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(jìn)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(dá)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(hù)。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(hù)金屬銀的作用，同時作為過渡層用于降低銀和保護(hù)漆間的內(nèi)應(yīng)力，改善保護(hù)漆與金屬之間的粘結(jié)。在銅層外涂兩層保護(hù)漆，使外層的保護(hù)漆在金屬表面形成一個保護(hù)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(hù)層使其保護(hù)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(jìn)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(dá)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(rèn)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(dá)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(yán)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(jìn)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(jìn)。

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(dá)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(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yán)格的室外暴露實驗只有2.5年，第二批試用條件進(jìn)行了較大改變并且室外暴露剛剛實施，需要進(jìn)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(yán)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(jìn)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(hù)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(hù)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(dá)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(dá)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(dá)95%。氧化層對鋁板本身起到保護(hù)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(fù)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(hù)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(hù)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(fù)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(hù)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.