張瑞祥

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)要對(duì)站址所在的區(qū)域進(jìn)行太陽(yáng)能資源分析，電站的運(yùn)行需要法向直接輻射、水平面總輻射、散射輻射、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量等實(shí)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，且實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)要直接傳送至電站的控制系統(tǒng)[1]。目前對(duì)于新建太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)，一般在項(xiàng)目前期站址區(qū)域內(nèi)建設(shè)單獨(dú)的氣象站，數(shù)據(jù)用于太陽(yáng)能資源分析，項(xiàng)目建設(shè)后期在站址內(nèi)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站，數(shù)據(jù)用于電站的運(yùn)行，如圖1和圖2所示前期太陽(yáng)能資源評(píng)估氣象站和后期站址處現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)站。

圖1 前期太陽(yáng)能資源評(píng)估氣象站

圖2 后期站址現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)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(yáng)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(fēng)向風(fēng)速儀、雨量計(jì)、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(yáng)能光熱發(fā)電站對(duì)于氣象儀器儀表的設(shè)計(jì)沒(méi)有專門(mén)的規(guī)定和規(guī)范，主要是參考?xì)庀笮袠I(yè)的相關(guān)規(guī)范，如《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)：QX/T 49《地面觀測(cè)規(guī)范 第5部分氣壓觀測(cè)》 、QX/T 50《地面觀測(cè)規(guī)范 第6部分空氣溫度和濕度觀測(cè)》、QX/T 51《地面觀測(cè)規(guī)范 第7部分風(fēng)向和風(fēng)速觀測(cè)》、QX/T 52《地面觀測(cè)規(guī)范 第8部分降水觀測(cè)》、QX/T 55《地面觀測(cè)規(guī)范 第11部分：輻射觀測(cè)》等的規(guī)定。

1.1 太陽(yáng)能資源類輻射儀表

1.1.1 太陽(yáng)能直接輻射表

測(cè)量太陽(yáng)能資源(直接輻射)的儀器包括直接輻射表、自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器和采集器。直接輻射表由感應(yīng)元件、光筒和附件組成。感應(yīng)元件由感應(yīng)面和熱電堆組成，當(dāng)感應(yīng)面接收太陽(yáng)輻射時(shí)，熱電堆產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，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(yīng)達(dá)到的指標(biāo)在GB/T 33698—2017《太陽(yáng)能資源測(cè)量 直接輻射》[2]中給出了詳細(xì)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(yīng)時(shí)間(99%響應(yīng))：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(yáng)能水平面總輻射表、散射輻射表

測(cè)量太陽(yáng)能資源(散射輻射)的儀器包括總輻射表、自動(dòng)遮光裝置和采集器?？傒椛浔碛筛袘?yīng)件、玻璃罩和附件組成。感應(yīng)元件由感應(yīng)面和熱電堆組成，當(dāng)感應(yīng)面接收太陽(yáng)輻射時(shí)，熱電堆產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)換成輻射數(shù)據(jù)。如圖4所示總輻射表由感應(yīng)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(yīng)達(dá)到的指標(biāo)在GB/T 33699—2017《太陽(yáng)能資源測(cè)量 散射輻射》[3]中給出了詳細(xì)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(yīng)時(shí)間(99%響應(yīng))：不大于30 s；

4)非線性誤差：不大于3%；

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

6)溫度響應(yīng)誤差(在50 K間隔內(nèi))：不大于8%；

7)零點(diǎn)偏移(對(duì)環(huán)境溫度5 K/h變化的響應(yīng))：不大于8 W/m2；

8)傾斜(180°)響應(yīng)誤差：不大于5%。

自動(dòng)遮光裝置應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo)：

1)捕獲角：絕對(duì)值不大于5°；

2)捕獲速度：每分鐘不大于30°；

3)計(jì)時(shí)誤差：每天不大于1 s；

4)太陽(yáng)跟蹤誤差：當(dāng)太陽(yáng)直接輻射照度小于120 W/m2時(shí)，跟蹤誤差不大于1.5°；當(dāng)太陽(yáng)直接輻射照度大于或等于120 W/m2時(shí)，跟蹤誤差不大于0.2°；

5)遮擋范圍：在日出時(shí)刻與日落時(shí)刻之間應(yīng)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(fēng)速、風(fēng)向傳感器

按風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)形式分為：風(fēng)杯式、螺旋槳式、葉輪式，一般在工程中多采用風(fēng)杯式。風(fēng)杯式風(fēng)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(fēng)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(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)同軸的多齒截光盤(pán)或磁棒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電路得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實(shí)際風(fēng)速值。

單翼風(fēng)向傳感器由風(fēng)向標(biāo)和轉(zhuǎn)換器組成，風(fēng)向標(biāo)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(jī)。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)格雷碼盤(pán)(常用七位，分辨率為2.8°)，按照碼盤(pán)切槽的設(shè)計(jì)，碼盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)2.8°，光電管組就會(huì)產(chǎn)生新的七位并行格雷碼輸出，測(cè)得實(shí)際風(fēng)向[4]。如圖5所示一般風(fēng)速、風(fēng)向傳感器由主桿連接，同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。

圖5 風(fēng)速、風(fēng)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(yīng)元件為真空膜盒，當(dāng)大氣壓力發(fā)生變化時(shí)，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(guò)測(cè)量電容量的變化來(lái)測(cè)量氣壓[5]。如圖6所示現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(lái)測(cè)定溫度。濕度測(cè)量采用濕敏電容濕度傳感器，電容量的變化正比于相對(duì)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(cè)量空氣溫濕度時(shí)，必須安裝在一個(gè)輻射罩里。

圖7 溫濕度傳感器

1.2.4 雨量計(jì)

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

如圖8所示雨量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝外形圖，降水通過(guò)承水器，再通過(guò)一個(gè)過(guò)濾斗流入翻斗里，當(dāng)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(gè)斗又開(kāi)始接水，翻斗的每次翻轉(zhuǎn)動(dòng)作通過(guò)干簧管轉(zhuǎn)成脈沖信號(hào)(一脈沖為0.1 mm)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。儀器測(cè)量范圍 0 ～ 4 mm/min[6]。

圖8 雨量計(jì)

1.3 其他類型氣象觀測(cè)儀器

1.3.1 日照儀

對(duì)于太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)和運(yùn)行，太陽(yáng)日照時(shí)間也是需要測(cè)量的重要數(shù)據(jù)。在一給定時(shí)間，日照時(shí)數(shù)定義為太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過(guò)120 W/m2的各段時(shí)間總和。日照時(shí)數(shù)也稱實(shí)照時(shí)數(shù)，即每日實(shí)際存在符合日照定義時(shí)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(dòng)跟蹤太陽(yáng)輸出的信號(hào)，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)把≥120 W/m2的時(shí)間累加，作為每小時(shí)的日照時(shí)數(shù)與每天的日照時(shí)數(shù)，采集器中有相應(yīng)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(guò)率測(cè)量?jī)x

大氣能見(jiàn)度可以用大氣透過(guò)率測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量。輻射在大氣中的能量衰減用大氣透過(guò)率來(lái)表示。大氣透過(guò)率是一個(gè)多因子函數(shù)，它與探測(cè)路徑長(zhǎng)度、視角、輻射波長(zhǎng)、氣壓、氣溫和大氣成分等有關(guān)。大氣透過(guò)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(shè)計(jì)的一款能見(jiàn)度智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，測(cè)量?jī)x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(guò)率測(cè)量?jī)x

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(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，是全自動(dòng)、全色彩天空成像系統(tǒng)，提供實(shí)時(shí)處理和顯示白天的天空狀態(tài)[10]。光熱發(fā)電站應(yīng)用全天空成像儀可以在無(wú)遮擋太陽(yáng)裝置的情況下自動(dòng)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(yù)報(bào)和太陽(yáng)能電站選址等，其嵌入太陽(yáng)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以增強(qiáng)區(qū)域太陽(yáng)能資源研究和預(yù)測(cè)的能力。如圖12所示全天空成像儀主要的部件有照相機(jī)、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(shè)備系統(tǒng)等。

圖12 全天空成像儀

1.3.4 灰塵檢測(cè)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(fēng)的特點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移風(fēng)中夾帶的沙、塵會(huì)在反射鏡表面沉積，影響系統(tǒng)效率，通過(guò)灰塵檢測(cè)可以計(jì)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(cè)，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(cè)量的方法。

圖13 光伏電站灰塵檢測(cè)儀

2 儀表電源及接口信號(hào)

光熱電站的氣象儀器儀表電源由氣象觀測(cè)站的電源統(tǒng)一考慮，氣象觀測(cè)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(cè)站的電源配電箱，通過(guò)查閱儀表設(shè)備樣本，部分儀表電源要求及接口信號(hào)如表1所示。

表1 儀表電源要求及接口信號(hào)匯總表

3 儀表安裝要求

光熱電站的氣象儀器儀表應(yīng)安裝在電廠范圍內(nèi)視野無(wú)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(tái)等位置。儀表安裝可以參考QXT 45-2007 《地面觀測(cè)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(yǔ)

氣象儀器儀表在太陽(yáng)能光熱發(fā)電站是一種必要的測(cè)量設(shè)備，其作用涉及電站的選址、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和評(píng)估等，目前太陽(yáng)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(jìn)口產(chǎn)品，隨著光熱發(fā)電站的發(fā)展，氣象儀器儀表會(huì)在更大范圍內(nèi)應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品會(huì)越來(lái)越多，選型與應(yīng)用會(huì)更加成熟，會(huì)更加貼近光熱發(fā)電站的特性。