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國內已建成太陽能光熱電站

2016年9月，國家能源(yuan)局印發(fa)(fa)《關于建設太陽(yang)(yang)能熱(re)發(fa)(fa)電(dian)示(shi)范(fan)項目的通知》（國能新能〔2016〕223號），確定第一批太陽(yang)(yang)能熱(re)發(fa)(fa)電(dian)示(shi)范(fan)項目共20個(ge)(ge)，總計裝機(ji)容量(liang)1349MW，分(fen)別分(fen)布在青海省、甘肅省、河(he)北省、內蒙古自治區、新疆自治區。截止到2022年底，并(bing)網發(fa)(fa)電(dian)太陽(yang)(yang)能熱(re)發(fa)(fa)電(dian)項目共9個(ge)(ge)，總裝機(ji)規模550MW；其(qi)中，塔式項目6個(ge)(ge)，槽(cao)式項目2個(ge)(ge)，線(xian)菲式1個(ge)(ge)。

從我(wo)國(guo)太陽(yang)能(neng)資源分布(bu)情況，結合第(di)一批示(shi)范項目可以看出(chu)，我(wo)國(guo)太陽(yang)能(neng)光(guang)熱電站處于高(gao)(gao)海拔或高(gao)(gao)緯度地區，年結霜期長。

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太陽能聚光鏡結霜現狀

受制(zhi)于我國(guo)太陽能(neng)資(zi)源分布情況，太陽能(neng)光熱發電項目均(jun)處于高(gao)(gao)海拔或高(gao)(gao)緯度(du)地區(qu)。電站(zhan)集熱場中反射鏡(jing)鏡(jing)面(mian)在低溫(wen)環(huan)境易結霜。霜層是一(yi)種隨機粗糙的(de)(de)表(biao)面(mian)，它(ta)會阻(zu)止光線的(de)(de)反射和傳播，就像雪花一(yi)樣，落(luo)到鏡(jing)面(mian)后并不會完整覆蓋鏡(jing)面(mian)，而是一(yi)片混亂，影響反射鏡(jing)聚(ju)光效果并使(shi)鏡(jing)面(mian)反射率降(jiang)低，從(cong)而影響聚(ju)光集熱效率和發電量(liang)。

有(you)光(guang)(guang)熱電站統計(ji)，結霜期一般在當年的(de)(de)12月至次(ci)年的(de)(de)3月，結霜的(de)(de)水(shui)蒸氣主要來源于(yu)空氣(也有(you)觀點認為(wei)結霜的(de)(de)水(shui)蒸氣來源于(yu)地(di)表含水(shui)蒸發)；結霜后(hou)次(ci)日運行化霜時間不定(ding)(ding)，主要根據結霜的(de)(de)厚度(du)及(ji)陽(yang)光(guang)(guang)強度(du)情況而定(ding)(ding)。

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反射鏡結霜的成因

在(zai)高海拔、高寒地區(qu)，當(dang)空氣中的水蒸(zheng)氣接觸到(dao)(dao)溫(wen)度低于空氣露點溫(wen)度的反射(she)鏡表(biao)(biao)面(mian)時，就會發生相變(bian)開始(shi)結霜(shuang)。在(zai)成霜(shuang)初期，獨立分散的霜(shuang)晶類(lei)似(si)于肋(lei)片，可以(yi)起到(dao)(dao)強化傳熱的作用，但隨著時間的推移，整個(ge)冷(leng)表(biao)(biao)面(mian)逐漸被霜(shuang)晶覆蓋，形成連(lian)續的霜(shuang)層。

影響霜層(ceng)生長(chang)的(de)主要因素有：冷表(biao)面的(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)，空氣(qi)的(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)、濕度(du)(du)，以及空氣(qi)的(de)流速等。霜層(ceng)厚度(du)(du)隨(sui)冷表(biao)面溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)降低而(er)增加(jia)，隨(sui)空氣(qi)濕度(du)(du)的(de)增加(jia)而(er)增加(jia)。

霜的形(xing)成(cheng)不僅(jin)與天氣條件有關，也與所附著(zhu)的物體屬性有關。霜是(shi)在(zai)輻(fu)射(she)冷(leng)卻的物體表(biao)(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)的，所以(yi)物體表(biao)(biao)面(mian)越(yue)容(rong)易輻(fu)射(she)散熱并迅速冷(leng)卻，就越(yue)容(rong)易形(xing)成(cheng)霜。另外物體粗糙的表(biao)(biao)面(mian)要比(bi)光滑的表(biao)(biao)面(mian)更有利于輻(fu)射(she)散熱，所以(yi)在(zai)表(biao)(biao)面(mian)粗糙的物體上(shang)更容(rong)易形(xing)成(cheng)霜。

當(dang)物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)溫度(du)很低(di)，物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)附近的(de)空(kong)氣(qi)溫度(du)偏(pian)高(gao)，就(jiu)會在(zai)空(kong)氣(qi)和物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)之間(jian)形成溫度(du)差，如果(guo)物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)與空(kong)氣(qi)之間(jian)的(de)溫度(du)差主(zhu)要由物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)輻射(she)冷卻造成，則較(jiao)暖的(de)空(kong)氣(qi)和較(jiao)冷的(de)物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)相接觸(chu)時，空(kong)氣(qi)就(jiu)會被冷卻，達到水(shui)汽(qi)過飽和狀態，多(duo)(duo)余(yu)的(de)水(shui)汽(qi)就(jiu)會析出。如果(guo)溫度(du)在(zai)0℃以下，則多(duo)(duo)余(yu)的(de)水(shui)汽(qi)就(jiu)在(zai)物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)(mian)上凝結為冰(bing)晶，形成霜(shuang)。

云對地面物體在(zai)夜(ye)間的(de)輻射冷卻(que)有妨礙作用，天空有云不利于霜(shuang)的(de)形成，因此，霜(shuang)大(da)都出現在(zai)晴朗的(de)夜(ye)晚，也(ye)就(jiu)是地面輻射冷卻(que)強烈的(de)時候。

風對于霜的形(xing)成也(ye)有影響(xiang)，微(wei)風的時(shi)(shi)候，空氣緩慢地流過冷物體(ti)表(biao)面(mian)，不斷(duan)供應水汽(qi)，有利于霜的形(xing)成。但(dan)是風大的時(shi)(shi)候，由于空氣的流動很(hen)快，接觸冷物體(ti)表(biao)面(mian)的時(shi)(shi)間(jian)相對較短，同(tong)時(shi)(shi)風大的時(shi)(shi)候，上下層(ceng)的空氣容易(yi)相互混合(he)，減緩溫度降低，從而(er)也(ye)會妨礙霜的形(xing)成。一般風速達到(dao)3級(ji)及以上，霜就不容易(yi)形(xing)成。

因此霜一般形成在寒冷季節里晴朗(lang)、微(wei)風或(huo)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

通過水(shui)(shui)滴(di)在(zai)荷葉表(biao)面(mian)(mian)上可(ke)以自由滾動(dong)，同時(shi)具有自清(qing)潔作用現象，可(ke)利(li)用鏡(jing)面(mian)(mian)疏(shu)水(shui)(shui)涂層進行(xing)抑霜。超(chao)疏(shu)水(shui)(shui)性是一(yi)種特殊(shu)的(de)潤(run)濕(shi)(shi)性，一(yi)般指水(shui)(shui)滴(di)在(zai)固體表(biao)面(mian)(mian)呈球狀，接觸(chu)角大(da)于150度，滾動(dong)角小于10度。材(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)面(mian)(mian)能（材(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)面(mian)(mian)分子比內(nei)部(bu)分子多出的(de)能量(liang)）越低，疏(shu)水(shui)(shui)性越好，且當低表(biao)面(mian)(mian)能材(cai)(cai)料(liao)(liao)具有微觀粗糙(cao)結構時(shi)，水(shui)(shui)滴(di)與材(cai)(cai)料(liao)(liao)之間會形(xing)成(cheng)一(yi)層空氣膜，阻(zu)礙水(shui)(shui)對材(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)面(mian)(mian)的(de)潤(run)濕(shi)(shi)，從而形(xing)成(cheng)超(chao)疏(shu)水(shui)(shui)狀態【1】。

疏(shu)(shu)(shu)水(shui)表面(mian)上的水(shui)珠(zhu)分(fen)布稀(xi)(xi)疏(shu)(shu)(shu)，凍(dong)結(jie)較(jiao)晚，初始結(jie)霜(shuang)相較(jiao)于(yu)(yu)未(wei)使用疏(shu)(shu)(shu)水(shui)材(cai)料(liao)反射鏡更晚。疏(shu)(shu)(shu)水(shui)表面(mian)上的水(shui)珠(zhu)較(jiao)小且更接近圓球形(xing)，形(xing)成的霜(shuang)層稀(xi)(xi)疏(shu)(shu)(shu)易去除。通過在鏡面(mian)涂覆(fu)疏(shu)(shu)(shu)水(shui)材(cai)料(liao)可以避免結(jie)霜(shuang)或者在一定程度(du)上延緩初始霜(shuang)晶(jing)的出現（取(qu)決于(yu)(yu)環境(jing)影(ying)響(xiang)），但這一影(ying)響(xiang)僅僅局限于(yu)(yu)結(jie)霜(shuang)初期，一旦鏡面(mian)被霜(shuang)層覆(fu)蓋，表面(mian)疏(shu)(shu)(shu)水(shui)材(cai)料(liao)作用不(bu)再明顯【2】。

因此在反射鏡表(biao)面涂覆疏(shu)水(shui)材(cai)料可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)一種(zhong)有限(xian)的抑霜技術。

親水材料抑霜

親(qin)水(shui)涂層(ceng)可(ke)吸(xi)(xi)附一定量的(de)水(shui)，并且貯存部分(fen)潛冷(leng)，可(ke)使吸(xi)(xi)附的(de)水(shui)在(zai)(zai)低溫狀(zhuang)態(tai)(tai)不(bu)結(jie)冰(bing)。通過在(zai)(zai)反(fan)(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)(jing)背(bei)面(mian)涂覆親(qin)水(shui)材料，使夜間(jian)空氣中的(de)水(shui)汽(qi)被(bei)親(qin)水(shui)材料大量吸(xi)(xi)附，可(ke)以減(jian)少反(fan)(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)(jing)附近(jin)的(de)水(shui)蒸氣，有效抑制反(fan)(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)(jing)鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)結(jie)霜或少量結(jie)霜。但親(qin)水(shui)材料吸(xi)(xi)附性有限(xian)，在(zai)(zai)達到(dao)飽和狀(zhuang)態(tai)(tai)后便不(bu)在(zai)(zai)吸(xi)(xi)收水(shui)汽(qi)，過多的(de)水(shui)汽(qi)則(ze)會在(zai)(zai)反(fan)(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)(jing)背(bei)面(mian)和鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)結(jie)霜。因(yin)此在(zai)(zai)反(fan)(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)(jing)背(bei)漆(qi)面(mian)涂覆親(qin)水(shui)材料可(ke)以作為一種有限(xian)的(de)抑霜技術。

金屬材料抑霜

通過(guo)在集(ji)熱器(qi)底(di)部距離(li)地(di)面(mian)一(yi)定高(gao)度的地(di)方，鋪設(she)一(yi)層網(wang)狀金(jin)屬(shu)材(cai)料。由于金(jin)屬(shu)的材(cai)料特性（易輻射散(san)熱并迅速冷(leng)卻），且金(jin)屬(shu)表面(mian)的不(bu)平整(zheng)性，可以(yi)使地(di)表水(shui)蒸氣(qi)在蒸騰(teng)過(guo)程中與金(jin)屬(shu)網(wang)接觸時就結霜(shuang)，從而減(jian)少(shao)(shao)到達反(fan)射鏡的水(shui)蒸氣(qi)，以(yi)減(jian)少(shao)(shao)反(fan)射鏡鏡面(mian)結霜(shuang)。

4.2除霜方法

深色背漆化霜

目前太陽(yang)能(neng)反射鏡(jing)背漆(qi)均為白色，該方法是采用(yong)對太陽(yang)輻(fu)(fu)射吸收率(lv)(lv)高(gao)的(de)深色面(mian)(mian)漆(qi)作為反射鏡(jing)背面(mian)(mian)的(de)防護漆(qi)，或(huo)在最外層(ceng)防護漆(qi)上面(mian)(mian)再覆蓋一層(ceng)對太陽(yang)輻(fu)(fu)射吸收率(lv)(lv)高(gao)的(de)深色面(mian)(mian)漆(qi)或(huo)涂(tu)層(ceng)。

成(cheng)都(dou)禪德對該方法進行(xing)了測試，在反(fan)射鏡(jing)最外層噴(pen)涂一層黑色油漆，模擬鏡(jing)場除(chu)(chu)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)運行(xing)，早上鏡(jing)場運行(xing)除(chu)(chu)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)時(shi)，先將(jiang)反(fan)射鏡(jing)背面(mian)正對太(tai)陽(yang)，利(li)用對太(tai)陽(yang)輻(fu)射吸(xi)收(shou)率(lv)高的黑色面(mian)漆吸(xi)收(shou)太(tai)陽(yang)輻(fu)射熱(re)量，通過熱(re)傳導(dao)將(jiang)熱(re)量傳導(dao)給反(fan)射鏡(jing)鏡(jing)面(mian)的霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)，從(cong)而(er)加速反(fan)射鏡(jing)鏡(jing)面(mian)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)的融化。與現有(you)的除(chu)(chu)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)方法相比，此(ci)方法利(li)用黑色面(mian)漆進行(xing)吸(xi)熱(re)，大(da)大(da)提高了鏡(jing)子對太(tai)陽(yang)能輻(fu)射的吸(xi)收(shou)率(lv)，比直接采(cai)用太(tai)陽(yang)光(guang)照射除(chu)(chu)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)（霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)對太(tai)陽(yang)輻(fu)射反(fan)射率(lv)高、吸(xi)收(shou)率(lv)低）的速度更快(kuai)，測試結果表明(ming)，相比傳統除(chu)(chu)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)方式可減少約50%的除(chu)(chu)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)時(shi)間，從(cong)而(er)提高太(tai)陽(yang)能熱(re)發(fa)電(dian)站的發(fa)電(dian)量和(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(shang)述抑(yi)(yi)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)方(fang)(fang)法(fa)對結(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)的(de)(de)(de)抑(yi)(yi)制作用與(yu)項目地(di)位置、氣候條件(jian)、空氣濕度(du)、溫度(du)等(deng)眾(zhong)多因素有(you)關，若項目地(di)空氣含水量高，抑(yi)(yi)制作用能(neng)起到的(de)(de)(de)效果將大打折扣。現(xian)僅(jin)對相(xiang)同結(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)條件(jian)下化霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)時(shi)間(jian)的(de)(de)(de)不(bu)同進行分析(xi)。成(cheng)都禪德(de)以光(guang)熱電(dian)(dian)站結(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)時(shi)間(jian)從(cong)當年12月到次年3月，每天中午12點前完全(quan)(quan)化霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)為假(jia)設條件(jian)用SAM軟件(jian)進行了模(mo)擬計算。由于結(jie)霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)后化霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)造成(cheng)的(de)(de)(de)發電(dian)(dian)時(shi)間(jian)減少，可能(neng)使光(guang)熱電(dian)(dian)站損(sun)失約(yue)全(quan)(quan)年6%的(de)(de)(de)發電(dian)(dian)量。若使用深(shen)色背(bei)漆(qi)化霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)的(de)(de)(de)方(fang)(fang)式，減少一半的(de)(de)(de)化霜(shuang)(shuang)(shuang)(shuang)時(shi)間(jian)，將可增(zeng)加約(yue)3%的(de)(de)(de)全(quan)(quan)年發電(dian)(dian)量。

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展望

太陽能(neng)聚(ju)(ju)光鏡(jing)在嚴寒地區容(rong)易結霜(shuang)可以通過這些(xie)方法相互結合使用，將(jiang)聚(ju)(ju)光鏡(jing)受結霜(shuang)的(de)影(ying)響降至最低，從而增加電站運行的(de)整體收益。

1.可以采用(yong)反射(she)鏡表(biao)面疏水(shui)涂(tu)(tu)層和反射(she)鏡背面親水(shui)涂(tu)(tu)層抑制反射(she)鏡結霜。

2.可以采用在地(di)面(mian)鋪設金屬網(wang)，提前(qian)凝結空氣中(zhong)的水(shui)分，或使(shi)用薄膜(mo)覆(fu)蓋地(di)面(mian)，減少地(di)面(mian)水(shui)汽蒸發，從(cong)而減少鏡面(mian)結霜。

3.采用特(te)殊的(de)(de)通風結構(gou)技(ji)術，來降低空氣與(yu)聚(ju)光鏡表面接觸的(de)(de)時間，從而(er)減少結霜的(de)(de)可(ke)能性(xing)。

參考文獻：

【1】超(chao)疏水材料(liao)的技術與原理及制(zhi)備(bei)方(fang)法(fa)，鑠思百檢(jian)測

【2】結霜(shuang)現象(xiang)及抑(yi)霜(shuang)技術的研究進展，制(zhi)冷學報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。