太阳能热发电用高分子反射膜研究进展

淮南中科储能科技有限公司 ■ 李琳 章文扬 黄善清 李洋 李绍勇

0 引言

太阳能热发电(Concentrating Solar Power，CSP)系统是利用抛物型或碟型聚光器收集太阳能并以此加热流体介质，再利用热流体的热能产生蒸汽，结合发电机发电的过程。此系统通过光－热－电的能量转化进行发电，利用可再生能源，系统生产和发电过程中无污染废弃物排出，是将来解决日益紧迫的全球能源及环境问题的可靠方法和途径。

目前国外已经商业化的CSP聚光器大多为玻璃反射镜，相对于传统的玻璃反射镜来说，高分子反射膜具有重量轻、造价低等优点[1]，易于运输和施工，并且可减少聚光器支架的材料使用，从而降低CSP系统的建造成本和维护成本，有助于实现CSP系统降低成本的目标。目前致力于研究太阳能热发电系统用的高分子反射膜并初有成果的企业主要有美国ReflecTech公司、美国3M公司和日本富士公司，前两者已有20年以上的反射膜研究经验，目前有较成熟的产品并已在太阳能反射系统中应用；日本富士公司的反射膜尚处于实验室研究阶段。

1 反射膜国外主要研究企业及产品

1.1 ReflecTech反射膜

一般用于CSP系统的反射镜采用在玻璃背板或高分子基膜上镀银的方式。这是因为银在金属中的反射率最高，但同时也具有以下缺点：1)银膜更易通过丙烯酸涂层的针孔扩散或在银膜边缘处受到腐蚀；2)银膜更易透过波长为320 nm的紫外光，使得银层下面的PET基层易受紫外光老化，且基层下面的胶黏剂易受紫外光氧化产生气泡[2]。在高分子反射膜的制作中，除了要对银层进行防腐蚀保护外，还要防止高分子基层及其他涂层受紫外光老化。

Refl ecTech反射膜的基本结构如图1所示[2]，在聚酯(PET)薄膜上通过气相沉积的方法镀银做反射层，在银层表面先加一层含腐蚀抑制剂的聚合物保护层，然后再加一层含紫外光吸收剂且具有良好光学性能的透明共聚物保护层。反射膜背面涂有压敏型胶黏剂，可直接贴在光滑基板(如铝板)上做聚光器的反射面。

图1 ReflecTech反射膜基本结构

ReflecTech反射膜是由美国可再生能源实验室和SkyFuel名下全资子公司ReflecTech合作研制的用于太阳能热发电集热器的高分子反射膜。这种反射膜质量轻，价格也比玻璃反射镜便宜，且耐候易维护，是替代易碎的传统玻璃镜的良好材料[3]。此项研究始于上世纪80年代，于2001年进行首次中试规模的加速试验，结果显示反射膜的耐久性未能达到预期；ReflecTech公司对反射膜的基本结构进行调整后于2005年进行第二次中试规模的加速试验，这次结构调整增强了紫外光吸收的作用，但由于生产过程中的真空问题造成初始半球反射率较低；之后ReflecTech公司又对生产工艺做进一步调整并于2006年进行了第三次加速试验，得到满意结果[4]。

2009年SkyFuel公司宣布建成世界上性能最高、成本最低的太阳能热发电系统，该系统槽式聚光器SkyTrough摒弃了传统的玻璃反射镜，首次采用质轻价廉的ReflecTech反射膜和铝板组成的反射面(如图1所示)，重量是传统玻璃反射镜的1/3[5-6]，成本可减少25%以上。ReflecTech公司的产品白皮书中提到，美国可再生能源实验室(NREL)比较了使用ReflecTech反射膜的槽式聚光器和使用传统玻璃反射镜的欧洲槽式聚光器的隐含能源(包括产品上游加工、制造、运输及使用期结束后的处理等)，结果显示，后者的隐含能源消耗比前者高出61%，而带铝板的ReflecTech反射膜的隐含能源消耗约为传统玻璃反射镜的1/4。

图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原有优点的同时增加了一层耐磨的透明图层。该产品已通过美国可再生能源实验室超加速老化系统的30年耐久性试验，半球面反射率为93%，产品厚度为0.1 mm。

1.2 3M反射膜

3M公司自1970年开始陆续有不同的镀铝/镀银反射膜产品用在太阳能集热器中。其中镀铝反射膜户外耐久性好，但反射率在90%以下，曾广泛用于太阳灶的使用中[7]；镀银反射镜反射率在90%以上，可满足太阳能热发电的使用要求，但耐腐蚀性及耐候性尚需加强。2011年初，公司推出1100反射膜，可用于CSP系统聚光器的使用。

1) ECP-305+反射膜

此款反射膜是由3M公司和NREL联合开发的镀银丙烯酸反射膜，其结构类似于传统的玻璃反射镜。不同的是用透明的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)代替传统的玻璃做背板，在3.5 mil厚的PMMA背板上镀银，并用铜保护层防止银层被腐蚀[8]。ECP-305+反射膜的初始反射率约为94.5%，户外耐久性达9年，后于1997年停产。

图3 ECP-305+反射膜基本结构

2) SS-95反射膜

SS-95反射膜的基本结构是在PET基层上镀银[9]，表面用PMMA作为保护层。此反射膜主要用于户内照明产品，用于户外使用时需加紫外光屏蔽层，初始反射率为95%；不加紫外光屏蔽层时户外耐候性达4年，于2000年停产。

图4 SS-95反射膜基本结构

3) 全聚合物反射膜

采用3M多层膜技术，将有不同折射率的高分子膜通过共挤方式加工而成。此种反射膜不含金属镀层，不存在腐蚀的问题，且反射率最高可达99%。1999年对此结构的反射膜进行测试，结果显示此反射膜存在耐紫外光老化的问题，在3个月的加速老化试验后试样变黄[10]。随后3M公司改进此种反射膜，增加了紫外光隔离层及耐磨层。

4) SMF 1100反射膜

3M公司总结前期反射膜研究加工过程中出现的腐蚀、磨损、光老化、分层、变黄、热降解等可能出现的不利因素及原因，以ECP-305+反射膜为原型，提高反射膜的抗紫外光老化性能、耐磨性、克服层间分离等性能，推出新一代产品SMF 1100镀银反射膜。此反射膜是专为CSP、聚光光伏太阳能(CPV)及太阳能光热安装设计的柔性反射膜，增强了表面防污性，总半球反射率为94%，厚度约为0.1 mm，NREL现场试验证明该膜具有14年以上保持93%反射率的能力。反射膜含压敏型胶黏剂，可直接与不同材质的铝板、钢板及玻璃钢材料的基板贴合。Clifford K H等人[11]对3M的SMF 1100反射膜在太阳能热发电塔式聚光器中的应用进行了评估，结果显示，SMF 1100反射膜的初始半球反射率及1年的户外反射率和腐蚀速度与镀银玻璃反射镜相似。

图5 3M的SMF 1100反射膜

2011年，3M公司与Gossamer Space Frames公司共同推出一项7.3 m孔径抛物面槽式太阳能集热器技术。该系统用3M的SMF 1100太阳能镜面反射膜制成的反射板比玻璃反射镜轻50%，可使抛物面槽式太阳能发电场的安装成本降低逾25%。

1.3 日本富士柔性高反射镜

日本富士胶片以其丰富的制膜技术和胶片生产为基础，于2012年开发出与玻璃反射镜具有同等反射率的薄膜反射镜。该反射膜由PET基层、功能性树脂底层、镀银反射层和表面的透明保护层组成，厚度为0.1 mm，目标是在太阳能热发电上应用。目前富士公司已试制出宽70 cm、长30 cm的反射膜，初步试验证实其在高温多湿环境下具有高耐久性，目标是在2015年前后实现此产品的实用化。

2 国内研究现状

国内太阳能热发电行业起步较晚，在聚光器反射材料方面的产品以传统的玻璃反射镜为主。高分子薄膜型的太阳能反射材料有镀铝和镀银两种[12]，其半球反射率分别可达到92%和97%。银膜的反射率最高，但其与高分子基底的粘附性较差，易被腐蚀而影响其光学性能，在产品设计和加工工艺上有一定难度。国内的高分子反射膜产品均为镀铝膜，由于其反射率和户外耐久性尚不能满足太阳能热发电中聚光器的要求，寿命在5年以内，多用在太阳灶中做反光材料[13]。徐勇军[14]以PET/PMMA为基材，采用银膜和铝膜作反射层、SiO2膜作保护层所制备的反射膜对太阳光的反射率高达96%～97%(银)和91%～92%(铝)，户外耐久性和耐候性尚需进一步实验。

3 结论

高分子反射膜在太阳能热发电系统中的应用已经崭露头角，由于其质轻价廉，可卷对卷式生产，在运输和安装过程中相对于传统的玻璃反射镜有很大优势。但由于大部分的高分子材料户外耐久性差，易发生老化，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，由于高分子反射膜产品应用时间较短，加速老化试验并不能准确预测产品的户外使用寿命，因此高分子反射膜的性能尚需一段时间的实践来证明。

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