太陽(yáng)能熱發(fā)電用高分子反射膜研究進(jìn)展

淮南中科儲(chǔ)能科技有限公司 ■ 李琳 章文揚(yáng) 黃善清 李洋 李紹勇

0 引言

太陽(yáng)能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power，CSP)系統(tǒng)是利用拋物型或碟型聚光器收集太陽(yáng)能并以此加熱流體介質(zhì)，再利用熱流體的熱能產(chǎn)生蒸汽，結(jié)合發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程。此系統(tǒng)通過(guò)光－熱－電的能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行發(fā)電，利用可再生能源，系統(tǒng)生產(chǎn)和發(fā)電過(guò)程中無(wú)污染廢棄物排出，是將來(lái)解決日益緊迫的全球能源及環(huán)境問(wèn)題的可靠方法和途徑。

目前國(guó)外已經(jīng)商業(yè)化的CSP聚光器大多為玻璃反射鏡，相對(duì)于傳統(tǒng)的玻璃反射鏡來(lái)說(shuō)，高分子反射膜具有重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1]，易于運(yùn)輸和施工，并且可減少聚光器支架的材料使用，從而降低CSP系統(tǒng)的建造成本和維護(hù)成本，有助于實(shí)現(xiàn)CSP系統(tǒng)降低成本的目標(biāo)。目前致力于研究太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)用的高分子反射膜并初有成果的企業(yè)主要有美國(guó)ReflecTech公司、美國(guó)3M公司和日本富士公司，前兩者已有20年以上的反射膜研究經(jīng)驗(yàn)，目前有較成熟的產(chǎn)品并已在太陽(yáng)能反射系統(tǒng)中應(yīng)用；日本富士公司的反射膜尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

1 反射膜國(guó)外主要研究企業(yè)及產(chǎn)品

1.1 ReflecTech反射膜

一般用于CSP系統(tǒng)的反射鏡采用在玻璃背板或高分子基膜上鍍銀的方式。這是因?yàn)殂y在金屬中的反射率最高，但同時(shí)也具有以下缺點(diǎn)：1)銀膜更易通過(guò)丙烯酸涂層的針孔擴(kuò)散或在銀膜邊緣處受到腐蝕；2)銀膜更易透過(guò)波長(zhǎng)為320 nm的紫外光，使得銀層下面的PET基層易受紫外光老化，且基層下面的膠黏劑易受紫外光氧化產(chǎn)生氣泡[2]。在高分子反射膜的制作中，除了要對(duì)銀層進(jìn)行防腐蝕保護(hù)外，還要防止高分子基層及其他涂層受紫外光老化。

Refl ecTech反射膜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，在聚酯(PET)薄膜上通過(guò)氣相沉積的方法鍍銀做反射層，在銀層表面先加一層含腐蝕抑制劑的聚合物保護(hù)層，然后再加一層含紫外光吸收劑且具有良好光學(xué)性能的透明共聚物保護(hù)層。反射膜背面涂有壓敏型膠黏劑，可直接貼在光滑基板(如鋁板)上做聚光器的反射面。

圖1 ReflecTech反射膜基本結(jié)構(gòu)

ReflecTech反射膜是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室和SkyFuel名下全資子公司ReflecTech合作研制的用于太陽(yáng)能熱發(fā)電集熱器的高分子反射膜。這種反射膜質(zhì)量輕，價(jià)格也比玻璃反射鏡便宜，且耐候易維護(hù)，是替代易碎的傳統(tǒng)玻璃鏡的良好材料[3]。此項(xiàng)研究始于上世紀(jì)80年代，于2001年進(jìn)行首次中試規(guī)模的加速試驗(yàn)，結(jié)果顯示反射膜的耐久性未能達(dá)到預(yù)期；ReflecTech公司對(duì)反射膜的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后于2005年進(jìn)行第二次中試規(guī)模的加速試驗(yàn)，這次結(jié)構(gòu)調(diào)整增強(qiáng)了紫外光吸收的作用，但由于生產(chǎn)過(guò)程中的真空問(wèn)題造成初始半球反射率較低；之后ReflecTech公司又對(duì)生產(chǎn)工藝做進(jìn)一步調(diào)整并于2006年進(jìn)行了第三次加速試驗(yàn)，得到滿意結(jié)果[4]。

2009年SkyFuel公司宣布建成世界上性能最高、成本最低的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)槽式聚光器SkyTrough摒棄了傳統(tǒng)的玻璃反射鏡，首次采用質(zhì)輕價(jià)廉的ReflecTech反射膜和鋁板組成的反射面(如圖1所示)，重量是傳統(tǒng)玻璃反射鏡的1/3[5-6]，成本可減少25%以上。ReflecTech公司的產(chǎn)品白皮書中提到，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)比較了使用ReflecTech反射膜的槽式聚光器和使用傳統(tǒng)玻璃反射鏡的歐洲槽式聚光器的隱含能源(包括產(chǎn)品上游加工、制造、運(yùn)輸及使用期結(jié)束后的處理等)，結(jié)果顯示，后者的隱含能源消耗比前者高出61%，而帶鋁板的ReflecTech反射膜的隱含能源消耗約為傳統(tǒng)玻璃反射鏡的1/4。

圖2 采用ReflecTech反射膜的SkyTrough槽式聚光器

2011年，Refl ecTech公司推出第二代Refl ecTech plus反射膜，在保持Refl ecTech原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)增加了一層耐磨的透明圖層。該產(chǎn)品已通過(guò)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室超加速老化系統(tǒng)的30年耐久性試驗(yàn)，半球面反射率為93%，產(chǎn)品厚度為0.1 mm。

1.2 3M反射膜

3M公司自1970年開始陸續(xù)有不同的鍍鋁/鍍銀反射膜產(chǎn)品用在太陽(yáng)能集熱器中。其中鍍鋁反射膜戶外耐久性好，但反射率在90%以下，曾廣泛用于太陽(yáng)灶的使用中[7]；鍍銀反射鏡反射率在90%以上，可滿足太陽(yáng)能熱發(fā)電的使用要求，但耐腐蝕性及耐候性尚需加強(qiáng)。2011年初，公司推出1100反射膜，可用于CSP系統(tǒng)聚光器的使用。

1) ECP-305+反射膜

此款反射膜是由3M公司和NREL聯(lián)合開發(fā)的鍍銀丙烯酸反射膜，其結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的玻璃反射鏡。不同的是用透明的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的玻璃做背板，在3.5 mil厚的PMMA背板上鍍銀，并用銅保護(hù)層防止銀層被腐蝕[8]。ECP-305+反射膜的初始反射率約為94.5%，戶外耐久性達(dá)9年，后于1997年停產(chǎn)。

圖3 ECP-305+反射膜基本結(jié)構(gòu)

2) SS-95反射膜

SS-95反射膜的基本結(jié)構(gòu)是在PET基層上鍍銀[9]，表面用PMMA作為保護(hù)層。此反射膜主要用于戶內(nèi)照明產(chǎn)品，用于戶外使用時(shí)需加紫外光屏蔽層，初始反射率為95%；不加紫外光屏蔽層時(shí)戶外耐候性達(dá)4年，于2000年停產(chǎn)。

圖4 SS-95反射膜基本結(jié)構(gòu)

3) 全聚合物反射膜

采用3M多層膜技術(shù)，將有不同折射率的高分子膜通過(guò)共擠方式加工而成。此種反射膜不含金屬鍍層，不存在腐蝕的問(wèn)題，且反射率最高可達(dá)99%。1999年對(duì)此結(jié)構(gòu)的反射膜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示此反射膜存在耐紫外光老化的問(wèn)題，在3個(gè)月的加速老化試驗(yàn)后試樣變黃[10]。隨后3M公司改進(jìn)此種反射膜，增加了紫外光隔離層及耐磨層。

4) SMF 1100反射膜

3M公司總結(jié)前期反射膜研究加工過(guò)程中出現(xiàn)的腐蝕、磨損、光老化、分層、變黃、熱降解等可能出現(xiàn)的不利因素及原因，以ECP-305+反射膜為原型，提高反射膜的抗紫外光老化性能、耐磨性、克服層間分離等性能，推出新一代產(chǎn)品SMF 1100鍍銀反射膜。此反射膜是專為CSP、聚光光伏太陽(yáng)能(CPV)及太陽(yáng)能光熱安裝設(shè)計(jì)的柔性反射膜，增強(qiáng)了表面防污性，總半球反射率為94%，厚度約為0.1 mm，NREL現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該膜具有14年以上保持93%反射率的能力。反射膜含壓敏型膠黏劑，可直接與不同材質(zhì)的鋁板、鋼板及玻璃鋼材料的基板貼合。Clifford K H等人[11]對(duì)3M的SMF 1100反射膜在太陽(yáng)能熱發(fā)電塔式聚光器中的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示，SMF 1100反射膜的初始半球反射率及1年的戶外反射率和腐蝕速度與鍍銀玻璃反射鏡相似。

圖5 3M的SMF 1100反射膜

2011年，3M公司與Gossamer Space Frames公司共同推出一項(xiàng)7.3 m孔徑拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器技術(shù)。該系統(tǒng)用3M的SMF 1100太陽(yáng)能鏡面反射膜制成的反射板比玻璃反射鏡輕50%，可使拋物面槽式太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的安裝成本降低逾25%。

1.3 日本富士柔性高反射鏡

日本富士膠片以其豐富的制膜技術(shù)和膠片生產(chǎn)為基礎(chǔ)，于2012年開發(fā)出與玻璃反射鏡具有同等反射率的薄膜反射鏡。該反射膜由PET基層、功能性樹脂底層、鍍銀反射層和表面的透明保護(hù)層組成，厚度為0.1 mm，目標(biāo)是在太陽(yáng)能熱發(fā)電上應(yīng)用。目前富士公司已試制出寬70 cm、長(zhǎng)30 cm的反射膜，初步試驗(yàn)證實(shí)其在高溫多濕環(huán)境下具有高耐久性，目標(biāo)是在2015年前后實(shí)現(xiàn)此產(chǎn)品的實(shí)用化。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)起步較晚，在聚光器反射材料方面的產(chǎn)品以傳統(tǒng)的玻璃反射鏡為主。高分子薄膜型的太陽(yáng)能反射材料有鍍鋁和鍍銀兩種[12]，其半球反射率分別可達(dá)到92%和97%。銀膜的反射率最高，但其與高分子基底的粘附性較差，易被腐蝕而影響其光學(xué)性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工工藝上有一定難度。國(guó)內(nèi)的高分子反射膜產(chǎn)品均為鍍鋁膜，由于其反射率和戶外耐久性尚不能滿足太陽(yáng)能熱發(fā)電中聚光器的要求，壽命在5年以內(nèi)，多用在太陽(yáng)灶中做反光材料[13]。徐勇軍[14]以PET/PMMA為基材，采用銀膜和鋁膜作反射層、SiO2膜作保護(hù)層所制備的反射膜對(duì)太陽(yáng)光的反射率高達(dá)96%～97%(銀)和91%～92%(鋁)，戶外耐久性和耐候性尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

高分子反射膜在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)嶄露頭角，由于其質(zhì)輕價(jià)廉，可卷對(duì)卷式生產(chǎn)，在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中相對(duì)于傳統(tǒng)的玻璃反射鏡有很大優(yōu)勢(shì)。但由于大部分的高分子材料戶外耐久性差，易發(fā)生老化，高分子反射膜需在抗紫外光老化和表面耐磨性等方面下功夫。另外，由于高分子反射膜產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)間較短，加速老化試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品的戶外使用壽命，因此高分子反射膜的性能尚需一段時(shí)間的實(shí)踐來(lái)證明。

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