集光型太阳能反射镜材料研究

中科院上海高等研究院 ■ 李明 王会利 颜立强

一 引言

在聚光太阳能发电(Concentrating Solar Power)中，集光型太阳能反射镜用来跟踪太阳，并将太阳光反射、聚焦到接收器上，是太阳能聚光发电的关键部件。国外太阳能聚光电站建设经验表明，反射镜成本约占系统建造总成本的50%，是制约塔式太阳能发电商业化的重要原因之一。降低反射镜成本、提高反射镜性价比能有效促进塔式太阳能发电的商业化。

作为反射镜材料的性能，反射率最为重要，同时镜面材料还要求质量轻、耐风沙、机械强度高、易清洁和更换、价格便宜、易于加工等特性。目前CSP项目国际官方技术指标为：聚光效果需要90%的反射光在4mrad半锥角范围内；室外正常工作需超过10年；大批量生产成本要少于10.8$/m2。

二 集光型太阳能发射镜一般结构

目前已建成投产的塔式热电站的定日镜以及待建、拟建的塔式热电光电等项目几乎都采用玻璃反射镜。它的优点是重量轻、抗变形能力强、反射率高、易清洁等。玻璃反射镜采用的大多是玻璃背面反射镜。由于银的太阳吸收比低，反射率可达97%，所以银是最适合用于太阳能反射的材料之一，但由于它在户外环境会迅速退化，因此必须予以保护。目前应用在太阳能反射系统中的镀银玻璃镜多是用湿化学法或磁控溅射法制备的。用0.7～6mm厚的玻璃作为沉积镜子的清洁表面基体，在玻璃上镀70nm厚银层作为反射层。银的上层覆盖一层铜(厚度为30nm)，它能够起到保护金属银的作用，同时作为过渡层用于降低银和保护漆间的内应力，改善保护漆与金属之间的粘结。在铜层外涂两层保护漆，使外层的保护漆在金属表面形成一个保护膜。有时还会把反射镜封装在两层玻璃之间或喷涂上多层漆保护层使其保护性能更好。

图1 集光型太阳能反射镜一般结构

三 主流反射镜材料性能研究

1 厚玻璃反射镜

(1)Flabeg反射镜

Flabeg公司在2003年改进了生产工艺：镜片厚度为5mm，无铜处理，并且采用新的无铅涂层技术，耐久性预计能达到生产商所称水平。2004年第二季度开展了可靠性实验，室外加速曝光实验表明新的反射镜性能较之前有轻微的提升。

应用前景：现有项目中使用的反射镜有铜质底面，采用旧涂层技术，根据以往经验，这种反射镜在室外环境中耐久性良好。新的生产工艺改变很大，但是并不能认为新型反射镜还具有和以前同样的耐久性。Flabeg的新型厚玻璃反射镜还没有接受过长达多年工作周期的室外实验。

图2 厚玻璃反射镜

(2)替代性厚玻璃反射镜(3～6mm)

西班牙生产的3mm厚玻璃无铜无铅涂层工艺反射镜和Pilkington公司生产的4mm反射镜已经应用于聚光太阳能发电厂的搭建。在WOM加速曝光实验中，Pilkington的光学耐久性表现更好。西班牙的产品发生覆层剥蚀情况也更加严重。

应用前景：仅仅根据加速暴露实验预测室外工作年限是很冒险的。在室外暴露实验中，目前为止两种反射镜都没有发生退化，但根据现有实验结果来看，目前Pilkington的产品耐久性大概是最好的。

2 薄玻璃反射镜

采用湿法镀银工艺，厚度为1mm。在2000～2004年间，主要的薄玻璃反射镜生产商都引进了无铜生产工艺和无铅涂层技术。在2004～2005年间聚光光伏(CPV)就无铜工艺和无铅涂层系统生产的反射镜的耐久性做了重大改进。

应用前景：尽管铜质底面的含铅涂层反射镜表现出良好的室外耐久性，采用无铜工艺和无铅涂层系统的新型玻璃设计应用于室内环境，却没有同等良好的耐久性。需要发展一种新的涂层技术以达到室外环境下的耐久性要求。

图3 薄玻璃反射镜

3 阳极氧化铝反射镜

通过PVD铝反射层和保护氧化面漆，提高反射率和耐用性。另外聚合物膜提高了反射镜的耐久性，但由于室外测试发生分层使镜面反射退化变形。Alanod公司用纳米复合氧化保护层取代聚合物膜，从而解决了分层问题。新MiroSun样本显示2005年收到的测试结果预计看好。目前研究正在进行中，意通过PVD法用银来取代铝层。

图4 阳极氧化铝反射镜

图5 镀银聚合物反射镜

4 镀银聚合物反射镜

ReflecTech聚合物反射镜底面镀银，黏贴UV层增加室外耐久性，ACUVEX进行的试运行实验，相当于10年的室外加速暴露实验。目前已经有在建项目上应用加强UV层的反射镜进行耐久性实验。2011年美国SkyFuel公司推出的下一代ReflecTech PLUS镜面反射膜在保持了原ReflecTech所有优点的同时，还增加了一层坚韧透明的涂层，可防止表面磨损。

应用前景：第一批试用中严格的室外暴露实验只有2.5年，第二批试用条件进行了较大改变并且室外暴露刚刚实施，需要进行更多实验来确定其工作年限。目前原ReflecTech与新型ReflecTech PLUS镜面反射膜都已通过美国国家可再生能源实验室（NREL）的严格测试，并展示了超过30年的抗寒耐热力。

5 张力金属膜反射镜

其镜面是用0.2～0.5mm厚的不锈钢等金属材料制作而成，可以通过调节反射镜内部压力来调整张力金属膜的曲度。这种定日镜的优点是其镜面由一整面连续的金属膜构成，可以仅仅通过调节定日镜的内部压力调整定日镜的焦点，而不像玻璃定日镜那样由多块拼接而成。但这种定日镜自身难以逾越的缺点是反射率较低、结构复杂。

美国桑地亚国立实验室用金属膜取代定日镜的玻璃镜面，该定日镜在镜体的圆环形金属支架上正反面铺上极薄的金属膜，用作反射面的正面涂上一层银色丙烯反射膜，其厚度仅为4µm。该实验室实验了两种材料的金属薄膜——钢和铝，膜厚仅为千分之几英寸。定日镜直径为8m，与普通玻璃定日镜比较，每平方米反射面积的镜体重量包括镜面及支承环下降约70%。

图6 张力金属膜反射镜

四 太阳能反射镜最新研究进展

1 太阳热发电柔性高反射镜

2012年2月日本富士发布新型太阳能聚光反射镜，反射率95%以上，开发品的厚度为100µm，重量仅为支撑体采用玻璃的普通反射镜的1/20～1/30。该反射镜作为太阳热发电的聚光镜预计3年后实用化。薄膜镜在厚度为75µm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂薄膜上，涂布以光和热凝固的树脂，形成功能性树脂层(厚度0.3µm左右)后，实施镀银形成反射层(厚度为0.1µm左右)。

2 ReflecTech PLUS镜面反射膜

2011年美国SkyFuel公司推出的ReflecTech PLUS镜面反射膜，公司首席技术官Randy Gee表示：“ReflecTech镜面反射膜使得创新型集中器技术大幅度降低成本成为可能。我们设计的SkyTrough利用了镜面反射膜所有的优点，再加上30年的抗紫外线力以及新型抗磨损涂层，将会越发完善。”

3 德国安铝 Alanod

阳极氧化铝反射镜，通过PVD铝反射层和保护氧化面漆，以提高反射率和耐用性。另外聚合物膜提高了反射镜的耐久性，但由于室外测试发生分层使镜面反射退化变形。德国安铝公司用纳米复合氧化保护层取代聚合物膜，从而解决了分层问题。

(1)Alanod 320G氧化镜面铝板，是通过独特处理工艺使得铝材表面达到镜面效果的阳极氧化镜面铝板。全反射率为86%。

(2)Alanod MIR04通过独特处理工艺使得铝材表面达到镜面效果的阳极氧化镜面铝板，表面光洁如镜、无纹丝，反射率高达95%。氧化层对铝板本身起到保护作用，具备高硬度、耐磨性，以及优良的抗腐蚀性能。

五 结论

玻璃反射镜、阳极氧化铝镜、镀银聚合物镜都已经应用于商业化生产，并且都在 (转第47页)阳光谱特性等相关量。采集到的环境数据量和光伏输出，经由特殊算法，可有效支持光伏发电支路的智能化。

6 电能质量改善

电能质量控制是光伏模块的软肋，是光伏发电无法从辅助能源转变为替代能源的最大瓶颈。

光伏支路运行中的电能质量问题主要有：渗入的直流分量、电力电子器件运行产生的谐波污染、电压波动闪变、波形畸变以及三相不平衡。

基于储能设备和电能质量管理设备的综合治理在目前看来是最有效的方案。

7 设备标准化

光伏支路相关设备标准化将有助于简化控制系统的工作，有利于微电网智能化运行的实现。微电网融合技术将对光伏设备的标准化提出更高要求。

8 提高扩展延伸性

由于负荷变动的需要，微电网光伏支路在规划布局上必须充分考虑扩展延伸能力。在微电网工程初期，就得充分预留电力和通讯接口。监控平台的设计也要考虑系统的可能延伸范围。

9 功率调节和功率预测

在功率检测基础上的功率调节和预测是光伏模块控制与保护的核心技术。

另外，并网型微电网还必须同时具备孤岛保护和低电压穿越能力。

五 结语

微电网的发展将从根本上改善以往电力负荷畸形增长带来的不稳定因素，在节能减排、提高电力系统可靠性和灵活性方面具有巨大潜力，是电网智能化的关键策略之一。接入微电网系统的光伏发电模块，由于其本身的自然属性和电力系统的特殊环境，存在配置失调问题。探求这些问题的解决方案是微电网系统逐步走向成熟的先决条件。

[1]杨恢宏, 余高旺, 樊占峰, 等. 微电网系统控制器的研发及实际应用[J]. 电力系统保护与控制, 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.