太陽能光熱發(fā)電用反射鏡反射特性研究

李文通,王朝陽

(1.中國計量學院 材料科學與工程學院,浙江 杭州 310018;2.浙江大明玻璃有限公司,浙江 嘉興 314200)

太陽能光熱發(fā)電用反射鏡反射特性研究

李文通1,王朝陽2

(1.中國計量學院 材料科學與工程學院,浙江 杭州 310018;2.浙江大明玻璃有限公司,浙江 嘉興 314200)

反射率是太陽能聚光鏡的關鍵參數(shù).依據(jù)不同玻璃透過率和不同鍍膜工藝制備了一系列太陽能聚光鏡樣品.采用Lambda1050紫外/可見/近紅外分光光度計測量了這些樣品的反射率曲線,并結合太陽光譜權重計算得出反射率.結果表明,相同條件下,玻璃的透過率越高則反射鏡的反射率越高;反射鏡反射率隨著銀含量增大而增高,并趨于飽和;銅含量對反射率影響較小.

聚光鏡;反射率;透過率;銀含量;銅含量

近年,隨著能源危機以及環(huán)境惡化,現(xiàn)階段太陽能的利用,特別是利用太陽能進行熱發(fā)電,越來越受到人們的重視[1-3].反射鏡是太陽能熱發(fā)電站集熱場的核心組件,提高反射鏡的反射率可以顯著提高集熱場的聚光集熱效率,從而達到降低光熱電站建造成本的目的.反射率受玻璃材料及鍍膜工藝的影響,為了確定材料和鍍膜工藝等相關的生產參數(shù),需要測量反射鏡的反射率;而反射率的測量需要在符合國際標準的實驗室中進行,但國內符合條件的實驗室較少,因此反射鏡廠商不得不將反射鏡樣品送往國外的實驗室進行反射率檢測,致使費時又費力,而且成本高昂.

鑒于上述情況，我們在實驗室條件下對反射鏡進行了反射率測量,研制了依據(jù)玻璃透過率、銀含量和銅含量三方面因素制備出玻璃銀鏡樣品并檢測了光譜半球反射率.根據(jù)ASTM G173太陽光輻照度表加權平均計算出反射率(鏡子的漫反射可忽略不計),并進行了比較分析.對太陽能熱發(fā)電用玻璃反射鏡的生產具有一定的價值.具體的情況如下.

1 樣品制備及測試設備

玻璃銀鏡生產工藝技術如下:

上片→預洗→拋光→清洗→敏化→活化→鍍銀→鍍銅→烘干→淋底漆→底漆烘干→淋面漆→面漆烘干→面漆固化冷卻→鏡面清洗→下片→檢驗→包裝.

其中敏化、活化、鍍銀及鍍銅等工藝流程是影響玻璃銀鏡反射率的關鍵.

1.1 樣品制備

制備了透過率不同的8片玻璃樣品,透過率分別為86.5%、87.4%、88.5%、89.6%、90.4%、91.7%、92.5%、93%.樣品銀層含量為1 500 mg·m-2,銅層含量為500 mg·m-2.

制備了銀層含量不同的8片樣品,銀層含量分別為(單位:mg·m-2):700、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500,樣品的透過率均為91.7%,銅層含量為500 mg·m-2.

制備了銅層含量不同的8片樣品,銅層含量分別為(單位:mg·m-2):100、200、300、400、500、600、700、800,樣品透過率為91.7%,銀層含量為1 500 mg·m-2.

1.2 實驗設備及測試原理

實驗的主要設備為紫外/可見/近紅外分光光度計,其型號為Lambda1050.

Lambda1050是雙光束分光光度計.圖1為雙光束分光光度計的光路原理圖.雙光束光路從光源到檢測器有兩條光通道,即試樣光束和參比光束,因此雙光束分光光度計可以在兩條光路上同時測量待測樣品與參比樣品,可直接獲得待測樣品的測定數(shù)據(jù),還可自動補償測量時因測試條件的隨機變化所引起的誤差[4].

圖1 雙光束分光光度計光路圖Figure 1 Double beam spectrophotometer light path diagram

Lambda1050內置一個150 mm寬帶InGaAs積分球,采用氘燈、鎢燈作為光源,波長范圍為175～3 300 nm,紫外可見區(qū)域使用高靈敏度的R6872光電倍增管和高性能的InGaAs檢測器,近紅外區(qū)域使用PbS檢測器,掃描范圍為185～3 000 nm.使用Uv WinLab軟件進行操作,檢測反射鏡光譜反射率時設定的波長范圍為280～2 500 nm,波長間隔為5 nm,光線入射角為8°.

(1)

2 實驗結果與討論

實驗中分別對依據(jù)三種因素制備的玻璃銀鏡的反射率進行了測試,得到了三組玻璃銀鏡的光譜反射率.并繪制了每組樣品的光譜反射率曲線及每種因素對玻璃銀鏡反射率的影響趨勢曲線.

2.1 玻璃透過率對反射鏡反射率的影響

玻璃透過率是指透過玻璃的輻射能與入射到玻璃上的總輻射能之比.由于銀層很薄,厚度僅為幾十到上百納米,玻璃對銀層起到保護與支撐的作用.光需要經(jīng)過玻璃傳播到銀層反光面,因此高反射率的玻璃銀鏡,需要采用高透過率的玻璃.銀含量和銅含量一定的情況下,改變玻璃透過率玻璃銀鏡反射率隨之改變,透過率越大反射率越大.

透過率不同的玻璃銀鏡的光譜反射率曲線如圖2.圖3表示透過率對反射率的影響趨勢.觀察圖2和圖3可知,當透過率逐漸提高時,光譜反射率在280～2 500 nm范圍內均有明顯提高,反射率逐漸增大,說明理論與實際相符.

圖2 不同透過率玻璃銀鏡樣品的光譜反射率曲線Figure 2 Spectrum curve of samples with different glass transmittance

圖3 玻璃透過率與反射鏡反射率的關系Figure 3 Relationship between the transmittance of glasses and the reflectance of the reflectors

2.2 銀含量對反射鏡反射率的影響

銀含量是指每平方米玻璃銀鏡銀層中所含金屬銀的總質量.銀層是玻璃銀鏡的主要光能反射層,由于工藝等原因,附著于玻璃表面的銀層厚度不能做到絕對均勻,從而使部分光能透射銀層時就會影響銀鏡的反射率.在現(xiàn)有鍍銀工藝條件下,工業(yè)上一般采用增加銀含量來保證銀鏡的反射率,但是銀屬于貴金屬,為了控制生產成本,需要找到銀含量對于銀鏡最大反射率的邊界值.在玻璃透過率和銅含量一定的情況下,隨著銀含量的提高,玻璃銀鏡的反射率隨之提高.

銀含量不同的玻璃銀鏡的光譜反射率曲線如圖4.銀含量對反射率的影響趨勢曲線如圖5.觀察圖4和圖5可知,當銀含量增加到1 400 mg·m-2左右時,反射率達到95.2%,反射率不再隨著銀含量的提高而提高.說明1 400 mg·m-2是邊界值.

圖4 銀含量差異樣品的光譜反射率曲線Figure 4 Spectrum curve of samples with different silver content

圖5 銀含量與玻璃銀鏡反射率的關系Figure 5 Relationship between the silver content and the reflectance of the reflectors

2.3 銅含量對反射鏡反射率的影響

銅含量是指每平方米玻璃銀鏡銅層所含金屬銅的總質量.銅層對銀層起到保護與補充的作用,銀含量較小的情況下,銅層能夠對銀層的缺陷起到補償?shù)淖饔?從而保證銀鏡的反光性能.在玻璃透過率一定和銀含量處于較高水的的情況下,改變銅含量,玻璃銀鏡的反射率沒有明顯變化.

銅含量不同的玻璃銀鏡的光譜反射率曲線如圖6、銀含量對反射率的影響趨勢曲線如圖7.觀察圖6和圖7可知,銅含量的變化對樣品反射率的幾乎沒有影響.說明在銀含量較高的情況下,銅含量的變化不會引起銀鏡的反射率可測的變化.

圖6 銅含量差異樣品的光譜曲線Figure 6 Spectrum of samples with different copper content

圖7 銅含量與玻璃銀鏡反射率的關系Figure 7 Relationship between the copper content and reflectance of the reflectors

3 結 語

用控制變量法研究了玻璃透過率、銀含量和銅含量對玻璃銀鏡反射率的影響規(guī)律.根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)得出如下結論:

1)在銀銅含量不變的情況下,玻璃透過率越高,制得的玻璃銀鏡的反射率越高；

2)在玻璃透過率和銅含量不變的情況下,一定范圍內,隨著銀含量提高,玻璃銀鏡反射率隨之提高;當銀含量達到1 400 mg·m-2時,改變銀含量,反射率不再有明顯變化；

3)在玻璃透過率一定,并且銀含量處于較高水平的情況下,銅含量對玻璃銀鏡的反射率沒有明顯影響.

[1] 宋記鋒,丁樹娟.太陽能熱發(fā)電站[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:1-2.

[2] 黃素逸,黃樹紅.太陽能熱發(fā)電原理及技術[M].北京:中國電力出版社,2012:458-487.

[3] 陳愚,易經(jīng)緯,劉清輝.聚光熱發(fā)電技術的分析和簡評[J].能源與環(huán)境,2011(3):20-22. CHEN Yu, YI Jingwei, LIU Qinghui. Technology analysis and profile of concentrated thermal power generation[J].Energy and Environment,2011(3):20-22.

[4] 毛祥光.球面反射率測量系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學,2006. MAO Xiangguang. Spherical surface reflectivity measurement system[D].Hangzhou: Zhejiang University,2006.

[5] CHEN Y T. Comparison of two sun tracking methods in the application of a heliostat field[J].Journa of Solar Energy Engineering,2004,126:638-644.

[6] Internationa Organization for Standardization. ISO 9050: 2003(E),Glass in buiding-Determination of light transmittance,solardirect transmittance,total solar energy transmittance, ultraviolettransmittance and related glazing fators[S]. Switzerland: International Organization for Standardization, Inc, 2003.

[7] WILSON R. Reflecting telescope optics[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1999:423-448.

[8] BURKHOLDER F, KUTSCHER C.Heat loss testing of schott’s 2008 PTR70 parabolic trough receiver[R]. USA: NREL,2009.

[9] STEPHAINE M, CHERYL K. Standardization of solar mirror reflectance measurements-round robin test[C]//SolarPACES 2010. Germany:[s,n],2010:21-24.

[10] GUILLAUME P B, BLAKE M C, MACLEOD A H, el al. Reflectance optimization of second-surface silvered glass mirrors for concentrating solar power and concentrating photovoltaics application[J].Journal of Photonics for Energy,2012(2):1-13.

Reflctive properties of the reflector for solar-thermal power generation

LI Wentong1, WANG Chaoyang2

(1. College of Materials Science and Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Daming Glass Co., Ltd, Zhejinag Jiaxing 314200, China)

Reflectivity is the key parameter of a solar condenser. A series of solar condenser samples were prepared according to the glass transmittance and the film coating process. The reflection spectra of the samples were aquired with the UV/Vis/NIR spectrophotometer, and the reflectivities were calculated with the solar spectrum weighting. The results show that the higher the transmittance of the glass, the higher the reflectivity of the mirror. The reflectivitives of the glasses increase with the silver content and tend to saturation. The impact of the copper content on the reflectivity is not significant.

condenser; reflectance; transmittance; silver content; copper content

1004-1540(2015)02-0212-04

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.016

2015-03-09 《中國計量學院學報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TN312.8

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