耐久太阳能镜面反射膜的制作方法
【专利说明】
[0001] 政府许可权利
[0002] 美国政府对根据由美国能源部授予的DE-AC36-08G028308(CRADA No. 08-316)的 本专利申请中描述的发明中的至少一些具有权利。
技术领域
[0003] 本公开通常涉及耐久太阳能镜面反射膜，制备耐久太阳能镜面反射膜的方法，以 及包括耐久太阳能镜面反射膜的构造。
【背景技术】
[0004] 可再生能源是指来源于可补充的自然资源诸如阳光、风、雨、潮汐以及地热的能 量。随着技术的进步和全球人口的增长，对可再生能源的需求大幅提高。尽管当今化石燃 料提供了绝大部分的能量消耗，但这些燃料是不可再生的。全球对这些化石燃料的依赖度 不仅提高了对它们的消耗的关注，而且提高了对与燃烧这些燃料引起的排放相关联的环境 的关注。由于这些关注，全世界的国家已经在建立同时开发大规模可再生能源和小规模可 再生能源的举措。当今前景较好的能源之一为阳光。目前全世界有数百万的家庭从太阳能 光伏系统获得电力。
[0005] 通常，集中式太阳能技术涉及集合太阳能辐射，以直接或间接产生电力。集中式太 阳能技术的三种主要类型为集中式光伏、集中式太阳能和太阳热能。
[0006] 在集中式光伏（CPV)中，集中的日光经由光伏作用直接转化为电力。通常，CPV技 术使用光学件（例如透镜或反射镜）来将大量的日光集中于小面积的太阳能光伏材料上以 产生电力。相比于其他类型的光伏能量产生，CPV系统通常便宜得多，因为太阳能的集中允 许使用少得多数量的更高成本的太阳能电池。
[0007] 在集中式太阳能（CSP)中，集中的日光转化为热，然后热转化为电力。通常，CSP技 术使用多种几何形状的反射镜表面（例如平面镜、抛物线碟和抛物线槽）以将日光集中于 接收器上。这继而加热工作流体（例如合成油或熔融盐）或驱动热机（例如蒸汽轮机）。 在一些情况下，工作流体驱动产生电力的发动机。在其他情况下，工作流体经过换热器以产 生蒸汽，所述蒸汽用于发动蒸汽轮机以产生电力。
[0008] 太阳能集热系统收集太阳辐射以在工业工厂中加热水或加热工艺物流。一些太阳 能集热设计利用反射镜使阳光集中到包含水或进料流的接收器上。操作原理与集中式太阳 能发电单元非常类似，但日光的集中度，并因此工作温度没有那么高。
[0009] 对太阳能需求的增加伴随着对能够满足这些公开要求的反射装置和材料需求的 增加。其中一些太阳能反射器技术包括玻璃镜、铝镜和金属化聚合物膜。其中，金属化聚合 物膜特别地具有吸引力，因为它们重量轻、提供设计柔性，并且可能使比常规玻璃镜更便宜 的安装系统设计成为可能。聚合物为轻质的、便宜的且易于制造的。为了在聚合物上获得 金属表面特性，将金属（例如银）的薄层涂布于聚合物表面上。
[0010] 一种示例性市售太阳能镜面反射膜示意性地示于图1中。图1的太阳能镜面反射 膜100包括分色前蒙片层110、耐候性层120(包括例如聚合物）、薄的溅镀涂布接合层140、 反射层150 (包括例如反射金属，如银）、耐腐蚀层160 (包括例如金属，如铜）、粘合剂层170 和衬片180。通常通过去除衬片180并与支撑基材相邻放置粘合剂层170,从而将图1的膜 施用至支撑基材。然后去除分色前蒙片层110以将耐候性层120暴露于日光。
【发明内容】
[0011] 使在集中式太阳能发电单元和集中式光伏太阳能系统中使用的金属化聚合物膜 经受对环境因素的连续暴露。因此，在设计和制造金属化聚合物反射膜中的技术挑战为在 经受严苛环境条件时获得长期（例如20年）耐久性。需要金属化聚合物膜，一旦将其安装 于集中式太阳能发电单元或集中式光伏电池中，所述金属化聚合物膜提供耐久性和保持的 光学性能（例如反射率）。机械性能、光学透明度、耐腐蚀性、紫外光稳定性以及对户外天气 条件的抗性均为在较长的操作周期内可有助于材料逐渐降解的因素。
[0012] 本公开的发明人认识到，在形成能够保持其光学性能的长期户外使用的耐久金属 化聚合物膜时的许多技术问题源自金属和聚合物的物理和化学本性和特性的基本失配。一 个特定的困难涉及确保聚合物层与金属反射表面之间的良好粘附力。在不存在这些层之间 的良好粘附力的情况下，发生分层。聚合物层与反射层之间的分层通常称为"隧道效应"。
[0013] 本公开的发明人认识到，分层通常源自聚合物层与反射层之间降低的粘附力。所 述降低的粘附力可由许多因素中的任一者导致，且通常由这些因素的组合导致。本公开的 发明人认识到的一些示例性因素包括（1)聚合物层与反射层之间增加的机械应力；（2)反 射层的氧化；（3)与反射层相邻的粘合剂的氧化；和（4)聚合物层的降解（这可由于例如暴 露于日光）。这些因素中的每一个可受到许多外部条件的影响，例如环境温度（包括环境温 度的变化）、热冲击、湿度、暴露于水分、暴露于空气杂质（例如盐和硫）、uv暴露、产品处理 和产品储存。
[0014] 最具挑战性的问题之一涉及在金属/聚合物界面处的应力。一旦应力变得过大， 则可能发生屈曲，从而导致聚合物层从反射层分层。此外，当切割金属化聚合物膜时，它们 的边缘可能破碎和不受保护。金属化聚合物的腐蚀起始于它们的边缘，因此破碎的暴露的 金属边缘与上述净界面应力的所述组合可克服粘附强度并导致隧道效应。本发明的发明人 认识到保护聚合物层与反射层之间的界面，尤其是沿着所述界面的边缘保护的重要性。
[0015] 已使用两种现有技术方法来解决这些问题。首先，已围绕金属化膜的边缘施用密 封嵌缝胶。第二，已围绕金属化膜的边缘缠绕带材。如果适当应用，两种方法均有效用于使 短期分层和/或隧道效应达到最小。然而，两种方法均不利地降低总可得反射面积。另外， 两种方法均不利地将分开的材料引入金属化膜的前表面，这导致金属化膜的平面上方和下 方产生隆起或突起。当金属化膜暴露于例如风和冰雹时，这些隆起或突起为可能的另外的 应力的区域。在常规维护过程（包括例如清洁（例如压力清洗）和应用过程中处理）中， 所述另外的应力增加。另外，为了在金属化膜的寿命中（例如20年）有效，分开的材料必 须在膜的寿命中附着至金属化膜。这些材料这样做的能力有限。
[0016] 本公开的发明人认识到，现有太阳能镜面反射膜中的反射层在整个耐候性层上延 伸。如上所述，这些层的特性的失配使得它们的界面倾向于分层和隧道效应，尤其是在镜面 反射膜的边缘处。因此，本公开的发明人认识到，在太阳能镜面反射膜的一些区域、部位或 部分中具有更少反射材料或不具有反射材料的太阳能镜面反射膜显示出增加的耐久性和 降低的分层和/或隧道效应。
[0017] 本公开的一个实施例涉及一种太阳能镜面反射膜，其包括：具有第一主表面和第 二主表面的耐候性层；其中所述第一主表面包括本体区域和边缘区域；和反射材料，所述 反射材料与所述耐候性层的第一主表面的本体区域相邻，并基本上不存在于所述边缘区域 中。
[0018] 本公开的一些实施例涉及一种太阳能镜面反射膜，其包括：具有第一主表面和第 二主表面的耐候性层；反射材料的与所述耐候性层的第一主表面相邻的区域；和耐候性层 的第一主表面的基本上不含反射材料的区域。在一些实施例中，所述反射材料的区域与所 述耐候性层的第一主表面直接相邻。在一些实施例中，所述材料和/或层介于所述反射材 料的区域与所述耐候性层的第一主表面之间。在一些实施例中，所述材料和/或层为接合 层和适形层中的至少一者。
[0019] 在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域在基本上不含反射材料的区域 的部位上包含少于50%的反射材料。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域在 基本上不含反射材料的区域的部位上包含少于60%的反射材料。在一些实施例中，所述基 本上不含反射材料的区域在基本上不含反射材料的区域的部位上包含少于70 %的反射材 料。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域在基本上不含反射材料的区域的部 位上包含少于75%的反射材料。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域在基本 上不含反射材料的区域的部位上包含少于80%的反射材料。在一些实施例中，所述基本上 不含反射材料的区域在基本上不含反射材料的区域的部位上包含少于85%的反射材料。在 一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域在基本上不含反射材料的区域的部位上包 含少于90%的反射材料。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域在基本上不含 反射材料的区域的部位上包含少于95%的反射材料。在一些实施例中，所述基本上不含反 射材料的区域在基本上不含反射材料的区域的部位上包含少于97%的反射材料。在一些实 施例中，所述基本上不含反射材料的区域在基本上不含反射材料的区域的部位上包含少于 99%的反射材料。
[0020] 在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总 面积的少于30%。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反 射膜的总面积的少于40 %。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳 能镜面反射膜的总面积的少于50%。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占 所述太阳能镜面反射膜的总面积的少于60%。在一些实施例中，所述基本上不含反射材 料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总面积的少于70%。在一些实施例中，所述基本上不 含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总面积的少于80 %。在一些实施例中，所述 基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总面积的少于90%。在一些实施 例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总面积的少于95%。在 一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总面积的少于 97%。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射膜的总面 积的少于98%。在一些实施例中，所述基本上不含反射材料的区域占所述太阳能镜面反射 膜的总面积的少于99%。
[0021] 本公开的一些实施例涉及具有第一主表面和第二主表面的耐候性层；其中所述第 一主表面包括本体区域和边缘区域；和反射材料，所述反射材料与所述耐候性层的第一主 表面的本体区域相邻，并基本上不存在于所述边缘区域中。
[0022] 本公开的一些实施例涉及具有第一主表面和第二主表面的耐候性层；其中所述第 一主表面包括本体区域和边缘区域；与所述耐候性层的第一主表面的本体区域相邻的反射 材料；和与所述耐候性层的第一主表面的边缘区域直接接触的接合材料。
[0023] 在太阳能镜面反射膜的一些实施例中，所述边缘区域从所述耐候性层的末端边缘 延伸至所述第一主表面上达2_。在一些实施例中，所述边缘区域从所述耐候性层的末端 边缘延伸至所述第一主表面上达约2mm至约20mm之间。在一些实施例中，所述耐候性层包 括以下中的至少一者：PMMA、聚碳酸酯、聚酯、多层光学膜、含氟聚合物，以及丙烯酸酯和含 氟聚合物的共混物。在一些实施例中，所述反射材料包括银、金、铝、铜、镍和钛中的至少一 者。在一些实施例中，所述