迪拜100 MW塔式太陽能熱發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的大氣衰減對塔式太陽能熱發電站發電量的影響，利用Ecotech Aurora 3000型濁度計在迪拜100 MW塔式太陽能發電站進行大氣衰減率測量試驗，對測量結果進行一系列的數據處理與統計學分析。試驗結果表明：平均環境溫度越高，大氣衰減也越嚴重。試驗得到的大氣衰減率日平均值、月平均值和整個試驗周期內的平均值，以及相應的變化趨勢，可為塔式太陽能熱發電站提供參考。在大氣衰減率較高的月份，可預先考慮適當補償太陽輻射量損失，以保證發電機組輸出功率要求。

關鍵詞：塔式太陽能熱發電站；大氣衰減；Ecotech Aurora 3000型濁度計；工程指導

中圖分類號：TK519 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著世界各國對生態環境的重視程度提高，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化石燃料的發電技術。太陽能作為清潔可再生能源，近年來受到了廣泛關注。塔式太陽能熱發電技術憑借能流密度大、光電轉換效率高、可通過配備儲熱系統實現24 h發電等優勢，得到了迅速發展，全球塔式太陽能熱發電站總裝機容量從初期的10 MW到2016年已發展至100 MW。

塔式太陽能熱發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生的能量衰減會直接影響到熱發電機組的輸出功率、性能表現；特別是在大氣顆粒物濃度偏高的地區，這種能量衰減帶來的能量損失會更加明顯，導致定日鏡提供的能量大幅降低。這時，如果仍維持原來的運行策略，整個鏡場提供給吸熱器的能量將不足以滿足熱發電機組滿負荷發電的要求。因此，針對塔式太陽能熱發電站因大氣原因造成的能量衰減（下文簡稱為“大氣衰減”）進行測量分析尤為重要。通過對塔式太陽能熱電站所在地區的大氣衰減進行試驗研究，可以得到相應的大氣衰減變化趨勢，在大氣衰減較高的月份可以考慮預先投用更多的定日鏡，使鏡場提供足夠的能量以保證熱發電機組滿負荷發電。

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碼相機的太陽輻射量衰減測量方法，并在2019年應用于西班牙太陽能測試平臺（Plataforma Solar de Almería，PSA）。2020年，Freud等[5-6]提出基于3種波長濁度計（Ecotech Aurora 3000型）的大氣衰減測量系統（DAST），并成功將其應用于以色列Ashalim塔式太陽能熱發電站。

由于Ecotech Aurora 3000型濁度計（下文簡稱為“濁度計”）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對迪拜100 MW塔式太陽能熱發電站的大氣衰減進行測量試驗，并對試驗結果進行分析研究。

1" 試驗背景和試驗設備

1.1" 試驗背景

阿聯酋穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽能園區4期發電項目是由上海電氣集團股份有限公司總承包的“一帶一路”重點項目。項目總占地面積約為44 km2，總裝機容量包括700 MW太陽能熱發電和250 MW光伏發電，是迄今為止世界范圍內裝機容量和投資規模最大的“光伏+太陽能熱發電”綜合項目，該項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塔式太陽能熱發電站裝機容量為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" 試驗設備

本試驗所用的濁度計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域的大氣衰減，從而為熱發電機組運行狀況提供依據，其現場安裝照片如圖1所示。設置濁度計儀器架距地面高度約為950 cm，濁度計主要參數如表1所示。

圖1" 濁度計現場安裝照片

Fig. 1" Install photo of nephelometer at site

表1" 濁度計主要參數

Table 1" Main parameters of nephelometer

參數 數值

測量波長/nm 450（藍）、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，氣象站內還安裝有TSI DustTrak DRX型氣溶膠監測儀，用以輔助濁度計進行測量。該型監測儀將質量濃度范圍內的光度測量與單粒子監測相結合，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" 試驗過程

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

為保證客觀評價試驗地點的總體大氣衰減變化趨勢，對雨天及沙塵暴天氣的數據均進行采集；以每天測量結果的平均值表征當天的大氣衰減。考慮到大氣環境對大氣衰減的影響，氣象站同時記錄了同期的環境溫度、環境濕度和氣壓等數據，用于分析大氣衰減與各氣象數據間的關系。

1.4" 測量原理

濁度計通過LED光源測量3種波長可見光的散射系數，散射系數越高，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下光的強度；I0為入射光的強度；e為自然常數；σext為消光系數。

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果，因此消光系數可表示為：

σext=σsca+σabs " " " " " " "（3）

式中：σsca為散射系數；σabs為吸收系數。

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

σsca=σsg+σsp

σabs=σag+σap " " " " " " "（4）

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

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。結合本試驗所處區域實際的大氣成分，與對光的散射影響相比，對光的吸收影響可以忽略不計。因此，式（3）可以近似改寫為：

σext≈σsca=σsg+σsp " " " " " " "（5）

散射系數為濁度計的直接測量值，可通過其進一步得到消光系數。為方便測量和計算，通常選取長度為1 km的傳播路徑作為研究基準，然后根據式（2）可得到1 km內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），本試驗所處地區天氣變化總體較為平穩，每日大氣衰減總體呈現一定規律性。從實驗周期內的每月隨機選取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之后整體出現下降的趨勢，部分月（8～10月）會在下午出現反彈。

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。這是因為，相較于冬季夜間地面，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。進入秋冬季節，由于氣溫持續降低，地表與大氣的溫度梯度較小，湍流活動不旺盛，導致大氣邊界層較低；同時，地表土壤濕度較高，地表的顆粒物很難進入到大氣中，這直接導致大氣中的顆粒物濃度減小；因此，秋冬季節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重要的作用。阿聯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境濕度、環境溫度及氣壓進行測試，如圖3所示。

a.環境濕度

b. 環境溫度

c. 氣壓

圖3" 環境參數的日變化趨勢圖

Fig. 3" Daily trend chart of environmental parameter variation

結合圖2c、圖3分析可得：清晨時，由于氣溫較低，環境濕度相對較大，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，環境溫度上升且環境濕度降低，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小幅度增加。

2.2" 月變化趨勢

由于設備校準時不能進行數據采集等原因，每月測量采集的數據總量不盡相同，因此用每月測量數據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計數據的變化趨勢圖，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，進入秋冬季環境溫度逐步降低，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定，維持在70%～90%之間。進入12月，由于環境溫度顯著降低，并且此時迪拜逐漸進入雨季，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。

需要重點關注大氣衰減率極差較大的月份，可以考慮適當預備定日鏡，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電機組的輸出功率。

根據測量得到的7—12月各月大氣衰減率數據進行統計分析，具體結果如表2所示。

表2" 7—12月各月的大氣衰減率統計分析結果

Table 2" Statistical analysis results of atmospheric

attenuation rates for each month

from July to December

參數 7月 8月 9月 10月 11月 12月

平均環境

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% 38.2 40.6 36.0 22.4 18.4 8.8

標準差/% 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

樣本數量/個 8154 17052 19340 17770 18649 17861

測量天數/天 17 31 30 31 30 30

由表2可知：8月的平均環境溫度最高，其大氣衰減率的平均值、最大值、最小值均達到最高水平，分別為45.1%、98.9%、21.7%；12月的平均環境溫度最低，其大氣衰減率的平均值、最大值、最小值達均到最低水平，分別為10.2%、41.9%和3.6%。數據統計結果遵循的規律與上文分析得到的結論一致。

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，繪制得到整個試驗周期內的日大氣衰減率變化趨勢，如圖6所示，可以反映試驗周期內的整體變化。

圖6" 試驗周期內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；進入10月后，隨著環境溫度逐漸降低，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。

試驗周期內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果的擬合。試驗周期內大氣衰減率全部測量數據的統計分析結果如表3所示。

圖7" 試驗周期內日大氣衰減率分布

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

試驗周期內，大氣衰減率最小值為3.6%，出現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%，中位數為27.6%，標準差為17.8%。

表3" 試驗周期內全部大氣衰減率的統計分析結果

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

參數 數值

平均值/% 29.7

中位數/% 27.6

標準差/% 17.8

最大值/% 98.9

最小值/% 3.6

樣本數量/個 98826

測量天數/天 169

3" 結論

本文利用Ecotech Aurora 3000型濁度計在迪拜100 MW塔式太陽能熱發電站進行了為期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周期內的變化趨勢。研究結果顯示，平均環境溫度越高，大氣衰減越嚴重。

根據大氣衰減率測量值計算得到其日平均值、月平均值，可用來指導塔式太陽能熱發電站的日常運行，在運行過程中預先考慮適當補償因大氣衰減造成的太陽輻射能量損失，以保證熱發電機組的輸出功率要求。同時，試驗得到的大氣衰減率和透射率可為后續在迪拜建設太陽能熱發電站提供參考。

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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