【技术干货】太阳能集中器用轻质碳纤维反射镜
摘 要
《高性能碳纤维在运载火箭及导弹领域应用》
《详细解密碳纤维在欧洲国防工业的应用》
《第三代航空机身用碳纤维复合材料技术》
《详细解析碳纤维复合材料在A350中应用》
《赫氏碳纤维在防空飞机中的应用》
《航空航天用碳纤维的发展及未来挑战》
《解析航空级碳纤维及其复合材料的完整链条》
《美国赫氏碳纤维在航空航天领域应用》
《东丽碳纤维在航空领域的应用》
《简述碳纤维在直升机领域中的应用》
人们正在寻求开发能够实现高成本效益的天基太阳能发电（Space-based Solar Power, 简写SSP）技术。长期以来，人们通过在太空运行大型太阳能发电站并将能量无线传输到地球或利用太空中的直流电来满足地球的基本负荷电力需求。来自美国加州理工学院的科研人员所提议的发电站的组成部分是“瓷砖”，如图1所示：一个约10x10 cm的模块化元件，用于太阳能光伏能量收集、转换为射频能量，并将能量传输至地面接收器。
图1 空间太阳能集中器的概念图
由于空间发射成本高，关键的挑战是提高SSP技术的比功率或单位质量功率。轻型聚光光学器件可以将空间光伏（ Photovoltaic，简写PV）能量转换器的比功率提高很多倍，因为反射或折射光学器件通常可以在比太阳能电池及其辐射屏蔽低得多的面积密度（单位面积质量）下实现。抛物面镜广泛应用于聚光光伏发电，包括在空间应用中。本文介绍了美国加州理工学院开发的一种基于碳纤维增强塑料（CFRP）抛物线的轻质抛物面镜制造工艺，采用表面光顺技术制备出高反射率的镜面。
图1所示的PV聚光器包括平行抛物面镜槽（抛物面在一个平面上，沿长度呈线性），每个槽在相邻镜的上后边缘有一条焦点线，将连接一排多结太阳能电池以收集聚焦的阳光。这种几何形状特别适合于空间应用，因为反射镜槽在发射前是可折叠的，以便有效包装，并且还可为电池提供散热、辐射冷却和辐射屏蔽。本文重点研究了这种聚光器概念的抛物面反射镜的制作和测试，主要研究了抛物面反射器的两种制作方法。
最初，通过使用金属化的Kapton膜作为反射器，在槽的两端放置抛物线支撑，以获得正确的形状。Kapton是一种常用的空间级聚合物，在市场上可以买到具有相对光滑和镜面的薄片。然而，在不降低Kapton膜反射镜的镜面反射率和形状精度的前提下，很难制备出热导率所需的相对较厚的金属层（2-10μm Al）。此外，一旦电池被安装在Kapton抛物线槽的后缘，电池的形状就会因附着和热应力而变形。
为了提高形状精度和光学效率，加州理工大学科研人员采用薄碳纤维增强聚合物（CFRP）制作了反射镜。CFRP具有优异的强度质量比，在航空航天领域有着广泛的应用。对于在该领域的应用，薄CFRP特别有前景，因为（a）它们可以铸造成所需的形状，（b）它们是柔性的，但可以回弹成型，（c）裸露的CFRP通常具有高的热发射率，通过正确选择纤维类型和取向，它们可以提供高的面内热导率。然而，对于光学应用来说，薄CFRP铸件很难形成精确的形状，并且通常具有粗糙和非镜面的表面，不适合直接用作镜面基底。
复合材料抛物面反射器由单向胶带（东丽T800预浸料，17g/m²）制成，按堆叠顺序排列成8层[0/90/+45/-45]S。对钢模具进行加工，以提供由两侧切向平面延伸的所需抛物面轮廓的凸面。铺层后，将复合材料真空装袋并在高压釜炉中固化。由于温度的升高，复合材料在固化后由于热应力的不平衡而趋于变形。因此，使用迭代过程来创建模具，从而在铸件中生成所需的抛物线型面。用FARO ScanArm三维扫描仪测量每个铸件的形状，如有必要，加工另一个模具以纠正观察到的任何系统形状误差。
尽管该方法产生了期望形状的CFRP片，但是它们的表面是粗糙的，并且它们表现出漫射的光学外观。下一个挑战是在CFRP铸件表面制造一个高质量的镜面反射镜，而不会使抛物线形状变形。表面粗糙度问题是通过一种新的平滑技术来解决的，在这种技术中，将树脂混合物涂在表面上并使其沉降。表面张力产生光滑的共形表面。紫外光固化工艺最大限度地减少聚合物的收缩，从而最大限度地提高平滑度和形状精度。完整的镜像如图2所示。
图2 制作的CRFP反射镜经过平滑和银沉积后图片
用CFRP铸件制作反射镜的步骤是：1、清洗零件，然后烘干。2、在表面涂上一层薄薄的聚合物。3、真空室脱气。4、如有必要，刷掉多余的聚合物并再次脱气。5、紫外线照射固化。6、将反射层沉积在紫外光固化的表面上。应用于平滑聚合物的反射层包括10nm Cr粘附层、120nm Ag反射层和10nm SiO₂保护层。均为电子束蒸发沉积。在平滑或金属化之前，CFRP的平均厚度约为180μm。
结果显示对于这种碳纤维布反射镜，在2°的入射角下，光线跟踪预测，反射镜镜面反射后约80%的入射光应到达接收单元。
利用激光扫描共聚焦显微镜对铸态CFRP表面进行了表征，其均方根表面粗糙度为3μm，通过使用上述紫外光固化聚合物和反射层进行平滑处理制作的同样CFRP抛物面样品，镜面均方根表面粗糙度为4.5nm，使表面粗糙度提高了3个数量级。
粗糙度测量和反射率数据证实，聚光镜在波长约为400纳米的太阳光谱中是足够平滑的，在较短波长上的主要限制是由于银本身而不是表面散射。将可用范围扩展到紫外波长将需要使用不同的反射层，例如铝或介电增强银，并且可能受益于表面粗糙度的进一步降低。
采用轻质碳纤维抛物面镜制成的集中器，光学效率高达77.5%。主要的效率损失是由于形状偏离了名义抛物线，因为光滑的镜面在可见光和近红外波段提供了极好的镜面反射。未来将对该系统的进一步优化，如进一步改善形状，减少聚合物平滑层的厚度，并使更薄的碳纤维复合材料整体质量减少。