太陽能資源類輻射儀表

1.1.1 太陽能直接輻射表

測量太陽能資源(直接輻射)的儀器包括直接輻射表、自動太陽跟蹤器和采集器。直接輻射表由感應元件、光筒和附件組成。感應元件由感應面和熱電堆組成，當感應面接收太陽輻射時，熱電堆產(chǎn)生溫差電動勢，其大小與接收的輻射量成正比。如圖3所示直接輻射表的組成。

圖3 直接輻射表的組成

直接輻射表應達到的指標在GB/T 33698—2017《太陽能資源測量 直接輻射》[2]中給出了詳細的數(shù)值與范圍：

1)絕緣電阻(熱電堆宇儀器基座之間)：不小于1 MΩ；

2)內(nèi)阻：不大于300 Ω；

3)靈敏度允許范圍：7～14μV·W-1·m2；

4)響應時間(99%響應)：不大于35 s；

5)非線性誤差：不大于2%；

6)溫度誤差(-40℃～+40℃)：不大于3%；

7)年穩(wěn)定性：不大于2%。

1.1.2 太陽能水平面總輻射表、散射輻射表

測量太陽能資源(散射輻射)的儀器包括總輻射表、自動遮光裝置和采集器?？傒椛浔碛筛袘⒉Ａд趾透郊M成。感應元件由感應面和熱電堆組成，當感應面接收太陽輻射時，熱電堆產(chǎn)生溫差電動勢，轉(zhuǎn)換成輻射數(shù)據(jù)。如圖4所示總輻射表由感應面、石英玻璃罩、白色擋板等組成。

圖4 總輻射表的組成

總輻射表應達到的指標在GB/T 33699—2017《太陽能資源測量 散射輻射》[3]中給出了詳細的數(shù)值與范圍：

1)絕緣電阻(熱電堆宇儀器基座之間)：不小于1 MΩ；

2)內(nèi)阻：不大于800 Ω；

3)響應時間(99%響應)：不大于30 s；

4)非線性誤差：不大于3%；

5)方向性響應誤差(垂直入射1 000 W/m2時)：不大于30 W/m2；

6)溫度響應誤差(在50 K間隔內(nèi))：不大于8%；

7)零點偏移(對環(huán)境溫度5 K/h變化的響應)：不大于8 W/m2；

8)傾斜(180°)響應誤差：不大于5%。

自動遮光裝置應達到如下指標：

1)捕獲角：絕對值不大于5°；

2)捕獲速度：每分鐘不大于30°；

3)計時誤差：每天不大于1 s；

4)太陽跟蹤誤差：當太陽直接輻射照度小于120 W/m2時，跟蹤誤差不大于1.5°；當太陽直接輻射照度大于或等于120 W/m2時，跟蹤誤差不大于0.2°；

5)遮擋范圍：在日出時刻與日落時刻之間應保證總輻射表傳感器玻璃罩始終處于遮光球所形成的遮擋陰影之內(nèi)。

1.2 常規(guī)氣象類儀表

1.2.1 風速、風向傳感器

按風速傳感器結(jié)構(gòu)形式分為：風杯式、螺旋槳式、葉輪式，一般在工程中多采用風杯式。風杯式風速傳感器由旋轉(zhuǎn)器、轉(zhuǎn)換器兩部分組成，旋轉(zhuǎn)器主要包括風杯、臂桿和垂直軸；轉(zhuǎn)換器主要包括光電組件或磁電組件。當風杯轉(zhuǎn)動時，帶動同軸的多齒截光盤或磁棒轉(zhuǎn)動，通過電路得到與風杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實際風速值。

單翼風向傳感器由風向標和轉(zhuǎn)換器組成，風向標主要包括尾翼、水平桿、平衡錘、垂直軸；轉(zhuǎn)換器主要包括光電組件或電位器、同步電機。當風向標轉(zhuǎn)動時，帶動格雷碼盤(常用七位，分辨率為2.8°)，按照碼盤切槽的設計，碼盤每轉(zhuǎn)動2.8°，光電管組就會產(chǎn)生新的七位并行格雷碼輸出，測得實際風向[4]。如圖5所示一般風速、風向傳感器由主桿連接，同時測量風速和風向。

圖5 風速、風向傳感器

1.2.2 大氣壓力傳感器

工程一般采用膜盒式電容氣壓傳感器，感應元件為真空膜盒，當大氣壓力發(fā)生變化時，使真空膜盒(包括金屬膜盒和單晶硅膜盒)的彈性膜片產(chǎn)生形變，通過測量電容量的變化來測量氣壓[5]。如圖6所示現(xiàn)場安裝大氣壓力傳感器外形圖。

圖6 大氣壓力傳感器

1.2.3 溫濕度傳感器

溫度測量采用高精度Pt100鉑電阻溫度傳感器，根據(jù)鉑電阻的電阻值隨溫度變化的特性來測定溫度。濕度測量采用濕敏電容濕度傳感器，電容量的變化正比于相對濕度。如圖7所示，鉑電阻溫度傳感器與濕敏電容濕度傳感器可制作成一體，測量空氣溫濕度時，必須安裝在一個輻射罩里。

圖7 溫濕度傳感器

1.2.4 雨量計

降水測量一般采用單翻斗式雨量傳感器，主要由承水器、過濾漏斗、翻斗、干簧管和底座等組成。

如圖8所示雨量計現(xiàn)場安裝外形圖，降水通過承水器，再通過一個過濾斗流入翻斗里，當翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻轉(zhuǎn)，倒空斗里的水，翻斗的另一個斗又開始接水，翻斗的每次翻轉(zhuǎn)動作通過干簧管轉(zhuǎn)成脈沖信號(一脈沖為0.1 mm)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。儀器測量范圍 0 ～ 4 mm/min[6]。

圖8 雨量計

1.3 其他類型氣象觀測儀器

1.3.1 日照儀

對于太陽能光熱發(fā)電站的開發(fā)建設和運行，太陽日照時間也是需要測量的重要數(shù)據(jù)。在一給定時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的各段時間總和。日照時數(shù)也稱實照時數(shù)，即每日實際存在符合日照定義時段的總和。

日照儀一般有暗筒式日照儀和聚焦式日照儀(又稱“康培托克式”日照儀)，如圖9、圖10所示。目前光熱發(fā)電站一般采用直接輻射表每日自動跟蹤太陽輸出的信號，自動測量系統(tǒng)把≥120 W/m2的時間累加，作為每小時的日照時數(shù)與每天的日照時數(shù)，采集器中有相應的數(shù)據(jù)[7-8]。

圖9 康培托克式日照儀

圖10 暗筒式日照儀

1.3.2 大氣透過率測量儀

大氣能見度可以用大氣透過率測量儀來測量。輻射在大氣中的能量衰減用大氣透過率來表示。大氣透過率是一個多因子函數(shù)，它與探測路徑長度、視角、輻射波長、氣壓、氣溫和大氣成分等有關。大氣透過率衰減是由大氣分子和懸浮在大氣中的氣溶膠顆粒的吸收和散射造成的[9]。如圖11所示是基于氣溶膠前散射原理而研發(fā)設計的一款能見度智能監(jiān)測設備，測量儀由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成。

圖11 大氣透過率測量儀

1.3.3 全天空成像儀

全天空成像儀是白天全天空云量的持續(xù)自動監(jiān)測儀器，是全自動、全色彩天空成像系統(tǒng)，提供實時處理和顯示白天的天空狀態(tài)[10]。光熱發(fā)電站應用全天空成像儀可以在無遮擋太陽裝置的情況下自動記錄天空云量分布數(shù)據(jù)和云底高度數(shù)據(jù)，可用于短期光功率預報和太陽能電站選址等，其嵌入太陽能監(jiān)測系統(tǒng)可以增強區(qū)域太陽能資源研究和預測的能力。如圖12所示全天空成像儀主要的部件有照相機、帶有加熱裝置的半球鏡面、鏡面上方的遮光帶以及下方的電子設備系統(tǒng)等。

圖12 全天空成像儀

1.3.4 灰塵檢測儀

光熱發(fā)電站多在西北地區(qū)，通常情況下伴隨沙塵富集、多風的特點，隨著時間的推移風中夾帶的沙、塵會在反射鏡表面沉積，影響系統(tǒng)效率，通過灰塵檢測可以計算鏡子表面的清潔度。如圖13所示光伏電站的組件灰塵檢測，光熱發(fā)電站雖然與光伏電站發(fā)電原理不同，但是可以借鑒灰塵測量的方法。

圖13 光伏電站灰塵檢測儀

2 儀表電源及接口信號

光熱電站的氣象儀器儀表電源由氣象觀測站的電源統(tǒng)一考慮，氣象觀測站的電源宜采用交流不間斷電源，氣象儀器儀表的電源取自氣象觀測站的電源配電箱，通過查閱儀表設備樣本，部分儀表電源要求及接口信號如表1所示。

表1 儀表電源要求及接口信號匯總表

3 儀表安裝要求

光熱電站的氣象儀器儀表應安裝在電廠范圍內(nèi)視野無障礙遮擋、安全、可接近的位置，能較好地反映氣象要素，一般可布置在主廠房屋面、空冷平臺等位置。儀表安裝可以參考QXT 45-2007 《地面觀測規(guī)范 第1部分 總則》[11]中給出的安裝要求，如表2所示。

表2 儀表安裝要求匯總表

4 結(jié)語

氣象儀器儀表在太陽能光熱發(fā)電站是一種必要的測量設備，其作用涉及電站的選址、設計、運行和評估等，目前太陽能資源類輻射表及其他特殊類型的儀器儀表產(chǎn)品多為進口產(chǎn)品，隨著光熱發(fā)電站的發(fā)展，氣象儀器儀表會在更大范圍內(nèi)應用，國產(chǎn)產(chǎn)品會越來越多，選型與應用會更加成熟，會更加貼近光熱發(fā)電站的特性。