积灰对塔式太阳能定日镜反射率的影响研究

师志鹏，龚 俊，王伟志，闵浩晨



积灰对塔式太阳能定日镜反射率的影响研究

师志鹏，龚 俊，王伟志，闵浩晨

（兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050）

定日镜反射率是塔式太阳能电站发电效率的一个决定性因素，由于灰尘导致的镜面反射率的损失越来越引起重视。本文分析了灰尘影响定日镜反射率的原因，并通过实验模拟安装在现场的镜面样品，测得自然积灰与人工积灰状态下反射率的损失值，以此为基础来研究积灰时间和积灰密度对反射率的影响。结果表明，自然积灰30天可造成反射率损失25.88%，积灰密度对反射率有较大的影响。条件允许的情况下，建议及时清理灰尘使其保持较高的反射率以保证发电效率。该实验结果可为电站制定合理的清洗周期提供参考依据。

定日镜；反射率；灰尘；塔式太阳能；自然积灰；人工积灰；积灰密度

塔式太阳能发电属于聚光型太阳能发电方式的一种，其利用大量独立跟踪太阳的定日镜，将太阳射线汇集到一个相对较小、高温的吸热器上，通过加热吸热器中的传热工质将光能转化为热能，再利用热交换系统生成的高温蒸汽带动汽轮机发电[1]。因其具有集热温度高、聚光比高、热消耗少、热传递路程短和系统综合效率高等优点，成为最为理想的大规模发电方法[2]。定日镜是塔式太阳能热发电站的关键设备，在整个电站中数量最多，占地面积最大，其洁净程度直接影响着电站的发电效率[3]。太阳能热发电站一般建在太阳辐射高、日照时间长、土地面积广阔的沙漠地区，但这些地区往往也面临着风沙大、降雨少的环境考验。长期暴露在这样的环境中，镜面难免会粘上灰尘，这将大大降低定日镜反射率，从而降低整个镜场聚光效率[4–5]。

国内外学者对塔式太阳能发电技术进行了大量的研究，但主要集中在如何提高追踪精度[6]以及合理进行镜场布置方面，对于定日镜积灰问题研究较少。Yadva N K等[7]在印度进行了灰尘沉积实验，结果表明灰尘在单个定日镜上呈均匀沉积，且沉积状态与摆放位置有关。Singh G等[8]对粉尘的沉积机理和清洗策略进行了研究。但关于积灰对聚光反射率的影响尚无正式报道。

本文以兰州市某光热光伏试验基地为研究对象，研究了灰尘对定日镜反射率的影响，得到了自然积灰和人工积灰状态下反射率的损失程度。实验结果对今后的光热发电积灰问题研究以及为电站制定合理的清灰周期有一定借鉴作用。

1 灰尘对定日镜影响

1.1 灰尘来源

灰尘分为自然来源与人工来源。自然来源主要是土壤、岩石、动植物细屑，它们经过风化等自然作用后分裂成细小的微粒。人工来源包括工业厂房排放、建筑施工、交通运输及行人造成的二次扬尘等。各种来源的灰尘长期在人和自然力的作用下经过长期搬运后沉积下来，或再次扬起或长期附着在物体表面[9]。

1.2 积灰对定日镜的影响

1.2.1 定日镜工作原理

塔式太阳能热发电系统如图1所示。由于太阳在天空中不断移动，阳光的照射角度也一直在变化，位于镜场中的一系列定日镜通过控制系统控制反射镜的旋转来对太阳进行跟踪，使阳光经过反射后能以一定的方向出射，将太阳辐射最大限度聚集在镜场中心的集热塔顶，从而克服太阳能辐射能流密度低的缺点，提高发电效率。单台定日镜的反射面一般为微弧平凹面镜，这就使得定日镜可以将阳光反射的同时进行聚焦[10]。

图1 塔式太阳热能发电系统示意

1.2.2 积灰对定日镜反射率影响机理

随着灰尘颗粒接近定日镜，它会随着流动而延迟并最终沉积在定日镜上。洁净的镜子在控制系统的作用下通过实时跟踪太阳，可以将太阳光线反射到位于镜场中心的集热塔顶（图2a)）。但是当灰尘沉积在反射镜上时，整个镜面将会凹凸不平，从而使大量的入射光线发生漫反射而朝四面八方散开（图2b)），这将会大大影响定日镜场的聚光效率从而降低电站的整体经济效益。据光热发电网（CSPPLAZA）有关数据统计，以国内某台50 MW的光热示范电站为例，反射率每降低1.0%~1.5%，在该电站25年的寿命中，在不考虑其他因素影响的情况下，损失的收益可达7 200万元。

2 反射率测量实验

2.1 实验设备及方案

2.1.1 实验设备

本实验采用美国D&S公司的15R-RGB便携式镜面反射率计来测量样镜的镜面反射率。该反射率计测量时遵循光学原理：通过一个高强度的LED灯发射波长约660 nm的光线，透过集成好的透镜瞄准仪照射到样品镜面上，同时在接收端接收反射光线。其他主要设备为175 mm×100 mm×3 mm镀铝膜光学反射镜（在光学玻璃基材表面，通过真空镀膜镀一层金属铝薄膜，使入射光反射的光学元件反射率达93%以上）、可调整角度样镜支架、精度为0.001 g的电子天平。

2.1.2 实验方案

研究积灰对反射镜反射率的影响时，积灰时间和积灰密度[11]是2个重要参数。

为了使实验结果更加准确可靠，本实验采用自然积灰和人工积灰2种方式。自然积灰实验是将样镜置于支架上，调整好镜子角度，以连续30天为测量周期，中午12:00测量，每2天测量1次。测得洁净和积灰状态下的样镜反射率，两者之差即为反射率衰减值。人工积灰实验旨在消除外界环境影响，定量分析积灰密度对反射率的影响。事先测得洁净样镜反射率和样镜质量，然后人工撒灰，测得不同积灰量下样镜反射率和样镜质量，通过计算求得不同积灰密度下反射率的损失值。撒灰时人离实验镜约2 m，站在上风口向空中撒灰，使灰尘在风力和重力作用下落向镜面。

2.2 实验数据和结果分析

2.2.1 自然积灰实验

在这30天里，镜面每天平均污染造成的聚光反射率衰减约为0.86百分点。测试期间有3次降雨过程，分别为第8、12、19天，降雨量为中雨。从图3可以看出：每次降雨都可以对镜面进行1次清洗，但还不足以起到完全清洗的效果，特别是对于积灰时间较长导致的高污染；每次降雨后的一两天内，灰尘增加速度较慢；在整个实验过程中，某些时段由于灰尘污染会出现较高的反射率损失，例如第4天到第5天，第4天下午天气变化，刮起了大风，导致第6天测试时镜面反射率损失值较大；第20天到第30天天气良好，没有出现大风及降雨等现象，所以反射率损失值呈比较标准的线性分布，每天反射率的损失值约为1.77百分点。

图3 自然积灰1个月反射率衰减曲线

2.2.2 人工积灰实验

为了减小实验误差，使实验结果更具普遍性，以3块尺寸和材质相同、初始反射率相近的镜子为1组，在相同环境下进行实验。实验采取逐次递增灰尘的方法，在分撒灰尘的时候尽量保证灰尘均匀分布，使样镜表面各处均有灰尘沉积[12]。分别测得3块样镜不同积灰量下的镜面反射率，以三者均值作为实验结果，不同积灰密度下反射率损失值见表1。其中，积灰密度为积灰量与积灰面积之比。

表1 不同积灰密度下反射率损失值

Tab.1 The reflectance loss values at different dust densities

由表1可见：当积灰密度为0.159 g/m²时，反射率约为91.48%；当积灰密度为1.137 g/m²，反射率约为78.84%，下降了14.56%；当积灰密度为2.157 g/m²，反射率仅为66.93%，下降了26.47%。可见，即使很少量的灰尘也会对反射镜反射率造成巨大的影响，并且积灰量越多，反射率越低。由此推断，随着灰尘的不断累积，反射率将逐渐降低至使聚光设备无法使用，因此在条件允许的情况下应及时清理灰尘使其保持高的反射率以保证发电效率。

3 结 论

1）灰尘沉积在定日镜上，会使太阳光线发生漫反射从而导致镜面反射率下降，使得塔式发电站的集热效率降低，造成大幅度的能量损失，这将会大大影响电站的经济效益。

2）自然积灰30天，镜面反射率的平均损失为每天0.86百分点。在天气良好，不出现大风或者降雨等情况下，镜面每天的反射率损失约为每周1次，那么该电站的平均反射率为90.82%。

3）积灰密度对反射率的影响较大，即使很少量的灰尘沉积也能导致较大的反射率损失，平均1 g/m²的积灰，将会导致镜面反射率下降约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

师志鹏, 龚俊, 王伟志, 等. 积灰对塔式太阳能定日镜反射率的影响研究[J]. 热力发电, 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

师志鹏(1995—)，男，硕士研究生，主要研究方向为太阳能热发电技术，szp7b25@163.com。

（责任编辑 刘永强）