迪拜100 MW塔式太陽能熱發(fā)電站的大氣衰減率測量與分析

收稿日期：2023-04-23

通信作者：周慧燁（1988—），男，碩士、中級工程師，主要從事太陽能熱發(fā)電、大氣衰減方面的研究。295074144@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230423.01 文章編號：1003-0417（2024）04-108-07

摘 要：為緩解大氣顆粒物濃度偏高地區(qū)的大氣衰減對塔式太陽能熱發(fā)電站發(fā)電量的影響，利用Ecotech Aurora 3000型濁度計(jì)在迪拜100 MW塔式太陽能發(fā)電站進(jìn)行大氣衰減率測量試驗(yàn)，對測量結(jié)果進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：平均環(huán)境溫度越高，大氣衰減也越嚴(yán)重。試驗(yàn)得到的大氣衰減率日平均值、月平均值和整個試驗(yàn)周期內(nèi)的平均值，以及相應(yīng)的變化趨勢，可為塔式太陽能熱發(fā)電站提供參考。在大氣衰減率較高的月份，可預(yù)先考慮適當(dāng)補(bǔ)償太陽輻射量損失，以保證發(fā)電機(jī)組輸出功率要求。

關(guān)鍵詞：塔式太陽能熱發(fā)電站；大氣衰減；Ecotech Aurora 3000型濁度計(jì)；工程指導(dǎo)

中圖分類號：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

隨著世界各國對生態(tài)環(huán)境的重視程度提高，以及能源供給與需求間矛盾的日漸突出，各國都在積極探索以可再生能源替代傳統(tǒng)化石燃料的發(fā)電技術(shù)。太陽能作為清潔可再生能源，近年來受到了廣泛關(guān)注。塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)憑借能流密度大、光電轉(zhuǎn)換效率高、可通過配備儲熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)24 h發(fā)電等優(yōu)勢，得到了迅速發(fā)展，全球塔式太陽能熱發(fā)電站總裝機(jī)容量從初期的10 MW到2016年已發(fā)展至100 MW。

塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡反射的直接法向輻射（DNI）在傳播到吸熱器的過程中，由于大氣的消光作用產(chǎn)生的能量衰減會直接影響到熱發(fā)電機(jī)組的輸出功率、性能表現(xiàn)；特別是在大氣顆粒物濃度偏高的地區(qū)，這種能量衰減帶來的能量損失會更加明顯，導(dǎo)致定日鏡提供的能量大幅降低。這時，如果仍維持原來的運(yùn)行策略，整個鏡場提供給吸熱器的能量將不足以滿足熱發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電的要求。因此，針對塔式太陽能熱發(fā)電站因大氣原因造成的能量衰減（下文簡稱為“大氣衰減”）進(jìn)行測量分析尤為重要。通過對塔式太陽能熱電站所在地區(qū)的大氣衰減進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以得到相應(yīng)的大氣衰減變化趨勢，在大氣衰減較高的月份可以考慮預(yù)先投用更多的定日鏡，使鏡場提供足夠的能量以保證熱發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電。

2012年，Sengupta等[1]提出一種僅依靠DNI測量就可以得到大氣衰減損失的模型。Tahnouba等[2]采用4種不同的太陽輻射測量儀在不同高度對DNI進(jìn)行了測量，從而得到可模擬DNI在傳播過程中衰減的模型。Ballestrín等[3-4]于2018年提出了一種基于數(shù)碼相機(jī)的太陽輻射量衰減測量方法，并在2019年應(yīng)用于西班牙太陽能測試平臺（Plataforma Solar de Almería，PSA）。2020年，F(xiàn)reud等[5-6]提出基于3種波長濁度計(jì)（Ecotech Aurora 3000型）的大氣衰減測量系統(tǒng)（DAST），并成功將其應(yīng)用于以色列Ashalim塔式太陽能熱發(fā)電站。

由于Ecotech Aurora 3000型濁度計(jì)（下文簡稱為“濁度計(jì)”）是世界氣象組織推薦的用于測量大氣衰減的儀器，且該儀器采用創(chuàng)新的LED光源，可同時測量3種波長，增加了對顆粒物分析時的光度和深度。因此，本文采用該型濁度計(jì)對迪拜100 MW塔式太陽能熱發(fā)電站的大氣衰減進(jìn)行測量試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。

1" 試驗(yàn)背景和試驗(yàn)設(shè)備

1.1" 試驗(yàn)背景

阿聯(lián)酋穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽能園區(qū)4期發(fā)電項(xiàng)目是由上海電氣集團(tuán)股份有限公司總承包的“一帶一路”重點(diǎn)項(xiàng)目。項(xiàng)目總占地面積約為44 km2，總裝機(jī)容量包括700 MW太陽能熱發(fā)電和250 MW光伏發(fā)電，是迄今為止世界范圍內(nèi)裝機(jī)容量和投資規(guī)模最大的“光伏+太陽能熱發(fā)電”綜合項(xiàng)目，該項(xiàng)目投用后每年可減少20萬t二氧化碳排放量。其中，本文所研究的迪拜100 MW塔式太陽能熱發(fā)電站裝機(jī)容量為100 MW、占地面積約為7 km2、儲能時長為15 h、集熱塔高度為260 m、定日鏡共70000面。

1.2" 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用的濁度計(jì)安裝在位于鏡場西南方向的氣象站中，用于測量整個鏡場所在區(qū)域的大氣衰減，從而為熱發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況提供依據(jù)，其現(xiàn)場安裝照片如圖1所示。設(shè)置濁度計(jì)儀器架距地面高度約為950 cm，濁度計(jì)主要參數(shù)如表1所示。

圖1" 濁度計(jì)現(xiàn)場安裝照片

Fig. 1" Install photo of nephelometer at site

表1" 濁度計(jì)主要參數(shù)

Table 1" Main parameters of nephelometer

參數(shù) 數(shù)值

測量波長/nm 450（藍(lán)）、525（綠）、635（紅）

測量范圍/Mm-1 0～20000

最低檢測極限/Mm-1 lt;0.3

樣氣流速/（L/min） 5

測量精度/（° ） 0.3

尺寸（長×寬×高）/mm 700×170×215

重量/kg 11.8

為獲取大氣中不同顆粒物的濃度，氣象站內(nèi)還安裝有TSI DustTrak DRX型氣溶膠監(jiān)測儀，用以輔助濁度計(jì)進(jìn)行測量。該型監(jiān)測儀將質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的光度測量與單粒子監(jiān)測相結(jié)合，從而可以推斷出氣溶膠粒徑分布，特別是針對超微米顆粒物[7]。

1.3" 試驗(yàn)過程

設(shè)備共進(jìn)行近6個月（2021年7月15日—2021年12月30日，共169天）的測量。試驗(yàn)過程中部分時段需要對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，此時間段內(nèi)不采集數(shù)據(jù)。在設(shè)備完成調(diào)試后，每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)。考慮到試驗(yàn)的最終目的是對未來太陽能熱發(fā)電站的運(yùn)行進(jìn)行指導(dǎo)，因此集中測量采集每天日出至日落，即07：00～18：00（UTC+4：00）間的數(shù)據(jù)，共采集得到98826個數(shù)據(jù)。

為保證客觀評價(jià)試驗(yàn)地點(diǎn)的總體大氣衰減變化趨勢，對雨天及沙塵暴天氣的數(shù)據(jù)均進(jìn)行采集；以每天測量結(jié)果的平均值表征當(dāng)天的大氣衰減。考慮到大氣環(huán)境對大氣衰減的影響，氣象站同時記錄了同期的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和氣壓等數(shù)據(jù)，用于分析大氣衰減與各氣象數(shù)據(jù)間的關(guān)系。

1.4" 測量原理

濁度計(jì)通過LED光源測量3種波長可見光的散射系數(shù)，散射系數(shù)越高，表示空氣中顆粒物的濃度越高。光在傳播過程的衰減可以用比爾-朗伯特定律來表示：

I（x）=I0e-σext x " " " " " " "（1）

式中：I（x）為傳播路徑長度x下光的強(qiáng)度；I0為入射光的強(qiáng)度；e為自然常數(shù)；σext為消光系數(shù)。

由此可得，傳播路徑長度x下的光透射率T（x）和衰減率A（x）的關(guān)系式可表示為：

T（x）= I（x） =e-σext x=1–A（x） " " " " " " "（2）

I0

光的衰減是散射和吸收共同作用的結(jié)果，因此消光系數(shù)可表示為：

σext=σsca+σabs " " " " " " "（3）

式中：σsca為散射系數(shù)；σabs為吸收系數(shù)。

影響光在大氣中傳播的物質(zhì)既可能是氣體分子，也可能是氣溶膠，因此散射系數(shù)和吸收系數(shù)可以分別表示為：

σsca=σsg+σsp

σabs=σag+σap " " " " " " "（4）

式中：σsg為氣體分子散射系數(shù)；σsp為氣溶膠散射系數(shù)；σag為氣體分子吸收系數(shù)；σap為氣溶膠吸收系數(shù)。

低層大氣中對光的吸收作用最明顯的氣體分子和顆粒物分別是NO2分子[8]和含碳煙灰[9]，但兩者對于光的吸收作用只有在自身濃度極高的情況下才明顯。結(jié)合本試驗(yàn)所處區(qū)域?qū)嶋H的大氣成分，與對光的散射影響相比，對光的吸收影響可以忽略不計(jì)。因此，式（3）可以近似改寫為：

σext≈σsca=σsg+σsp " " " " " " "（5）

散射系數(shù)為濁度計(jì)的直接測量值，可通過其進(jìn)一步得到消光系數(shù)。為方便測量和計(jì)算，通常選取長度為1 km的傳播路徑作為研究基準(zhǔn)，然后根據(jù)式（2）可得到1 km內(nèi)光的透射率和衰減率。

2" 大氣衰減變化趨勢分析

2.1" 日變化趨勢

雖然每日的天氣狀況不同，大氣衰減呈現(xiàn)一定的差異性，但除了極為個別的極端天氣（冰雹、暴雨或沙塵暴），本試驗(yàn)所處地區(qū)天氣變化總體較為平穩(wěn)，每日大氣衰減總體呈現(xiàn)一定規(guī)律性。從實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的每月隨機(jī)選取1日繪制其大氣衰減率變化趨勢圖，如圖2所示。

a. 7月23日

b. 8月13日

c. 9月25日

d. 10月1日

e. 11月15日

f. 12月3日

圖2" 大氣衰減日率變化趨勢圖

Fig. 2" Daily trend chart of atmospheric attenuation rate

由圖2可以看出：在6個月中大氣衰減率大部分在清晨時段（07：00～08：00）處在全天測量時間段內(nèi)的較高水平（除7月），隨著時間的推移，大氣衰減率在09：00之后整體出現(xiàn)下降的趨勢，部分月（8～10月）會在下午出現(xiàn)反彈。

通常來說，相比于冬季夏季的大氣衰減率在初始階段的測量值偏高。這是因?yàn)椋噍^于冬季夜間地面，夏季的夜間地面氣溫更高，地面與大氣之間存在更大的溫度梯度，導(dǎo)致大氣邊界層湍流旺盛，故邊界層高度較高[10]，更多的懸浮顆粒物保留在夜間，使清晨大氣衰減測量值高。進(jìn)入秋冬季節(jié)，由于氣溫持續(xù)降低，地表與大氣的溫度梯度較小，湍流活動不旺盛，導(dǎo)致大氣邊界層較低；同時，地表土壤濕度較高，地表的顆粒物很難進(jìn)入到大氣中，這直接導(dǎo)致大氣中的顆粒物濃度減小；因此，秋冬季節(jié)大氣衰減也整體處于較低的水平。

大氣邊界層是對流層的一部分，直接影響地表活動，并且對于大氣懸浮顆粒物的混合與傳播起著至關(guān)重要的作用。阿聯(lián)酋夏季平均大氣邊界層高度超過3.5 km，而冬季其平均值約為1.5 km[11]，這種大氣邊界層高度變化與圖2所展示的大氣衰減率變化趨勢一致。

以9月25日為例，對該日不同時刻的環(huán)境濕度、環(huán)境溫度及氣壓進(jìn)行測試，如圖3所示。

a.環(huán)境濕度

b. 環(huán)境溫度

c. 氣壓

圖3" 環(huán)境參數(shù)的日變化趨勢圖

Fig. 3" Daily trend chart of environmental parameter variation

結(jié)合圖2c、圖3分析可得：清晨時，由于氣溫較低，環(huán)境濕度相對較大，空氣中的水蒸氣會帶來更多地面散射作用，導(dǎo)致大氣衰減率增加。隨著時間推移，太陽升高且太陽輻射增加，環(huán)境溫度上升且環(huán)境濕度降低，大氣衰減率也隨之減小。在15：00后，由于太陽位置逐漸降低，大氣衰減會再次出現(xiàn)小幅度增加。

2.2" 月變化趨勢

由于設(shè)備校準(zhǔn)時不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等原因，每月測量采集的數(shù)據(jù)總量不盡相同，因此用每月測量數(shù)據(jù)的平均值來表征該月整體的大氣衰減水平，基于每月大氣衰減率平均值、最大值和最小值繪制出每月的大氣衰減率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4" 大氣衰減率的月變化趨勢圖

Fig. 4" Monthly trend chart of atmospheric attenuation rate

從圖4可以得出：環(huán)境溫度氣溫相對較高的月份大氣衰減率整體也相對較高，進(jìn)入秋冬季環(huán)境溫度逐步降低，大氣衰減率也整體降低。個別月份可能受極端天氣影響而表現(xiàn)略有差異。

7—12月各月的大氣衰減率極差如圖5所示。

由圖5可以看出：7—11月大氣衰減率極差的范圍相對穩(wěn)定，維持在70%～90%之間。進(jìn)入12月，由于環(huán)境溫度顯著降低，并且此時迪拜逐漸進(jìn)入雨季，較低的氣溫和頻繁的降雨都使大氣衰減率整體保持在較低水平，因此該月大氣衰減率極差同其他月份的值相比明顯較低。

需要重點(diǎn)關(guān)注大氣衰減率極差較大的月份，可以考慮適當(dāng)預(yù)備定日鏡，以保證在大氣衰減率

圖5" 7—12月各月的大氣衰減率極差

Fig. 5" Range of atmospheric attenuation rates for each month from July to December

突然升高時，能及時投用更多的定日鏡以保證熱發(fā)電機(jī)組的輸出功率。

根據(jù)測量得到的7—12月各月大氣衰減率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如表2所示。

表2" 7—12月各月的大氣衰減率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

Table 2" Statistical analysis results of atmospheric

attenuation rates for each month

from July to December

參數(shù) 7月 8月 9月 10月 11月 12月

平均環(huán)境

溫度/℃ 33.7 36.6 32.9 30.5 25.2 21.3

平均值/% 40.0 45.1 39.0 25.5 24.4 10.2

中位數(shù)% 38.2 40.6 36.0 22.4 18.4 8.8

標(biāo)準(zhǔn)差/% 18.4 15.5 13.0 11.3 14.8 5.2

最大值/% 93.5 98.9 95.0 76.9 89.5 41.9

最小值/% 6.2 21.7 13.2 6.1 7.8 3.6

樣本數(shù)量/個 8154 17052 19340 17770 18649 17861

測量天數(shù)/天 17 31 30 31 30 30

由表2可知：8月的平均環(huán)境溫度最高，其大氣衰減率的平均值、最大值、最小值均達(dá)到最高水平，分別為45.1%、98.9%、21.7%；12月的平均環(huán)境溫度最低，其大氣衰減率的平均值、最大值、最小值達(dá)均到最低水平，分別為10.2%、41.9%和3.6%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果遵循的規(guī)律與上文分析得到的結(jié)論一致。

2.3" 大氣衰減總體變化趨勢

用每日大氣衰減率的平均值來表征當(dāng)日的大氣衰減水平，基于169天的每日平均大氣衰減率，繪制得到整個試驗(yàn)周期內(nèi)的日大氣衰減率變化趨勢，如圖6所示，可以反映試驗(yàn)周期內(nèi)的整體變化。

圖6" 試驗(yàn)周期內(nèi)大氣衰減率日變化趨勢

Fig. 6" Daily variation trend of atmospheric attenuation rate during test period

由圖6可知：在環(huán)境溫度相對較高的8—9月，大氣衰減率整體處于較高水平；進(jìn)入10月后，隨著環(huán)境溫度逐漸降低，大氣衰減率也逐漸降低。此外，雨天和極端沙塵天氣對大氣衰減率有較大影響。

試驗(yàn)周期內(nèi)的日大氣衰減率總體分布情況如圖7所示，圖中，曲線代表對于大氣衰減率測量結(jié)果的擬合。試驗(yàn)周期內(nèi)大氣衰減率全部測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。

圖7" 試驗(yàn)周期內(nèi)日大氣衰減率分布

Fig. 7" Distribution of daily atmospheric attenuation rate during test period

試驗(yàn)周期內(nèi)，大氣衰減率最小值為3.6%，出現(xiàn)在雨后大氣潔凈度較高時；大氣衰減率最大值為98.9%，只在極端沙塵暴天氣測量得到。全部大氣衰減率的平均值為29.7%，中位數(shù)為27.6%，標(biāo)準(zhǔn)差為17.8%。

表3" 試驗(yàn)周期內(nèi)全部大氣衰減率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

Table 3" Statistical analysis results of all atmospheric attenuation rates during test period

參數(shù) 數(shù)值

平均值/% 29.7

中位數(shù)/% 27.6

標(biāo)準(zhǔn)差/% 17.8

最大值/% 98.9

最小值/% 3.6

樣本數(shù)量/個 98826

測量天數(shù)/天 169

3" 結(jié)論

本文利用Ecotech Aurora 3000型濁度計(jì)在迪拜100 MW塔式太陽能熱發(fā)電站進(jìn)行了為期169天的大氣衰減率測量，研究分析了大氣衰減率的日變化趨勢、月變化趨勢和整個試驗(yàn)周期內(nèi)的變化趨勢。研究結(jié)果顯示，平均環(huán)境溫度越高，大氣衰減越嚴(yán)重。

根據(jù)大氣衰減率測量值計(jì)算得到其日平均值、月平均值，可用來指導(dǎo)塔式太陽能熱發(fā)電站的日常運(yùn)行，在運(yùn)行過程中預(yù)先考慮適當(dāng)補(bǔ)償因大氣衰減造成的太陽輻射能量損失，以保證熱發(fā)電機(jī)組的輸出功率要求。同時，試驗(yàn)得到的大氣衰減率和透射率可為后續(xù)在迪拜建設(shè)太陽能熱發(fā)電站提供參考。

［參考文獻(xiàn)］

[1] SENGUPTA M，WAGNER M. Atmospheric attenuation in central receiver systems from DNI measurements[C]. World Renewable Energy Forum，May 13-17，2012，Golden：National Renewable Energy Lab，2012.

[2] TAHBOUB Z，OUMBE A，HASSAR Z，et al. Modeling of irradiance attenuation from a heliostat to the receiver of a solar central tower[J]. Energy procedia，2014，49：2405-2413.

[3] BALLESTRíN J，MONTERREAL R，CARRA M E，et al. Solar extinction measurement system based on digital cameras. Application to solar tower plants[J]. Renewable energy，2018，125：648-654.

[4] BALLESTRíN J，CARRA E，MONTERREAL R，et al. One year of solar extinction measurements at Plataforma Solar de Almería. Application to solar tower plants[J]. Renewable energy，2019，136：1002-1011.

[5] FREUD E，AM-SHALLEM M，HAYUT R. Deriving in-field light transmittance in a tower CSP plant[C]//SOLARPACES 2020：26th International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems，September 28–October 2，2020，F(xiàn)reiburg， Germany. New York：AIP，2022，2445（1）：070004.

[6] 世界氣象組織. 世界氣象組織/全球大氣觀測計(jì)劃（WMO/GAW） 氣溶膠觀測程序、指南及建議［M］. 張曉春，李雅楠，黃瀟，等，譯. 北京：氣象出版社，2020：31-33.

[7] WANG X L，CHANCELLOR G，EVENSTAD J，et al. A novel optical instrument for estimating size segregated aerosol mass concentration in real time[J]. Aerosol science and technology，2009，43（9）：939-950.

[8] 戴樹桂. 環(huán)境化學(xué)[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2006：70-73.

[9] HORVATH H. Atmospheric light absorption—a review[J]. Atmospheric environment part A general topics，1993，27（3）：293-317.

[10] 呂立慧，劉文清，張?zhí)焓妫? 基于激光雷達(dá)的京津冀地區(qū)大氣邊界層高度特征研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017，54（1）：50-56.

[11] FILIOGLOU M，GIANNAKAKI E，BACKMAN J，et al. Optical and geometrical aerosol particle properties over the United Arab Emirates[J]. Atmospheric chemistry and physics，2020，20（14）：8909-8922.

MEASUREMENT AND ANALYSIS OF ATMOSPHERIC

ATTENUATION RATE for DUBAI 100 MW

TOWER CSP STATION

Zhou Huiye，Yang Caoli

（Shanghai Electric BrightSource Solar Energy Co.，Ltd. Shanghai 201199，China）

Abstract：In order to alleviate the influence of atmospheric attenuation on the power generation capacity of tower CSP station in areas with high concentration of atmospheric particulate matter，this paper uses Ecotech Aurora 3000 turbidity meter to conduct atmospheric attenuation rate measurement test in Dubai 100 MW tower CSP station，and carries out a series of data processing and statistical analysis on the measurement results. The test results show that the higher the average ambient temperature，the more severe the atmospheric attenuation. The daily average，monthly average，and average values of atmospheric attenuation rate obtained from the test，as well as the corresponding trend of change，can provide reference for tower CSP station. In months with high atmospheric attenuation rates，appropriate compensation for solar radiation loss can be considered in advance to ensure the output power requirements of thermal power generation sets.

Keywords：tower CSP station；atmospheric attenuation；Ecotech Aurora 3000 nephelometer；project instruction