概述

　　對(duì)于太陽能光熱電站（CSP）的設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)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(gè)新的光熱電站，投資回報(bào)率的評(píng)估除了擬建場(chǎng)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(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的鏡面樣品表面的落塵和鏡面反射率損失的測(cè)試，我們通過集塵袋和鏡面反射率的損失對(duì)一個(gè)CSP候選廠址做了一年清潔度的評(píng)估工作。使用專門設(shè)計(jì)的便攜式鏡面反射計(jì)對(duì)反射率的損失每個(gè)月為周期進(jìn)行測(cè)量。下面會(huì)描述該儀器的測(cè)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(gè)相對(duì)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(jī)或發(fā)電機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)換成電或者傳至儲(chǔ)熱罐中。

　　CSP依靠的是晴朗天空和太陽直接輻射，因?yàn)橐玫礁邷剡M(jìn)行高效運(yùn)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(gè)運(yùn)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(gè)電站能力的最基本的指標(biāo)。

　　對(duì)CSP電站候選廠址的評(píng)估是一個(gè)綜合性的過程，要考慮到投資一個(gè)電站在建設(shè)和運(yùn)行中所產(chǎn)生的實(shí)際情況及財(cái)務(wù)測(cè)算。電站的環(huán)境影響是一個(gè)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(huì)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(gè)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(duì)電站鏡面反射率的管理是一個(gè)系統(tǒng)的工程，而不僅僅是對(duì)鏡面進(jìn)行清洗。它包括針對(duì)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(jì)原理，比如水的礦物化以及存儲(chǔ)設(shè)施，以及監(jiān)控和防范措施。對(duì)反射率的維護(hù)涉及到對(duì)運(yùn)行期間各種即時(shí)條件（例如天氣條件）的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)當(dāng)?shù)馗黝悮夂驅(qū)W的認(rèn)識(shí)，防范鏡面破碎是另一個(gè)要素。

　　正是基于反射率管理的重要意義，本實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)鏡面反射率的影響進(jìn)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(gè)月使用定制的，便攜式鏡面反射計(jì)對(duì)灰塵導(dǎo)致的鏡面反射的損失進(jìn)行了測(cè)量。本文對(duì)該儀器的設(shè)計(jì)以及監(jiān)測(cè)的有代表性的結(jié)果進(jìn)行論述。

　　2.反射儀的設(shè)計(jì)

　　目前市面上有很多便攜式的儀器對(duì)反射率進(jìn)行測(cè)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(jì)。由于考慮到需要非常高的要求來透過污染的鏡面對(duì)準(zhǔn)單色反射率損失進(jìn)行測(cè)量，因此我們決定對(duì)該項(xiàng)目定制一款鏡面反射計(jì)。設(shè)計(jì)和定制一款基于商業(yè)單反數(shù)碼相機(jī)(DSLR)的相機(jī)系統(tǒng)，該相機(jī)系統(tǒng)附帶一個(gè)不銹鋼的基座配置了一套對(duì)準(zhǔn)調(diào)整螺釘，起鎖定的作用，它能提供固定的對(duì)準(zhǔn)作用使相機(jī)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(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)圖，該系統(tǒng)包括一個(gè)白色的LED光源以及一個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)可調(diào)光圈來調(diào)整，這個(gè)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(gè)測(cè)試過程中這個(gè)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(jì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中的入射角θi=45?，比一般標(biāo)準(zhǔn)的θi<15?要大的多。對(duì)于鏡面灰塵的測(cè)量，加大入射角是非常重要的，因?yàn)榭紤]到槽面鏡結(jié)構(gòu)入射角要大的多，我們的計(jì)算表明，在目前的候選廠址緯度上，對(duì)于典型的槽型拋物面，使用45?的入射角進(jìn)行測(cè)量時(shí)恰當(dāng)?shù)?。?duì)鏡面灰塵的測(cè)量來說，入射角度比測(cè)量一般的鏡面反射更加重要，這是因?yàn)榉蹓m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(huì)隨著入射角的余弦值而下降，灰塵顆粒會(huì)出現(xiàn)獨(dú)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(qiáng)的獨(dú)立性。

Fig.3.SpectralResponseFunctionsoftheNikonD70.

　　對(duì)于可接收的入射角，有專家對(duì)比了D&S?15R反射計(jì)測(cè)量?jī)x對(duì)于φ=46mrad的測(cè)量和SR-6.1對(duì)于408mrad的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是比較理想的，這說明對(duì)于灰塵導(dǎo)致的反射率損失的測(cè)量對(duì)入射角度的依賴不是很強(qiáng)，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(yàn)的研究包括對(duì)各個(gè)方向朝向的樣鏡的安裝支架的研究，每個(gè)月去測(cè)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(cè)量，2012年8月28日對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了討論。

　　首先把樣鏡清潔一部分區(qū)域進(jìn)行測(cè)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(gè)鏡像之前都有一個(gè)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(dòng)相機(jī)取三次清潔區(qū)域的測(cè)量（每次之前有黑燈鏡像參考），然后取三次污染區(qū)域的測(cè)量（每次有黑燈鏡像參考）。重復(fù)此過程，取6個(gè)樣品清潔區(qū)域和污染區(qū)域的24個(gè)鏡像（關(guān)燈和開燈的）。這相當(dāng)于在一個(gè)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(jī)的RAW模式。在測(cè)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(jì)算反射率的損失。亮燈的圖像扣除之前對(duì)應(yīng)的黑燈的圖像，結(jié)果被合并成一個(gè)對(duì)應(yīng)顏色信道的平均測(cè)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(jī)的紅色、綠色和藍(lán)色的顏色信道的結(jié)果的平均值來計(jì)算。