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國內(nèi)已建成太陽能光熱電站

2016年9月，國家能源局印發(fā)《關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》（國能新能〔2016〕223號），確定第一批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目共20個(gè)，總計(jì)裝機(jī)容量1349MW，分別分布在青海省、甘肅省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆自治區(qū)。截止到2022年底，并網(wǎng)發(fā)電太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目共9個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模550MW；其中，塔式項(xiàng)目6個(gè)，槽式項(xiàng)目2個(gè)，線菲式1個(gè)。

從我國太陽能資源分布情況，結(jié)合第一批示范項(xiàng)目可以看出，我國太陽能光熱電站處于高海拔或高緯度地區(qū)，年結(jié)霜期長。

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太陽能聚光鏡結(jié)霜現(xiàn)狀

受制于我國太陽能資源分布情況，太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目均處于高海拔或高緯度地區(qū)。電站集熱場中反射鏡鏡面在低溫環(huán)境易結(jié)霜。霜層是一種隨機(jī)粗糙的表面，它會阻止光線的反射和傳播，就像雪花一樣，落到鏡面后并不會完整覆蓋鏡面，而是一片混亂，影響反射鏡聚光效果并使鏡面反射率降低，從而影響聚光集熱效率和發(fā)電量。

有光熱電站統(tǒng)計(jì)，結(jié)霜期一般在當(dāng)年的12月至次年的3月，結(jié)霜的水蒸氣主要來源于空氣(也有觀點(diǎn)認(rèn)為結(jié)霜的水蒸氣來源于地表含水蒸發(fā))；結(jié)霜后次日運(yùn)行化霜時(shí)間不定，主要根據(jù)結(jié)霜的厚度及陽光強(qiáng)度情況而定。

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反射鏡結(jié)霜的成因

在高海拔、高寒地區(qū)，當(dāng)空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于空氣露點(diǎn)溫度的反射鏡表面時(shí)，就會發(fā)生相變開始結(jié)霜。在成霜初期，獨(dú)立分散的霜晶類似于肋片，可以起到強(qiáng)化傳熱的作用，但隨著時(shí)間的推移，整個(gè)冷表面逐漸被霜晶覆蓋，形成連續(xù)的霜層。

影響霜層生長的主要因素有：冷表面的溫度，空氣的溫度、濕度，以及空氣的流速等。霜層厚度隨冷表面溫度的降低而增加，隨空氣濕度的增加而增加。

霜的形成不僅與天氣條件有關(guān)，也與所附著的物體屬性有關(guān)。霜是在輻射冷卻的物體表面形成的，所以物體表面越容易輻射散熱并迅速冷卻，就越容易形成霜。另外物體粗糙的表面要比光滑的表面更有利于輻射散熱，所以在表面粗糙的物體上更容易形成霜。

當(dāng)物體表面溫度很低，物體表面附近的空氣溫度偏高，就會在空氣和物體表面之間形成溫度差，如果物體表面與空氣之間的溫度差主要由物體表面輻射冷卻造成，則較暖的空氣和較冷的物體表面相接觸時(shí)，空氣就會被冷卻，達(dá)到水汽過飽和狀態(tài)，多余的水汽就會析出。如果溫度在0℃以下，則多余的水汽就在物體表面上凝結(jié)為冰晶，形成霜。

云對地面物體在夜間的輻射冷卻有妨礙作用，天空有云不利于霜的形成，因此，霜大都出現(xiàn)在晴朗的夜晚，也就是地面輻射冷卻強(qiáng)烈的時(shí)候。

風(fēng)對于霜的形成也有影響，微風(fēng)的時(shí)候，空氣緩慢地流過冷物體表面，不斷供應(yīng)水汽，有利于霜的形成。但是風(fēng)大的時(shí)候，由于空氣的流動(dòng)很快，接觸冷物體表面的時(shí)間相對較短，同時(shí)風(fēng)大的時(shí)候，上下層的空氣容易相互混合，減緩溫度降低，從而也會妨礙霜的形成。一般風(fēng)速達(dá)到3級及以上，霜就不容易形成。

因此霜一般形成在寒冷季節(jié)里晴朗、微風(fēng)或者無風(fēng)的夜晚。

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解決方法

4.1抑霜方法

疏水材料抑霜

通過水滴在荷葉表面上可以自由滾動(dòng)，同時(shí)具有自清潔作用現(xiàn)象，可利用鏡面疏水涂層進(jìn)行抑霜。超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動(dòng)角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內(nèi)部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當(dāng)?shù)捅砻婺懿牧暇哂形⒂^粗糙結(jié)構(gòu)時(shí)，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態(tài)【1】。

疏水表面上的水珠分布稀疏，凍結(jié)較晚，初始結(jié)霜相較于未使用疏水材料反射鏡更晚。疏水表面上的水珠較小且更接近圓球形，形成的霜層稀疏易去除。通過在鏡面涂覆疏水材料可以避免結(jié)霜或者在一定程度上延緩初始霜晶的出現(xiàn)（取決于環(huán)境影響），但這一影響僅僅局限于結(jié)霜初期，一旦鏡面被霜層覆蓋，表面疏水材料作用不再明顯【2】。

因此在反射鏡表面涂覆疏水材料可以作為一種有限的抑霜技術(shù)。

親水材料抑霜

親水涂層可吸附一定量的水，并且貯存部分潛冷，可使吸附的水在低溫狀態(tài)不結(jié)冰。通過在反射鏡背面涂覆親水材料，使夜間空氣中的水汽被親水材料大量吸附，可以減少反射鏡附近的水蒸氣，有效抑制反射鏡鏡面結(jié)霜或少量結(jié)霜。但親水材料吸附性有限，在達(dá)到飽和狀態(tài)后便不在吸收水汽，過多的水汽則會在反射鏡背面和鏡面結(jié)霜。因此在反射鏡背漆面涂覆親水材料可以作為一種有限的抑霜技術(shù)。

金屬材料抑霜

通過在集熱器底部距離地面一定高度的地方，鋪設(shè)一層網(wǎng)狀金屬材料。由于金屬的材料特性（易輻射散熱并迅速冷卻），且金屬表面的不平整性，可以使地表水蒸氣在蒸騰過程中與金屬網(wǎng)接觸時(shí)就結(jié)霜，從而減少到達(dá)反射鏡的水蒸氣，以減少反射鏡鏡面結(jié)霜。

4.2除霜方法

深色背漆化霜

目前太陽能反射鏡背漆均為白色，該方法是采用對太陽輻射吸收率高的深色面漆作為反射鏡背面的防護(hù)漆，或在最外層防護(hù)漆上面再覆蓋一層對太陽輻射吸收率高的深色面漆或涂層。

成都禪德對該方法進(jìn)行了測試，在反射鏡最外層噴涂一層黑色油漆，模擬鏡場除霜運(yùn)行，早上鏡場運(yùn)行除霜時(shí)，先將反射鏡背面正對太陽，利用對太陽輻射吸收率高的黑色面漆吸收太陽輻射熱量，通過熱傳導(dǎo)將熱量傳導(dǎo)給反射鏡鏡面的霜，從而加速反射鏡鏡面霜的融化。與現(xiàn)有的除霜方法相比，此方法利用黑色面漆進(jìn)行吸熱，大大提高了鏡子對太陽能輻射的吸收率，比直接采用太陽光照射除霜（霜對太陽輻射反射率高、吸收率低）的速度更快，測試結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)除霜方式可減少約50%的除霜時(shí)間，從而提高太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)性。

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結(jié)霜對發(fā)電量的影響，快速化霜帶來的收益

上述抑霜方法對結(jié)霜的抑制作用與項(xiàng)目地位置、氣候條件、空氣濕度、溫度等眾多因素有關(guān)，若項(xiàng)目地空氣含水量高，抑制作用能起到的效果將大打折扣。現(xiàn)僅對相同結(jié)霜條件下化霜時(shí)間的不同進(jìn)行分析。成都禪德以光熱電站結(jié)霜時(shí)間從當(dāng)年12月到次年3月，每天中午12點(diǎn)前完全化霜為假設(shè)條件用SAM軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算。由于結(jié)霜后化霜造成的發(fā)電時(shí)間減少，可能使光熱電站損失約全年6%的發(fā)電量。若使用深色背漆化霜的方式，減少一半的化霜時(shí)間，將可增加約3%的全年發(fā)電量。

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展望

太陽能聚光鏡在嚴(yán)寒地區(qū)容易結(jié)霜可以通過這些方法相互結(jié)合使用，將聚光鏡受結(jié)霜的影響降至最低，從而增加電站運(yùn)行的整體收益。

1.可以采用反射鏡表面疏水涂層和反射鏡背面親水涂層抑制反射鏡結(jié)霜。

2.可以采用在地面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，提前凝結(jié)空氣中的水分，或使用薄膜覆蓋地面，減少地面水汽蒸發(fā)，從而減少鏡面結(jié)霜。

3.采用特殊的通風(fēng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，來降低空氣與聚光鏡表面接觸的時(shí)間，從而減少結(jié)霜的可能性。

參考文獻(xiàn)：

【1】超疏水材料的技術(shù)與原理及制備方法，鑠思百檢測

【2】結(jié)霜現(xiàn)象及抑霜技術(shù)的研究進(jìn)展，制冷學(xué)報(bào)2010年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。