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國內已建成太陽能光熱電站

2016年9月，國家能源局印發《關于建設太陽(yang)能熱發電(dian)示(shi)范項(xiang)目(mu)(mu)的通知》（國能新能〔2016〕223號），確定第一批(pi)太陽(yang)能熱發電(dian)示(shi)范項(xiang)目(mu)(mu)共(gong)20個(ge)，總計裝機(ji)(ji)容量1349MW，分別分布(bu)在青海省、甘(gan)肅省、河北(bei)省、內蒙古(gu)自(zi)治區、新疆自(zi)治區。截止到2022年底，并(bing)網(wang)發電(dian)太陽(yang)能熱發電(dian)項(xiang)目(mu)(mu)共(gong)9個(ge)，總裝機(ji)(ji)規模550MW；其(qi)中，塔式(shi)項(xiang)目(mu)(mu)6個(ge)，槽式(shi)項(xiang)目(mu)(mu)2個(ge)，線菲(fei)式(shi)1個(ge)。

從我國(guo)太(tai)陽能資源(yuan)分布情況，結合第(di)一批示范項目可以(yi)看出，我國(guo)太(tai)陽能光熱電站(zhan)處于(yu)高(gao)海拔或高(gao)緯度地區(qu)，年結霜期長。

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太陽能聚光鏡結霜現狀

受制于我國太陽(yang)能資源分布(bu)情況，太陽(yang)能光(guang)熱發(fa)(fa)電項目均處于高(gao)海拔或高(gao)緯度地區。電站(zhan)集熱場中反(fan)射(she)(she)(she)鏡(jing)(jing)鏡(jing)(jing)面(mian)在低溫環境易(yi)結霜。霜層(ceng)是(shi)一種隨機粗糙的表面(mian)，它(ta)會阻止光(guang)線(xian)的反(fan)射(she)(she)(she)和傳(chuan)播，就像雪花(hua)一樣，落到(dao)鏡(jing)(jing)面(mian)后并(bing)不會完整覆(fu)蓋鏡(jing)(jing)面(mian)，而是(shi)一片混亂，影響反(fan)射(she)(she)(she)鏡(jing)(jing)聚光(guang)效(xiao)果并(bing)使鏡(jing)(jing)面(mian)反(fan)射(she)(she)(she)率降(jiang)低，從而影響聚光(guang)集熱效(xiao)率和發(fa)(fa)電量。

有(you)光熱電站統計，結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)期一(yi)般在(zai)當(dang)年的(de)12月至次年的(de)3月，結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)的(de)水(shui)蒸氣主(zhu)要來源于空(kong)氣(也有(you)觀點(dian)認(ren)為(wei)結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)的(de)水(shui)蒸氣來源于地(di)表(biao)含水(shui)蒸發)；結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)后次日運行化(hua)霜(shuang)(shuang)時間不定(ding)，主(zhu)要根據結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)的(de)厚度(du)及陽光強度(du)情況(kuang)而定(ding)。

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反射鏡結霜的成因

在(zai)高(gao)海拔、高(gao)寒地區，當空氣(qi)中的(de)(de)水蒸氣(qi)接觸到溫度(du)(du)低于(yu)空氣(qi)露點溫度(du)(du)的(de)(de)反射鏡表(biao)面(mian)時，就會發生相變(bian)開始結霜(shuang)。在(zai)成霜(shuang)初(chu)期(qi)，獨(du)立分散的(de)(de)霜(shuang)晶類似于(yu)肋(lei)片，可以(yi)起到強化(hua)傳(chuan)熱的(de)(de)作用，但隨(sui)著時間的(de)(de)推移，整個冷表(biao)面(mian)逐漸被霜(shuang)晶覆蓋(gai)，形成連續的(de)(de)霜(shuang)層。

影響霜層(ceng)生長的主(zhu)要因素有：冷表(biao)面的溫(wen)度(du)，空(kong)氣(qi)(qi)的溫(wen)度(du)、濕度(du)，以(yi)及(ji)空(kong)氣(qi)(qi)的流速等。霜層(ceng)厚(hou)度(du)隨(sui)冷表(biao)面溫(wen)度(du)的降低而增(zeng)加(jia)，隨(sui)空(kong)氣(qi)(qi)濕度(du)的增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)。

霜的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)不僅與(yu)天氣條件有(you)關(guan)，也與(yu)所(suo)附著的(de)(de)(de)(de)物體(ti)(ti)屬性有(you)關(guan)。霜是在輻(fu)射冷(leng)卻(que)的(de)(de)(de)(de)物體(ti)(ti)表(biao)面形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)，所(suo)以(yi)物體(ti)(ti)表(biao)面越(yue)容易(yi)輻(fu)射散熱并迅速冷(leng)卻(que)，就越(yue)容易(yi)形(xing)成(cheng)霜。另外物體(ti)(ti)粗糙的(de)(de)(de)(de)表(biao)面要比光滑(hua)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面更有(you)利于輻(fu)射散熱，所(suo)以(yi)在表(biao)面粗糙的(de)(de)(de)(de)物體(ti)(ti)上更容易(yi)形(xing)成(cheng)霜。

當(dang)物體(ti)表(biao)面(mian)溫度(du)(du)很(hen)低，物體(ti)表(biao)面(mian)附近的空(kong)(kong)(kong)氣(qi)溫度(du)(du)偏高(gao)，就(jiu)會(hui)在空(kong)(kong)(kong)氣(qi)和物體(ti)表(biao)面(mian)之間形(xing)(xing)成溫度(du)(du)差(cha)，如果物體(ti)表(biao)面(mian)與(yu)空(kong)(kong)(kong)氣(qi)之間的溫度(du)(du)差(cha)主要由(you)物體(ti)表(biao)面(mian)輻射冷(leng)卻造成，則較暖的空(kong)(kong)(kong)氣(qi)和較冷(leng)的物體(ti)表(biao)面(mian)相接觸(chu)時，空(kong)(kong)(kong)氣(qi)就(jiu)會(hui)被(bei)冷(leng)卻，達到水(shui)(shui)汽(qi)過飽和狀(zhuang)態，多(duo)余的水(shui)(shui)汽(qi)就(jiu)會(hui)析出。如果溫度(du)(du)在0℃以下，則多(duo)余的水(shui)(shui)汽(qi)就(jiu)在物體(ti)表(biao)面(mian)上(shang)凝結為(wei)冰晶，形(xing)(xing)成霜。

云(yun)對地(di)(di)面物(wu)體在(zai)夜間(jian)的(de)(de)輻射冷(leng)卻有妨礙(ai)作用，天空(kong)有云(yun)不利于霜的(de)(de)形成(cheng)，因此，霜大都出現在(zai)晴(qing)朗的(de)(de)夜晚，也就是地(di)(di)面輻射冷(leng)卻強烈的(de)(de)時候。

風(feng)對于霜的(de)(de)形(xing)(xing)成也有(you)影響，微風(feng)的(de)(de)時(shi)候(hou)，空(kong)氣緩慢地流過(guo)冷(leng)物體表(biao)面，不(bu)斷供(gong)應水汽，有(you)利于霜的(de)(de)形(xing)(xing)成。但(dan)是風(feng)大(da)的(de)(de)時(shi)候(hou)，由于空(kong)氣的(de)(de)流動很快，接觸(chu)冷(leng)物體表(biao)面的(de)(de)時(shi)間相(xiang)對較短(duan)，同時(shi)風(feng)大(da)的(de)(de)時(shi)候(hou)，上下層的(de)(de)空(kong)氣容易相(xiang)互混合，減緩溫度降低(di)，從而也會妨礙霜的(de)(de)形(xing)(xing)成。一般風(feng)速(su)達(da)到3級及以上，霜就不(bu)容易形(xing)(xing)成。

因(yin)此霜一般形(xing)成(cheng)在寒冷(leng)季節里(li)晴朗、微風或者無風的夜晚。

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解決方法

4.1抑霜方法

疏水材料抑霜

通過(guo)水滴(di)在荷葉(xie)表面上可以自由滾動，同時(shi)具有(you)自清潔作(zuo)用(yong)現象，可利用(yong)鏡面疏水涂層進(jin)行抑(yi)霜。超(chao)疏水性是一(yi)種(zhong)特(te)殊的潤(run)濕(shi)性，一(yi)般(ban)指(zhi)水滴(di)在固(gu)體表面呈球狀(zhuang)，接觸角(jiao)大于150度(du)，滾動角(jiao)小于10度(du)。材(cai)(cai)料(liao)表面能(neng)(neng)（材(cai)(cai)料(liao)表面分(fen)子比內(nei)部分(fen)子多出的能(neng)(neng)量）越低，疏水性越好，且當低表面能(neng)(neng)材(cai)(cai)料(liao)具有(you)微(wei)觀(guan)粗糙結(jie)構時(shi)，水滴(di)與材(cai)(cai)料(liao)之間會形成一(yi)層空(kong)氣膜(mo)，阻礙水對材(cai)(cai)料(liao)表面的潤(run)濕(shi)，從而(er)形成超(chao)疏水狀(zhuang)態(tai)【1】。

疏水(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)上(shang)的水(shui)(shui)珠(zhu)分布稀疏，凍結(jie)(jie)較晚，初(chu)始(shi)結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)相較于(yu)未使用疏水(shui)(shui)材料(liao)反射鏡(jing)(jing)更晚。疏水(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)上(shang)的水(shui)(shui)珠(zhu)較小且(qie)更接近圓(yuan)球(qiu)形，形成的霜(shuang)(shuang)(shuang)層稀疏易(yi)去(qu)除(chu)。通過在(zai)鏡(jing)(jing)面(mian)(mian)涂覆疏水(shui)(shui)材料(liao)可以(yi)避免結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)或者(zhe)在(zai)一(yi)定程度(du)上(shang)延緩初(chu)始(shi)霜(shuang)(shuang)(shuang)晶的出現（取決于(yu)環境(jing)影響），但(dan)這一(yi)影響僅僅局限于(yu)結(jie)(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)初(chu)期(qi)，一(yi)旦鏡(jing)(jing)面(mian)(mian)被霜(shuang)(shuang)(shuang)層覆蓋，表(biao)面(mian)(mian)疏水(shui)(shui)材料(liao)作(zuo)用不再明顯【2】。

因此在(zai)反射鏡(jing)表面涂(tu)覆疏水材料(liao)可以(yi)作為一種有限(xian)的抑(yi)霜技術(shu)。

親水材料抑霜

親(qin)(qin)水(shui)(shui)涂層可(ke)(ke)吸附(fu)(fu)(fu)一定量(liang)的(de)(de)水(shui)(shui)，并且貯存部分潛冷，可(ke)(ke)使吸附(fu)(fu)(fu)的(de)(de)水(shui)(shui)在(zai)(zai)低溫狀態(tai)(tai)不(bu)結(jie)冰。通過(guo)在(zai)(zai)反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)(jing)背(bei)面(mian)涂覆(fu)親(qin)(qin)水(shui)(shui)材(cai)(cai)料，使夜間空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)(de)水(shui)(shui)汽被親(qin)(qin)水(shui)(shui)材(cai)(cai)料大量(liang)吸附(fu)(fu)(fu)，可(ke)(ke)以減少反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)(jing)附(fu)(fu)(fu)近的(de)(de)水(shui)(shui)蒸氣(qi)，有(you)效抑制反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)(jing)鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)結(jie)霜或少量(liang)結(jie)霜。但親(qin)(qin)水(shui)(shui)材(cai)(cai)料吸附(fu)(fu)(fu)性有(you)限(xian)，在(zai)(zai)達到飽和狀態(tai)(tai)后便不(bu)在(zai)(zai)吸收(shou)水(shui)(shui)汽，過(guo)多的(de)(de)水(shui)(shui)汽則會在(zai)(zai)反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)(jing)背(bei)面(mian)和鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)結(jie)霜。因此在(zai)(zai)反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)(jing)背(bei)漆面(mian)涂覆(fu)親(qin)(qin)水(shui)(shui)材(cai)(cai)料可(ke)(ke)以作為一種有(you)限(xian)的(de)(de)抑霜技術(shu)。

金屬材料抑霜

通過(guo)(guo)在(zai)集熱器底部距離地(di)面(mian)一(yi)定高度(du)的地(di)方，鋪(pu)設一(yi)層網狀金(jin)(jin)屬(shu)材料(liao)。由于金(jin)(jin)屬(shu)的材料(liao)特性(xing)(xing)（易輻射散熱并(bing)迅速冷卻），且金(jin)(jin)屬(shu)表面(mian)的不平整(zheng)性(xing)(xing)，可以(yi)使地(di)表水蒸(zheng)氣在(zai)蒸(zheng)騰過(guo)(guo)程中與金(jin)(jin)屬(shu)網接觸時就結霜，從而減(jian)少(shao)(shao)到達反(fan)射鏡的水蒸(zheng)氣，以(yi)減(jian)少(shao)(shao)反(fan)射鏡鏡面(mian)結霜。

4.2除霜方法

深色背漆化霜

目前太(tai)陽能反射(she)鏡背漆均為白色，該方(fang)法是采用(yong)對太(tai)陽輻(fu)射(she)吸(xi)收率高的深色面(mian)漆作為反射(she)鏡背面(mian)的防護(hu)漆，或在(zai)最外(wai)層(ceng)防護(hu)漆上面(mian)再覆蓋一(yi)層(ceng)對太(tai)陽輻(fu)射(she)吸(xi)收率高的深色面(mian)漆或涂層(ceng)。

成都禪(chan)德(de)對(dui)該方法(fa)(fa)進(jin)(jin)行(xing)了測試(shi)，在反射(she)(she)(she)鏡(jing)(jing)最外層噴涂(tu)一層黑(hei)(hei)色(se)油漆，模擬鏡(jing)(jing)場除(chu)(chu)(chu)(chu)霜運行(xing)，早上(shang)鏡(jing)(jing)場運行(xing)除(chu)(chu)(chu)(chu)霜時，先(xian)將反射(she)(she)(she)鏡(jing)(jing)背面(mian)正對(dui)太(tai)(tai)陽(yang)，利(li)用對(dui)太(tai)(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)(lv)高(gao)的(de)(de)(de)黑(hei)(hei)色(se)面(mian)漆吸(xi)(xi)收(shou)太(tai)(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)熱量(liang)，通過熱傳(chuan)導將熱量(liang)傳(chuan)導給反射(she)(she)(she)鏡(jing)(jing)鏡(jing)(jing)面(mian)的(de)(de)(de)霜，從而加速反射(she)(she)(she)鏡(jing)(jing)鏡(jing)(jing)面(mian)霜的(de)(de)(de)融化。與現有(you)的(de)(de)(de)除(chu)(chu)(chu)(chu)霜方法(fa)(fa)相比(bi)，此方法(fa)(fa)利(li)用黑(hei)(hei)色(se)面(mian)漆進(jin)(jin)行(xing)吸(xi)(xi)熱，大大提高(gao)了鏡(jing)(jing)子對(dui)太(tai)(tai)陽(yang)能輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)(lv)，比(bi)直(zhi)接采用太(tai)(tai)陽(yang)光照射(she)(she)(she)除(chu)(chu)(chu)(chu)霜（霜對(dui)太(tai)(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)反射(she)(she)(she)率(lv)(lv)高(gao)、吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)(lv)低）的(de)(de)(de)速度(du)更快，測試(shi)結果(guo)表明(ming)，相比(bi)傳(chuan)統除(chu)(chu)(chu)(chu)霜方式可減少約(yue)50%的(de)(de)(de)除(chu)(chu)(chu)(chu)霜時間，從而提高(gao)太(tai)(tai)陽(yang)能熱發(fa)電站(zhan)的(de)(de)(de)發(fa)電量(liang)和(he)經濟性。

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結霜對發電量的影響，快速化霜帶來的收益

上述抑(yi)(yi)霜(shuang)(shuang)方(fang)法對結霜(shuang)(shuang)的(de)抑(yi)(yi)制作(zuo)用與項目地(di)位置、氣候條件(jian)、空(kong)氣濕度(du)、溫(wen)度(du)等(deng)眾(zhong)多因素有(you)關，若(ruo)項目地(di)空(kong)氣含水量高，抑(yi)(yi)制作(zuo)用能(neng)起(qi)到的(de)效果將大(da)打折(zhe)扣。現僅對相同(tong)結霜(shuang)(shuang)條件(jian)下化(hua)(hua)(hua)霜(shuang)(shuang)時(shi)(shi)間(jian)的(de)不同(tong)進行分析。成(cheng)都禪(chan)德(de)以光熱電(dian)站結霜(shuang)(shuang)時(shi)(shi)間(jian)從當(dang)年12月到次年3月，每(mei)天中午12點前完全(quan)化(hua)(hua)(hua)霜(shuang)(shuang)為假設條件(jian)用SAM軟件(jian)進行了模擬(ni)計算。由于結霜(shuang)(shuang)后(hou)化(hua)(hua)(hua)霜(shuang)(shuang)造成(cheng)的(de)發(fa)電(dian)時(shi)(shi)間(jian)減(jian)少(shao)，可(ke)能(neng)使(shi)光熱電(dian)站損(sun)失約(yue)全(quan)年6%的(de)發(fa)電(dian)量。若(ruo)使(shi)用深(shen)色(se)背漆(qi)化(hua)(hua)(hua)霜(shuang)(shuang)的(de)方(fang)式，減(jian)少(shao)一半的(de)化(hua)(hua)(hua)霜(shuang)(shuang)時(shi)(shi)間(jian)，將可(ke)增加約(yue)3%的(de)全(quan)年發(fa)電(dian)量。

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展望

太陽能(neng)聚光(guang)鏡在嚴寒地區容易結(jie)霜可以(yi)通過這些方法相互(hu)結(jie)合使用，將(jiang)聚光(guang)鏡受結(jie)霜的(de)影響降至(zhi)最低，從而增加電(dian)站運行的(de)整(zheng)體收(shou)益。

1.可以采用反(fan)射鏡(jing)表(biao)面疏水(shui)涂層(ceng)和反(fan)射鏡(jing)背面親水(shui)涂層(ceng)抑制(zhi)反(fan)射鏡(jing)結霜。

2.可(ke)以(yi)采用在地(di)面(mian)鋪設金屬網，提前凝結空氣中(zhong)的水分，或使用薄(bo)膜覆(fu)蓋地(di)面(mian)，減少(shao)地(di)面(mian)水汽蒸發，從而(er)減少(shao)鏡(jing)面(mian)結霜。

3.采用(yong)特(te)殊的通(tong)風結構技(ji)術，來(lai)降低空(kong)氣(qi)與(yu)聚光(guang)鏡表(biao)面(mian)接觸的時間(jian)，從而減少結霜的可能性。

參考文獻：

【1】超疏水(shui)材(cai)料的(de)技術與原(yuan)理及制備方法，鑠思百檢測

【2】結霜(shuang)現象(xiang)及抑(yi)霜(shuang)技術的研究(jiu)進展，制(zhi)冷學報2010年(nian)04期

注：本文由CSPPLAZA平臺會員單位——成都禪德新型儲能科技有限公司供稿。