集光型太陽能反射鏡材料研究

中科院上海高等研究院 ■ 李明 王會利 顏立強

一 引言

在聚光太陽能發(fā)電(Concentrating Solar Power)中，集光型太陽能反射鏡用來跟蹤太陽，并將太陽光反射、聚焦到接收器上，是太陽能聚光發(fā)電的關(guān)鍵部件。國外太陽能聚光電站建設(shè)經(jīng)驗表明，反射鏡成本約占系統(tǒng)建造總成本的50%，是制約塔式太陽能發(fā)電商業(yè)化的重要原因之一。降低反射鏡成本、提高反射鏡性價比能有效促進塔式太陽能發(fā)電的商業(yè)化。

作為反射鏡材料的性能，反射率最為重要，同時鏡面材料還要求質(zhì)量輕、耐風(fēng)沙、機械強度高、易清潔和更換、價格便宜、易于加工等特性。目前CSP項目國際官方技術(shù)指標(biāo)為：聚光效果需要90%的反射光在4mrad半錐角范圍內(nèi)；室外正常工作需超過10年；大批量生產(chǎn)成本要少于10.8$/m2。

二 集光型太陽能發(fā)射鏡一般結(jié)構(gòu)

目前已建成投產(chǎn)的塔式熱電站的定日鏡以及待建、擬建的塔式熱電光電等項目幾乎都采用玻璃反射鏡。它的優(yōu)點是重量輕、抗變形能力強、反射率高、易清潔等。玻璃反射鏡采用的大多是玻璃背面反射鏡。由于銀的太陽吸收比低，反射率可達97%，所以銀是最適合用于太陽能反射的材料之一，但由于它在戶外環(huán)境會迅速退化，因此必須予以保護。目前應(yīng)用在太陽能反射系統(tǒng)中的鍍銀玻璃鏡多是用濕化學(xué)法或磁控濺射法制備的。用0.7～6mm厚的玻璃作為沉積鏡子的清潔表面基體，在玻璃上鍍70nm厚銀層作為反射層。銀的上層覆蓋一層銅(厚度為30nm)，它能夠起到保護金屬銀的作用，同時作為過渡層用于降低銀和保護漆間的內(nèi)應(yīng)力，改善保護漆與金屬之間的粘結(jié)。在銅層外涂兩層保護漆，使外層的保護漆在金屬表面形成一個保護膜。有時還會把反射鏡封裝在兩層玻璃之間或噴涂上多層漆保護層使其保護性能更好。

圖1 集光型太陽能反射鏡一般結(jié)構(gòu)

三 主流反射鏡材料性能研究

1 厚玻璃反射鏡

(1)Flabeg反射鏡

Flabeg公司在2003年改進了生產(chǎn)工藝：鏡片厚度為5mm，無銅處理，并且采用新的無鉛涂層技術(shù)，耐久性預(yù)計能達到生產(chǎn)商所稱水平。2004年第二季度開展了可靠性實驗，室外加速曝光實驗表明新的反射鏡性能較之前有輕微的提升。

應(yīng)用前景：現(xiàn)有項目中使用的反射鏡有銅質(zhì)底面，采用舊涂層技術(shù)，根據(jù)以往經(jīng)驗，這種反射鏡在室外環(huán)境中耐久性良好。新的生產(chǎn)工藝改變很大，但是并不能認為新型反射鏡還具有和以前同樣的耐久性。Flabeg的新型厚玻璃反射鏡還沒有接受過長達多年工作周期的室外實驗。

圖2 厚玻璃反射鏡

(2)替代性厚玻璃反射鏡(3～6mm)

西班牙生產(chǎn)的3mm厚玻璃無銅無鉛涂層工藝反射鏡和Pilkington公司生產(chǎn)的4mm反射鏡已經(jīng)應(yīng)用于聚光太陽能發(fā)電廠的搭建。在WOM加速曝光實驗中，Pilkington的光學(xué)耐久性表現(xiàn)更好。西班牙的產(chǎn)品發(fā)生覆層剝蝕情況也更加嚴重。

應(yīng)用前景：僅僅根據(jù)加速暴露實驗預(yù)測室外工作年限是很冒險的。在室外暴露實驗中，目前為止兩種反射鏡都沒有發(fā)生退化，但根據(jù)現(xiàn)有實驗結(jié)果來看，目前Pilkington的產(chǎn)品耐久性大概是最好的。

2 薄玻璃反射鏡

采用濕法鍍銀工藝，厚度為1mm。在2000～2004年間，主要的薄玻璃反射鏡生產(chǎn)商都引進了無銅生產(chǎn)工藝和無鉛涂層技術(shù)。在2004～2005年間聚光光伏(CPV)就無銅工藝和無鉛涂層系統(tǒng)生產(chǎn)的反射鏡的耐久性做了重大改進。

應(yīng)用前景：盡管銅質(zhì)底面的含鉛涂層反射鏡表現(xiàn)出良好的室外耐久性，采用無銅工藝和無鉛涂層系統(tǒng)的新型玻璃設(shè)計應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，卻沒有同等良好的耐久性。需要發(fā)展一種新的涂層技術(shù)以達到室外環(huán)境下的耐久性要求。

圖3 薄玻璃反射鏡

3 陽極氧化鋁反射鏡

通過PVD鋁反射層和保護氧化面漆，提高反射率和耐用性。另外聚合物膜提高了反射鏡的耐久性，但由于室外測試發(fā)生分層使鏡面反射退化變形。Alanod公司用納米復(fù)合氧化保護層取代聚合物膜，從而解決了分層問題。新MiroSun樣本顯示2005年收到的測試結(jié)果預(yù)計看好。目前研究正在進行中，意通過PVD法用銀來取代鋁層。

圖4 陽極氧化鋁反射鏡

圖5 鍍銀聚合物反射鏡

4 鍍銀聚合物反射鏡

ReflecTech聚合物反射鏡底面鍍銀，黏貼UV層增加室外耐久性，ACUVEX進行的試運行實驗，相當(dāng)于10年的室外加速暴露實驗。目前已經(jīng)有在建項目上應(yīng)用加強UV層的反射鏡進行耐久性實驗。2011年美國SkyFuel公司推出的下一代ReflecTech PLUS鏡面反射膜在保持了原ReflecTech所有優(yōu)點的同時，還增加了一層堅韌透明的涂層，可防止表面磨損。

應(yīng)用前景：第一批試用中嚴格的室外暴露實驗只有2.5年，第二批試用條件進行了較大改變并且室外暴露剛剛實施，需要進行更多實驗來確定其工作年限。目前原ReflecTech與新型ReflecTech PLUS鏡面反射膜都已通過美國國家可再生能源實驗室（NREL）的嚴格測試，并展示了超過30年的抗寒耐熱力。

5 張力金屬膜反射鏡

其鏡面是用0.2～0.5mm厚的不銹鋼等金屬材料制作而成，可以通過調(diào)節(jié)反射鏡內(nèi)部壓力來調(diào)整張力金屬膜的曲度。這種定日鏡的優(yōu)點是其鏡面由一整面連續(xù)的金屬膜構(gòu)成，可以僅僅通過調(diào)節(jié)定日鏡的內(nèi)部壓力調(diào)整定日鏡的焦點，而不像玻璃定日鏡那樣由多塊拼接而成。但這種定日鏡自身難以逾越的缺點是反射率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

美國桑地亞國立實驗室用金屬膜取代定日鏡的玻璃鏡面，該定日鏡在鏡體的圓環(huán)形金屬支架上正反面鋪上極薄的金屬膜，用作反射面的正面涂上一層銀色丙烯反射膜，其厚度僅為4μm。該實驗室實驗了兩種材料的金屬薄膜——鋼和鋁，膜厚僅為千分之幾英寸。定日鏡直徑為8m，與普通玻璃定日鏡比較，每平方米反射面積的鏡體重量包括鏡面及支承環(huán)下降約70%。

圖6 張力金屬膜反射鏡

四 太陽能反射鏡最新研究進展

1 太陽熱發(fā)電柔性高反射鏡

2012年2月日本富士發(fā)布新型太陽能聚光反射鏡，反射率95%以上，開發(fā)品的厚度為100μm，重量僅為支撐體采用玻璃的普通反射鏡的1/20～1/30。該反射鏡作為太陽熱發(fā)電的聚光鏡預(yù)計3年后實用化。薄膜鏡在厚度為75μm的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)樹脂薄膜上，涂布以光和熱凝固的樹脂，形成功能性樹脂層(厚度0.3μm左右)后，實施鍍銀形成反射層(厚度為0.1μm左右)。

2 ReflecTech PLUS鏡面反射膜

2011年美國SkyFuel公司推出的ReflecTech PLUS鏡面反射膜，公司首席技術(shù)官Randy Gee表示：“ReflecTech鏡面反射膜使得創(chuàng)新型集中器技術(shù)大幅度降低成本成為可能。我們設(shè)計的SkyTrough利用了鏡面反射膜所有的優(yōu)點，再加上30年的抗紫外線力以及新型抗磨損涂層，將會越發(fā)完善?！?/p>

3 德國安鋁 Alanod

陽極氧化鋁反射鏡，通過PVD鋁反射層和保護氧化面漆，以提高反射率和耐用性。另外聚合物膜提高了反射鏡的耐久性，但由于室外測試發(fā)生分層使鏡面反射退化變形。德國安鋁公司用納米復(fù)合氧化保護層取代聚合物膜，從而解決了分層問題。

(1)Alanod 320G氧化鏡面鋁板，是通過獨特處理工藝使得鋁材表面達到鏡面效果的陽極氧化鏡面鋁板。全反射率為86%。

(2)Alanod MIR04通過獨特處理工藝使得鋁材表面達到鏡面效果的陽極氧化鏡面鋁板，表面光潔如鏡、無紋絲，反射率高達95%。氧化層對鋁板本身起到保護作用，具備高硬度、耐磨性，以及優(yōu)良的抗腐蝕性能。

五 結(jié)論

玻璃反射鏡、陽極氧化鋁鏡、鍍銀聚合物鏡都已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)，并且都在 (轉(zhuǎn)第47頁)陽光譜特性等相關(guān)量。采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)量和光伏輸出，經(jīng)由特殊算法，可有效支持光伏發(fā)電支路的智能化。

6 電能質(zhì)量改善

電能質(zhì)量控制是光伏模塊的軟肋，是光伏發(fā)電無法從輔助能源轉(zhuǎn)變?yōu)樘娲茉吹淖畲笃款i。

光伏支路運行中的電能質(zhì)量問題主要有：滲入的直流分量、電力電子器件運行產(chǎn)生的諧波污染、電壓波動閃變、波形畸變以及三相不平衡。

基于儲能設(shè)備和電能質(zhì)量管理設(shè)備的綜合治理在目前看來是最有效的方案。

7 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化

光伏支路相關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化將有助于簡化控制系統(tǒng)的工作，有利于微電網(wǎng)智能化運行的實現(xiàn)。微電網(wǎng)融合技術(shù)將對光伏設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化提出更高要求。

8 提高擴展延伸性

由于負荷變動的需要，微電網(wǎng)光伏支路在規(guī)劃布局上必須充分考慮擴展延伸能力。在微電網(wǎng)工程初期，就得充分預(yù)留電力和通訊接口。監(jiān)控平臺的設(shè)計也要考慮系統(tǒng)的可能延伸范圍。

9 功率調(diào)節(jié)和功率預(yù)測

在功率檢測基礎(chǔ)上的功率調(diào)節(jié)和預(yù)測是光伏模塊控制與保護的核心技術(shù)。

另外，并網(wǎng)型微電網(wǎng)還必須同時具備孤島保護和低電壓穿越能力。

五 結(jié)語

微電網(wǎng)的發(fā)展將從根本上改善以往電力負荷畸形增長帶來的不穩(wěn)定因素，在節(jié)能減排、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性方面具有巨大潛力，是電網(wǎng)智能化的關(guān)鍵策略之一。接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏發(fā)電模塊，由于其本身的自然屬性和電力系統(tǒng)的特殊環(huán)境，存在配置失調(diào)問題。探求這些問題的解決方案是微電網(wǎng)系統(tǒng)逐步走向成熟的先決條件。

[1]楊恢宏, 余高旺, 樊占峰, 等. 微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器的研發(fā)及實際應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2011, 39(19):126-129.

[2]Nikos Hatziargyriou, Hiroshi Asano, Reza Iravani, et al. Microgrids:An Overview of Ongoing Research, Development, and Demonstration Projects[J]. IEEE power and energy magazine, July/August 2007:78-94.