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)電的關鍵部件。國外太陽能聚光電站建設經驗表明，反射鏡成本約占系統建造總成本的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量輕、耐風沙、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項目國際官方技術指標為：聚光效果需要90%的反射光在4mrad半錐角范圍內；室外正常工作需超過10年；大批量生產成本要少于10.8$/m2。

二 集光型太陽能發(fā)射鏡一般結構

目前已建成投產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。目前應用在太陽能反射系統中的鍍銀玻璃鏡多是用濕化學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應力，改善保護漆與金屬之間的粘結。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構

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年改進了生產工藝：鏡片厚度為5mm，無銅處理，并且采用新的無鉛涂層技術，耐久性預計能達到生產商所稱水平。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。

應用前景：現有項目中使用的反射鏡有銅質底面，采用舊涂層技術，根據以往經驗，這種反射鏡在室外環(huán)境中耐久性良好。新的生產工藝改變很大，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)

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

應用前景：僅僅根據加速暴露實驗預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，但根據現有實驗結果來看，目前Pilkington的產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商都引進了無銅生產工藝和無鉛涂層技術。在2004～2005年間聚光光伏(CPV)就無銅工藝和無鉛涂層系統生產的反射鏡的耐久性做了重大改進。

應用前景：盡管銅質底面的含鉛涂層反射鏡表現出良好的室外耐久性，采用無銅工藝和無鉛涂層系統的新型玻璃設計應用于室內環(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年收到的測試結果預計看好。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，相當于10年的室外加速暴露實驗。目前已經有在建項目上應用加強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，可以通過調節(jié)反射鏡內部壓力來調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)的金屬膜構成，可以僅僅通過調節(jié)定日鏡的內部壓力調整定日鏡的焦點，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、結構復雜。

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，公司首席技術官Randy Gee表示：“ReflecTech鏡面反射膜使得創(chuàng)新型集中器技術大幅度降低成本成為可能。我們設計的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。”

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 結論

玻璃反射鏡、陽極氧化鋁鏡、鍍銀聚合物鏡都已經應用于商業(yè)化生產，并且都在 (轉第47頁)陽光譜特性等相關量。采集到的環(huán)境數據量和光伏輸出，經由特殊算法，可有效支持光伏發(fā)電支路的智能化。

6 電能質量改善

電能質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變?yōu)樘娲茉吹淖畲笃款i。

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

基于儲能設備和電能質量管理設備的綜合治理在目前看來是最有效的方案。

7 設備標準化

光伏支路相關設備標準化將有助于簡化控制系統的工作，有利于微電網智能化運行的實現。微電網融合技術將對光伏設備的標準化提出更高要求。

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。在微電網工程初期，就得充分預留電力和通訊接口。監(jiān)控平臺的設計也要考慮系統的可能延伸范圍。

9 功率調節(jié)和功率預測

在功率檢測基礎上的功率調節(jié)和預測是光伏模塊控制與保護的核心技術。

另外，并網型微電網還必須同時具備孤島保護和低電壓穿越能力。

五 結語

微電網的發(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、提高電力系統可靠性和靈活性方面具有巨大潛力，是電網智能化的關鍵策略之一。接入微電網系統的光伏發(fā)電模塊，由于其本身的自然屬性和電力系統的特殊環(huán)境，存在配置失調問題。探求這些問題的解決方案是微電網系統逐步走向成熟的先決條件。

[1]楊恢宏, 余高旺, 樊占峰, 等. 微電網系統控制器的研發(fā)及實際應用[J]. 電力系統保護與控制, 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.