气象仪器仪表在太阳能光热发电站的选型与应用

张瑞祥

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

太阳能光热发电站的设计要对站址所在的区域进行太阳能资源分析，电站的运行需要法向直接辐射、水平面总辐射、散射辐射、气温、相对湿度、风速、风向、降水量等实测时间序列数据，且实时观测数据要直接传送至电站的控制系统[1]。目前对于新建太阳能光热发电站的设计，一般在项目前期站址区域内建设单独的气象站，数据用于太阳能资源分析，项目建设后期在站址内建设现场观测站，数据用于电站的运行，如图1和图2所示前期太阳能资源评估气象站和后期站址处现场气象观测站。

图1 前期太阳能资源评估气象站

图2 后期站址现场气象观测站

气象站主要由数据采集器、供电系统及支架、数据处理和分析软件和仪器仪表等组成。气象站所涉及的气象仪器仪表主要有：太阳能资源类辐射仪表(直接辐射表、水平面总辐射表、散射辐射表)、常规气象类仪表(温湿度传感器、风向风速仪、雨量计、大气压力传感器)和其他类仪器。

1 气象仪器仪表的选型

目前太阳能光热发电站对于气象仪器仪表的设计没有专门的规定和规范，主要是参考气象行业的相关规范，如《地面气象观测规范》系列标准：QX/T 49《地面观测规范 第5部分气压观测》 、QX/T 50《地面观测规范 第6部分空气温度和湿度观测》、QX/T 51《地面观测规范 第7部分风向和风速观测》、QX/T 52《地面观测规范 第8部分降水观测》、QX/T 55《地面观测规范 第11部分：辐射观测》等的规定。

1.1 太阳能资源类辐射仪表

1.1.1 太阳能直接辐射表

测量太阳能资源(直接辐射)的仪器包括直接辐射表、自动太阳跟踪器和采集器。直接辐射表由感应元件、光筒和附件组成。感应元件由感应面和热电堆组成，当感应面接收太阳辐射时，热电堆产生温差电动势，其大小与接收的辐射量成正比。如图3所示直接辐射表的组成。

图3 直接辐射表的组成

直接辐射表应达到的指标在GB/T 33698—2017《太阳能资源测量 直接辐射》[2]中给出了详细的数值与范围：

1)绝缘电阻(热电堆宇仪器基座之间)：不小于1 MΩ；

2)内阻：不大于300 Ω；

3)灵敏度允许范围：7～14µV·W-1·m2；

4)响应时间(99%响应)：不大于35 s；

5)非线性误差：不大于2%；

6)温度误差(-40℃～+40℃)：不大于3%；

7)年稳定性：不大于2%。

1.1.2 太阳能水平面总辐射表、散射辐射表

测量太阳能资源(散射辐射)的仪器包括总辐射表、自动遮光装置和采集器。总辐射表由感应件、玻璃罩和附件组成。感应元件由感应面和热电堆组成，当感应面接收太阳辐射时，热电堆产生温差电动势，转换成辐射数据。如图4所示总辐射表由感应面、石英玻璃罩、白色挡板等组成。

图4 总辐射表的组成

总辐射表应达到的指标在GB/T 33699—2017《太阳能资源测量 散射辐射》[3]中给出了详细的数值与范围：

1)绝缘电阻(热电堆宇仪器基座之间)：不小于1 MΩ；

2)内阻：不大于800 Ω；

3)响应时间(99%响应)：不大于30 s；

4)非线性误差：不大于3%；

5)方向性响应误差(垂直入射1 000 W/m2时)：不大于30 W/m2；

6)温度响应误差(在50 K间隔内)：不大于8%；

7)零点偏移(对环境温度5 K/h变化的响应)：不大于8 W/m2；

8)倾斜(180°)响应误差：不大于5%。

自动遮光装置应达到如下指标：

1)捕获角：绝对值不大于5°；

2)捕获速度：每分钟不大于30°；

3)计时误差：每天不大于1 s；

4)太阳跟踪误差：当太阳直接辐射照度小于120 W/m2时，跟踪误差不大于1.5°；当太阳直接辐射照度大于或等于120 W/m2时，跟踪误差不大于0.2°；

5)遮挡范围：在日出时刻与日落时刻之间应保证总辐射表传感器玻璃罩始终处于遮光球所形成的遮挡阴影之内。

1.2 常规气象类仪表

1.2.1 风速、风向传感器

按风速传感器结构形式分为：风杯式、螺旋桨式、叶轮式，一般在工程中多采用风杯式。风杯式风速传感器由旋转器、转换器两部分组成，旋转器主要包括风杯、臂杆和垂直轴；转换器主要包括光电组件或磁电组件。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。

单翼风向传感器由风向标和转换器组成，风向标主要包括尾翼、水平杆、平衡锤、垂直轴；转换器主要包括光电组件或电位器、同步电机。当风向标转动时，带动格雷码盘(常用七位，分辨率为2.8°)，按照码盘切槽的设计，码盘每转动2.8°，光电管组就会产生新的七位并行格雷码输出，测得实际风向[4]。如图5所示一般风速、风向传感器由主杆连接，同时测量风速和风向。

图5 风速、风向传感器

1.2.2 大气压力传感器

工程一般采用膜盒式电容气压传感器，感应元件为真空膜盒，当大气压力发生变化时，使真空膜盒(包括金属膜盒和单晶硅膜盒)的弹性膜片产生形变，通过测量电容量的变化来测量气压[5]。如图6所示现场安装大气压力传感器外形图。

图6 大气压力传感器

1.2.3 温湿度传感器

温度测量采用高精度Pt100铂电阻温度传感器，根据铂电阻的电阻值随温度变化的特性来测定温度。湿度测量采用湿敏电容湿度传感器，电容量的变化正比于相对湿度。如图7所示，铂电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器可制作成一体，测量空气温湿度时，必须安装在一个辐射罩里。

图7 温湿度传感器

1.2.4 雨量计

降水测量一般采用单翻斗式雨量传感器，主要由承水器、过滤漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。

如图8所示雨量计现场安装外形图，降水通过承水器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一个斗又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲信号(一脉冲为0.1 mm)传输到采集系统。仪器测量范围 0 ～ 4 mm/min[6]。

图8 雨量计

1.3 其他类型气象观测仪器

1.3.1 日照仪

对于太阳能光热发电站的开发建设和运行，太阳日照时间也是需要测量的重要数据。在一给定时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的各段时间总和。日照时数也称实照时数，即每日实际存在符合日照定义时段的总和。

日照仪一般有暗筒式日照仪和聚焦式日照仪(又称“康培托克式”日照仪)，如图9、图10所示。目前光热发电站一般采用直接辐射表每日自动跟踪太阳输出的信号，自动测量系统把≥120 W/m2的时间累加，作为每小时的日照时数与每天的日照时数，采集器中有相应的数据[7-8]。

图9 康培托克式日照仪

图10 暗筒式日照仪

1.3.2 大气透过率测量仪

大气能见度可以用大气透过率测量仪来测量。辐射在大气中的能量衰减用大气透过率来表示。大气透过率是一个多因子函数，它与探测路径长度、视角、辐射波长、气压、气温和大气成分等有关。大气透过率衰减是由大气分子和悬浮在大气中的气溶胶颗粒的吸收和散射造成的[9]。如图11所示是基于气溶胶前散射原理而研发设计的一款能见度智能监测设备，测量仪由光发射器、光接收器及微处理控制器等主要部件组成。

图11 大气透过率测量仪

1.3.3 全天空成像仪

全天空成像仪是白天全天空云量的持续自动监测仪器，是全自动、全色彩天空成像系统，提供实时处理和显示白天的天空状态[10]。光热发电站应用全天空成像仪可以在无遮挡太阳装置的情况下自动记录天空云量分布数据和云底高度数据，可用于短期光功率预报和太阳能电站选址等，其嵌入太阳能监测系统可以增强区域太阳能资源研究和预测的能力。如图12所示全天空成像仪主要的部件有照相机、带有加热装置的半球镜面、镜面上方的遮光带以及下方的电子设备系统等。

图12 全天空成像仪

1.3.4 灰尘检测仪

光热发电站多在西北地区，通常情况下伴随沙尘富集、多风的特点，随着时间的推移风中夹带的沙、尘会在反射镜表面沉积，影响系统效率，通过灰尘检测可以计算镜子表面的清洁度。如图13所示光伏电站的组件灰尘检测，光热发电站虽然与光伏电站发电原理不同，但是可以借鉴灰尘测量的方法。

图13 光伏电站灰尘检测仪

2 仪表电源及接口信号

光热电站的气象仪器仪表电源由气象观测站的电源统一考虑，气象观测站的电源宜采用交流不间断电源，气象仪器仪表的电源取自气象观测站的电源配电箱，通过查阅仪表设备样本，部分仪表电源要求及接口信号如表1所示。

表1 仪表电源要求及接口信号汇总表

3 仪表安装要求

光热电站的气象仪器仪表应安装在电厂范围内视野无障碍遮挡、安全、可接近的位置，能较好地反映气象要素，一般可布置在主厂房屋面、空冷平台等位置。仪表安装可以参考QXT 45-2007 《地面观测规范 第1部分 总则》[11]中给出的安装要求，如表2所示。

表2 仪表安装要求汇总表

4 结语

气象仪器仪表在太阳能光热发电站是一种必要的测量设备，其作用涉及电站的选址、设计、运行和评估等，目前太阳能资源类辐射表及其他特殊类型的仪器仪表产品多为进口产品，随着光热发电站的发展，气象仪器仪表会在更大范围内应用，国产产品会越来越多，选型与应用会更加成熟，会更加贴近光热发电站的特性。