概述

　　对于太阳能光热电站（CSP）的设计者和运营者来说，由于灰尘导致的镜面发射率的损失越来越引起重视，投建一个新的光热电站，投资回报率的评估除了拟建场地的太阳能资源外，还应当考虑当地的洁净度。大气中落尘的类型和数量是和地理位置相关并且使随着季节循环的。通过对安装在现场的镜面样品表面的落尘和镜面反射率损失的测试，我们通过集尘袋和镜面反射率的损失对一个CSP候选厂址做了一年清洁度的评估工作。使用专门设计的便携式镜面反射计对反射率的损失每个月为周期进行测量。下面会描述该仪器的测量原理及有代表性的结果。

　　1、介绍

　　CSP使用光学组件，通常是镜面，将太阳射线汇集到一个相对较小的，高温的接收器，将光能转化成热能，并将热能传递至汽轮机或发电机，将热能转换成电或者传至储热罐中。

　　CSP依靠的是晴朗天空和太阳直接辐射，因为要得到高温进行高效运行依赖于投射到接收器上的太阳碟片的光学发射。这个运行效率意味着CSP系统的镜面光学反射率是和电站的输出紧密相关的，由于环境恶劣或者落尘导致的镜面反射率的下降将直接导致燃料发电成本（LCOE）的增加，而LCOE是一个电站能力的最基本的指标。

　　对CSP电站候选厂址的评估是一个综合性的过程，要考虑到投资一个电站在建设和运行中所产生的实际情况及财务测算。电站的环境影响是一个需要考虑的关键因素，这包括由于落尘或者环境污染导致的镜面反射率损失的比率，频率以及相关的镜面的成本。

　　镜面的洁净度和电站的收益率密切相关，由于它会导致发电量的减少，因此是电站成本中需要考虑的一个重要因素。特别是在沙漠的环境中，水是比较稀缺的资源。然而，对电站镜面反射率的管理是一个系统的工程，而不仅仅是对镜面进行清洗。它包括针对不同的环境，有着不同耐久性的镜面的选择，到电站的设计原理，比如水的矿物化以及存储设施，以及监控和防范措施。对反射率的维护涉及到对运行期间各种即时条件（例如天气条件）的认识，以及对当地各类气候学的认识，防范镜面破碎是另一个要素。

　　正是基于反射率管理的重要意义，本实验对位于南非北开普省卡图（纬度：27.70°S，经度：23.05°E）附近的候选CSP厂址的灰尘对镜面反射率的影响进行了研究，该候选厂址位于半干旱的南部喀拉哈里沙漠地区，有非常好的环境利于大规模的CSP电站。2011年8月，在该地区建立了样镜的支架，并且每个月使用定制的，便携式镜面反射计对灰尘导致的镜面反射的损失进行了测量。本文对该仪器的设计以及监测的有代表性的结果进行论述。

　　2.反射仪的设计

　　目前市面上有很多便携式的仪器对反射率进行测量，包括DevicesandServices®公司的15R-USB,AbengoaCondor®公司的SR-6.1，以及SurfaceOpticsCorporation®公司的410-SOLAR手持式反射计。由于考虑到需要非常高的要求来透过污染的镜面对准单色反射率损失进行测量，因此我们决定对该项目定制一款镜面反射计。设计和定制一款基于商业单反数码相机(DSLR)的相机系统，该相机系统附带一个不锈钢的基座配置了一套对准调整螺钉，起锁定的作用，它能提供固定的对准作用使相机能够快速和容易的使用。图1显示了该DSLR基准镜面发射计的光学结构图和系统的CAD设计图，该系统包括一个白色的LED光源以及一个准直透镜来模拟直接太阳光照。

Fig.1.(a)DSLR-BasedContaminationCameraOpticalLayout;(b)CADViewofDSLR-BasedDustCamera.

　　光源包括一个白色的飞利浦LED光源，光源校准使用消色差胶合透镜来模拟太阳圆盘。准直光束经测试样镜反射，以45˚入射角，然后再模拟太阳能接收器小孔径成像。

　　光圈的大小用一个可调光圈来调整，这个可调光圈可以拒绝在光谱方向上任何小于角度φ（可接收的角度，见图2）内的反射光通过。在整个测试过程中这个可调光圈是固定的，它给定的可接收的角度是φ=0.9˚，16mrad.，比一般建议的数值φ=12.5mrad要大30%，这是预计到该候选厂址要使用的抛物槽面的结构，但是比一般的灰尘测量区域的φ=23mrad要小。

　　镜面样品区域的直线视角（FOV）是300mm2.范围内的16.8mm至17.7mm.

Fig.2.SpecularReflectionVectorDiagram.

　　该应用中DSLR选择的是尼康D90，虽然我们没有D90的光谱响应函数，但图3中有D70的光谱响应函数的测量，并且有ASTMG-173作为太阳光谱的参照。

　　CSP的太阳镜面材料，其参数特征标准定义，比如波长范围是280-2500nm,入射角和镜面水平面的角度应当小于15˚，φ≈12.5mrad。该实验中的入射角θi=45˚，比一般标准的θi<15˚要大的多。对于镜面灰尘的测量，加大入射角是非常重要的，因为考虑到槽面镜结构入射角要大的多，我们的计算表明，在目前的候选厂址纬度上，对于典型的槽型抛物面，使用45˚的入射角进行测量时恰当的。对镜面灰尘的测量来说，入射角度比测量一般的镜面反射更加重要，这是因为粉尘一般是附着在二维镜面材料上的三维颗粒，而有效的反射镜面积会随着入射角的余弦值而下降，灰尘颗粒会出现独立于入射角的光截面。因此灰尘损耗在入射角方面比一般的镜面发射率来说有更强的独立性。

Fig.3.SpectralResponseFunctionsoftheNikonD70.

　　对于可接收的入射角，有专家对比了D&S®15R反射计测量仪对于φ=46mrad的测量和SR-6.1对于408mrad的测量，发现结果是比较理想的，这说明对于灰尘导致的反射率损失的测量对入射角度的依赖不是很强，可以确定比较高的入射角的值408mrad是正确的。

　　3、方法

　　为获得在该区域内导致反射率损失的关键因素，该试验的研究包括对各个方向朝向的样镜的安装支架的研究，每个月去测量一次反射率的损失以及其他相关的方面。镜面样品来自Flabeg®公司,2011年8月24日安装，见图4，安装2周后开始测量，2012年8月28日对测量结果进行了讨论。

　　首先把样镜清洁一部分区域进行测量值作为参考值，然后捕获样镜清洁区域的参考镜像和污染区域的镜像。每一个镜像之前都有一个LED灯关掉的镜像作为参考。该过程涉及在视野范围内直线移动相机取三次清洁区域的测量（每次之前有黑灯镜像参考），然后取三次污染区域的测量（每次有黑灯镜像参考）。重复此过程，取6个样品清洁区域和污染区域的24个镜像（关灯和开灯的）。这相当于在一个20cmX30cm的样镜上总样本约在1800mm2的区域上。镜像的捕获采用相机的RAW模式。在测量过程中，要注意不要改变镜面的污染情况。

Fig.4.MirrorRackPopulatedwithSamples.

　　用清洁的区域图像的平均像素除以污染区域图像的平均像素来计算反射率的损失。亮灯的图像扣除之前对应的黑灯的图像，结果被合并成一个对应颜色信道的平均测量值，如下列等式所示：

　　在这里，n是全部像素的数量，DN是数值（像素值），镜面反射率的损失通过DSLR相机的红色、绿色和蓝色的颜色信道的结果的平均值来计算。