1

国内已建成太阳能光热电站

2016年9月，国家能源局印发《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》（国能新能〔2016〕223号），确定第一批太阳能热发电示范项目共20个，总计装机容量1349MW，分别分布在青海省、甘肃省、河北省、内蒙古自治区、新疆自治区。截止到2022年底，并网发电太阳能热发电项目共9个，总装机规模550MW；其中，塔式项目6个，槽式项目2个，线菲式1个。

从我国太阳能资源分布情况，结合第一批示范项目可以看出，我国太阳能光热电站处于高海拔或高纬度地区，年结霜期长。

2

太阳能聚光镜结霜现状

受制于我国太阳能资源分布情况，太阳能光热发电项目均处于高海拔或高纬度地区。电站集热场中反射镜镜面在低温环境易结霜。霜层是一种随机粗糙的表面，它会阻止光线的反射和传播，就像雪花一样，落到镜面后并不会完整覆盖镜面，而是一片混乱，影响反射镜聚光效果并使镜面反射率降低，从而影响聚光集热效率和发电量。

有光热电站统计，结霜期一般在当年的12月至次年的3月，结霜的水蒸气主要来源于空气(也有观点认为结霜的水蒸气来源于地表含水蒸发)；结霜后次日运行化霜时间不定，主要根据结霜的厚度及阳光强度情况而定。

3

反射镜结霜的成因

在高海拔、高寒地区，当空气中的水蒸气接触到温度低于空气露点温度的反射镜表面时，就会发生相变开始结霜。在成霜初期，独立分散的霜晶类似于肋片，可以起到强化传热的作用，但随着时间的推移，整个冷表面逐渐被霜晶覆盖，形成连续的霜层。

影响霜层生长的主要因素有：冷表面的温度，空气的温度、湿度，以及空气的流速等。霜层厚度随冷表面温度的降低而增加，随空气湿度的增加而增加。

霜的形成不仅与天气条件有关，也与所附着的物体属性有关。霜是在辐射冷却的物体表面形成的，所以物体表面越容易辐射散热并迅速冷却，就越容易形成霜。另外物体粗糙的表面要比光滑的表面更有利于辐射散热，所以在表面粗糙的物体上更容易形成霜。

当物体表面温度很低，物体表面附近的空气温度偏高，就会在空气和物体表面之间形成温度差，如果物体表面与空气之间的温度差主要由物体表面辐射冷却造成，则较暖的空气和较冷的物体表面相接触时，空气就会被冷却，达到水汽过饱和状态，多余的水汽就会析出。如果温度在0℃以下，则多余的水汽就在物体表面上凝结为冰晶，形成霜。

云对地面物体在夜间的辐射冷却有妨碍作用，天空有云不利于霜的形成，因此，霜大都出现在晴朗的夜晚，也就是地面辐射冷却强烈的时候。

风对于霜的形成也有影响，微风的时候，空气缓慢地流过冷物体表面，不断供应水汽，有利于霜的形成。但是风大的时候，由于空气的流动很快，接触冷物体表面的时间相对较短，同时风大的时候，上下层的空气容易相互混合，减缓温度降低，从而也会妨碍霜的形成。一般风速达到3级及以上，霜就不容易形成。

因此霜一般形成在寒冷季节里晴朗、微风或者无风的夜晚。

4

解决方法

4.1抑霜方法

疏水材料抑霜

通过水滴在荷叶表面上可以自由滚动，同时具有自清洁作用现象，可利用镜面疏水涂层进行抑霜。超疏水性是一种特殊的润湿性，一般指水滴在固体表面呈球状，接触角大于150度，滚动角小于10度。材料表面能（材料表面分子比内部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且当低表面能材料具有微观粗糙结构时，水滴与材料之间会形成一层空气膜，阻碍水对材料表面的润湿，从而形成超疏水状态【1】。

疏水表面上的水珠分布稀疏，冻结较晚，初始结霜相较于未使用疏水材料反射镜更晚。疏水表面上的水珠较小且更接近圆球形，形成的霜层稀疏易去除。通过在镜面涂覆疏水材料可以避免结霜或者在一定程度上延缓初始霜晶的出现（取决于环境影响），但这一影响仅仅局限于结霜初期，一旦镜面被霜层覆盖，表面疏水材料作用不再明显【2】。

因此在反射镜表面涂覆疏水材料可以作为一种有限的抑霜技术。

亲水材料抑霜

亲水涂层可吸附一定量的水，并且贮存部分潜冷，可使吸附的水在低温状态不结冰。通过在反射镜背面涂覆亲水材料，使夜间空气中的水汽被亲水材料大量吸附，可以减少反射镜附近的水蒸气，有效抑制反射镜镜面结霜或少量结霜。但亲水材料吸附性有限，在达到饱和状态后便不在吸收水汽，过多的水汽则会在反射镜背面和镜面结霜。因此在反射镜背漆面涂覆亲水材料可以作为一种有限的抑霜技术。

金属材料抑霜

通过在集热器底部距离地面一定高度的地方，铺设一层网状金属材料。由于金属的材料特性（易辐射散热并迅速冷却），且金属表面的不平整性，可以使地表水蒸气在蒸腾过程中与金属网接触时就结霜，从而减少到达反射镜的水蒸气，以减少反射镜镜面结霜。

4.2除霜方法

深色背漆化霜

目前太阳能反射镜背漆均为白色，该方法是采用对太阳辐射吸收率高的深色面漆作为反射镜背面的防护漆，或在最外层防护漆上面再覆盖一层对太阳辐射吸收率高的深色面漆或涂层。

成都禅德对该方法进行了测试，在反射镜最外层喷涂一层黑色油漆，模拟镜场除霜运行，早上镜场运行除霜时，先将反射镜背面正对太阳，利用对太阳辐射吸收率高的黑色面漆吸收太阳辐射热量，通过热传导将热量传导给反射镜镜面的霜，从而加速反射镜镜面霜的融化。与现有的除霜方法相比，此方法利用黑色面漆进行吸热，大大提高了镜子对太阳能辐射的吸收率，比直接采用太阳光照射除霜（霜对太阳辐射反射率高、吸收率低）的速度更快，测试结果表明，相比传统除霜方式可减少约50%的除霜时间，从而提高太阳能热发电站的发电量和经济性。

5

结霜对发电量的影响，快速化霜带来的收益

上述抑霜方法对结霜的抑制作用与项目地位置、气候条件、空气湿度、温度等众多因素有关，若项目地空气含水量高，抑制作用能起到的效果将大打折扣。现仅对相同结霜条件下化霜时间的不同进行分析。成都禅德以光热电站结霜时间从当年12月到次年3月，每天中午12点前完全化霜为假设条件用SAM软件进行了模拟计算。由于结霜后化霜造成的发电时间减少，可能使光热电站损失约全年6%的发电量。若使用深色背漆化霜的方式，减少一半的化霜时间，将可增加约3%的全年发电量。

6

展望

太阳能聚光镜在严寒地区容易结霜可以通过这些方法相互结合使用，将聚光镜受结霜的影响降至最低，从而增加电站运行的整体收益。

1.可以采用反射镜表面疏水涂层和反射镜背面亲水涂层抑制反射镜结霜。

2.可以采用在地面铺设金属网，提前凝结空气中的水分，或使用薄膜覆盖地面，减少地面水汽蒸发，从而减少镜面结霜。

3.采用特殊的通风结构技术，来降低空气与聚光镜表面接触的时间，从而减少结霜的可能性。

参考文献：

【1】超疏水材料的技术与原理及制备方法，铄思百检测

【2】结霜现象及抑霜技术的研究进展，制冷学报2010年04期

注：本文由CSPPLAZA平台会员单位——成都禅德新型储能科技有限公司供稿。