太陽(yáng)能照明燈光伏板CO2 雪清洗方法的探討

朱　潤(rùn)，管雪松

(南京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京　210037)

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太陽(yáng)能照明燈光伏板CO2雪清洗方法的探討

朱潤(rùn)，管雪松

(南京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京210037)

摘要：在對(duì)目前常用的光伏板清洗方法分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)際上公認(rèn)的四種環(huán)保型二氧化碳清洗技術(shù)的比較，提出采用CO2 雪技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能照明燈光伏板進(jìn)行清洗的方法，并對(duì)該方法的清洗機(jī)理進(jìn)行了分析。CO2 雪清洗用于太陽(yáng)能照明燈光伏板的清洗，能夠大大提高照明系統(tǒng)的效率，使其發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；路燈；景觀燈；光伏板；CO2雪清洗

引言

太陽(yáng)能路燈和景觀燈的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在照明行業(yè)里得到了廣泛的重視，國(guó)內(nèi)已有不少單位開(kāi)展了這方面的研究工作[1-2]。但太陽(yáng)能路燈和景觀燈在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，光伏板表面會(huì)被灰塵、水漬、油漬，甚至鳥(niǎo)糞等污染，污染后不但使得光伏板的熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，而且由于被污染遮擋的部分無(wú)法正常工作，致使溫度過(guò)高出現(xiàn)燒壞的暗斑，造成整個(gè)太陽(yáng)能電池組件損壞[3]。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，10MW光電發(fā)電站，5天不清洗損失電量為12.3 MW·h，15天不清洗損失電量達(dá)到32.7 MW·h。由此可見(jiàn)，光伏板清洗對(duì)光電發(fā)電效率存在很大的影響。因此，如何清洗灰塵，讓太陽(yáng)能照明發(fā)揮它應(yīng)有的價(jià)值顯得非常重要。而我國(guó)目前在這方面的研究投入，相對(duì)于太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[4-5]，顯得相對(duì)滯后，相關(guān)的研究報(bào)道也不多。本文將根據(jù)太陽(yáng)能路燈和景觀燈的特點(diǎn)，對(duì)目前各種清洗方法進(jìn)行分析比較，提出采用成本低、綠色環(huán)保、效果好和效率高的CO2雪清洗方法，并對(duì)其清洗機(jī)理進(jìn)行分析，為太陽(yáng)能路燈和景觀燈的高質(zhì)量清洗提供參考。

1太陽(yáng)能照明燈光伏板常用清洗方法

通常太陽(yáng)能照明系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏板、充放電控制器、蓄電池組、光源、燈桿等部分構(gòu)成[6]，如圖1所示。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，仰面向上的太陽(yáng)能光伏板上會(huì)聚集各種灰塵?；覊m主要有顆粒狀的灰塵和粘性灰塵[7]，顆粒狀的灰塵又大致分為兩類：一類是顆粒直徑非常細(xì)小的，如直徑小于20μm，這類灰塵很容易吸附在光伏板上，這些細(xì)灰塵不容易被風(fēng)吹掉；另一類是直徑比較大的顆粒塵埃，這類粗塵埃部分可以被大風(fēng)吹走。粘性灰塵主要包括道路交通車輛的尾氣、煤煙顆粒、工業(yè)產(chǎn)生的煙霧顆粒等，甚至還有各種飛行鳥(niǎo)類的排泄物等。這些灰塵掉在光伏板上，在雨水(包括露水)的作用下，形成圖2所示具有較強(qiáng)吸附性的積灰[7]，嚴(yán)重影響光伏電池的發(fā)電效率。

圖1　太陽(yáng)能路燈Fig.1　Solar lamp

圖2　被污染的光伏板Fig.2　PV panel Polluted

目前太陽(yáng)能路燈和景觀燈常用的清洗方法主要有自然清洗和人工清洗[8]。自然清洗就是利用自然刮風(fēng)和降雨等自然因素來(lái)清潔太陽(yáng)能光伏板表面的灰塵和污漬，這種方法受自然條件的限制，而且清洗效果不理想。人工清洗通常有兩種方法：一種是用高壓氣體對(duì)光伏板表面灰塵施加沖擊，當(dāng)固體顆粒較大時(shí)，氣流的沖擊力可以超過(guò)顆粒與光伏板表面間的黏附力(包括范德華力、毛細(xì)管作用力、偶極吸附力等)，灰塵顆?？梢员怀ァ５?dāng)灰塵顆粒較小時(shí)，如小于20μm，由于空氣動(dòng)力的沖擊大小與顆粒直徑的平方成正比，當(dāng)顆粒直徑很小時(shí)，空氣動(dòng)力下降的很快，因此，高壓氣體無(wú)法清除圖2所示的細(xì)小顆?；覊m[7]，而光伏板表面需要清理的恰恰是這種由細(xì)小顆粒長(zhǎng)期積累形成的污染；另一種人工清洗的方法是用高壓水，配合化學(xué)洗滌劑，通過(guò)高壓水槍對(duì)光伏板表面進(jìn)行噴洗。這種方法由于采用了高壓水和化學(xué)洗滌劑，清洗效果比高壓氣體好。但這種方法浪費(fèi)了大量水資源，而且因采用了化學(xué)洗滌劑，對(duì)環(huán)境帶來(lái)很大的影響。為此，針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出采用CO2雪對(duì)太陽(yáng)能路燈和景觀燈進(jìn)行清洗。CO2雪清洗具有成本低、綠色環(huán)保、效果好和效率高的特點(diǎn)，能夠大大提高光伏板的清洗效果。

2CO2清洗介紹

基于 CO2的清洗方法主要有四種[9-10]：干冰清洗、液態(tài)CO2清洗、超臨界CO2清洗和CO2雪清洗。干冰清洗是利用高速噴嘴將干冰噴射于被污染表面，在極短的時(shí)間內(nèi)，從固態(tài)直接升華為氣態(tài)，在此變化過(guò)程中，通過(guò)熱沖擊效應(yīng)和“微爆”效應(yīng)，使得表面的污染物與基材的結(jié)合鍵斷裂，達(dá)到清洗的目的，這種方法是利用干冰小球體對(duì)基體表面的高速?zèng)_擊來(lái)清除污垢的，通常用于模具、汽車、飛機(jī)等行業(yè)，不適合用于太陽(yáng)能光伏板。液態(tài)CO2清洗主要利用處于高壓下的液態(tài)CO2，具有較好的溶解能力以及滲透力，從而將污漬溶解并沖洗出來(lái)，主要應(yīng)用在衣物的清洗方面。液體CO2清洗需要一個(gè)高壓腔(5個(gè)大氣壓左右)保證CO2處于液體狀態(tài)，顯然不適合用來(lái)對(duì)室外的太陽(yáng)能路燈和景觀燈的光伏板進(jìn)行清洗。

超臨界CO2是指CO2所處的壓力和溫度分別高于其臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)(圖3中的A點(diǎn))。CO2臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.38MPa[11]。處于超臨界態(tài)的CO2，其密度與液態(tài)相近，具有很強(qiáng)的溶解能力，能夠溶解基體表面的有機(jī)污染物和一些無(wú)機(jī)污染物。其黏度高于氣態(tài)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液態(tài)，擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到液態(tài)的100倍，從而對(duì)物質(zhì)具有較好的滲透性。根據(jù)這一特點(diǎn)，超臨界CO2主要用于具有深孔、多孔、細(xì)縫、微槽和大深寬比等復(fù)雜形狀器件的清洗，如集成電路板等[11]。超臨界CO2清洗系統(tǒng)需要精確的壓力和溫度檢測(cè)和控制單元，系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，成本較高，不適合太陽(yáng)能路燈和景觀燈的光伏板清洗。

圖3　CO2相態(tài)變化圖Fig.3　CO2 P-T curve

CO2雪清洗是裝在高壓鋼瓶中的液態(tài)或氣態(tài)二氧化碳，通過(guò)一種特殊設(shè)計(jì)的文丘里噴槍，產(chǎn)生出含有固體二氧化碳微粒的高速二氧化碳?xì)饬?，類似于雪花狀的混合流體，這也是CO2雪清洗名稱的由來(lái)。從文丘里噴槍出來(lái)的CO2雪既可以去除各種直徑的顆粒污垢，又能除去有機(jī)污染物[9]。與CO2其他幾種清洗方法相比，CO2雪清洗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)輸攜帶方便，非常適合于室外太陽(yáng)能路燈和景觀燈的光伏板清洗，另外成本低和清洗效果好，也是CO2雪清洗的主要優(yōu)點(diǎn)。這一技術(shù)在國(guó)外大型天文望遠(yuǎn)鏡光學(xué)玻璃鏡子清洗和硅片清洗等方面得到了廣泛的應(yīng)用[12-14]。

3CO2雪清洗機(jī)理

CO2雪清洗有兩種原料：一種是氣態(tài)的高壓二氧化碳，另一種是液態(tài)的高壓二氧化碳。由于使用液態(tài)二氧化碳為原料時(shí)，通過(guò)文丘里噴槍后產(chǎn)生的二氧化碳固體顆粒含量為45%，而相同情況下，氣態(tài)二氧化碳原料產(chǎn)生的二氧化碳固體顆粒含量只有6%[9]。固體二氧化碳顆粒含量越高，清洗效果越好，且清洗效率也越高。因此，對(duì)于太陽(yáng)能路燈和景觀燈光伏板的清洗，用液態(tài)的二氧化碳進(jìn)行清洗比較好。當(dāng)液態(tài)二氧化碳從常溫高壓鋼瓶(50大氣壓左右)，通過(guò)特殊的文丘里噴嘴噴射時(shí)，開(kāi)口處壓力下降，部分液體二氧化碳開(kāi)始?xì)饣?，同時(shí)剩下的二氧化碳液體轉(zhuǎn)變成固體，即發(fā)生了二氧化碳由液相轉(zhuǎn)變成固-氣兩相共存的相變過(guò)程，形成了微小顆粒固體二氧化碳和氣體二氧化碳的混合物。當(dāng)這樣的混合物作用于被污染的太陽(yáng)能路燈和景觀燈光伏板時(shí)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等因素的綜合作用，實(shí)現(xiàn)光伏板表面污染物的清洗效果。

3.1固體顆粒污染物清洗原理

利用文丘里噴槍產(chǎn)生的二氧化碳固體和氣體混合物，稱之為CO2雪，按45°方向噴向受污染的光伏板表面后，高速運(yùn)動(dòng)的固體二氧化碳小顆粒在沖擊固體污染物顆粒時(shí)，發(fā)生了動(dòng)量的轉(zhuǎn)移[15-16]，如圖4所示。由這種動(dòng)量轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的力量能夠克服污染物固體顆粒與基體之間粘結(jié)力，如范德華力，一旦污染物固體顆粒脫離了基體表面，很快就被高速二氧化碳?xì)怏w帶走。因此，CO2雪清洗污染物固體顆粒時(shí)，與單純的高壓氣體除塵有著本質(zhì)上的區(qū)別，CO2雪除塵與污染物顆粒的大小無(wú)關(guān)，可以除去各種尺寸的污染顆粒物，最小的可以到0.03微米[16]。因此，對(duì)太陽(yáng)能路燈和景觀燈光伏板表面的清洗非常有好處。

圖4　固體污染物清洗原理圖Fig.4　Schematic of solid part cleaning

3.2有機(jī)污染物清洗機(jī)理

從文丘里噴槍出來(lái)的CO2固體和氣體混合物，在高壓的作用下，CO2固體與基體表面發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞，在碰撞過(guò)程中，當(dāng)CO2固體顆粒受到的壓力超過(guò)了屈服應(yīng)力和三相點(diǎn)壓力(5.3大氣壓)的時(shí)候，固體二氧化碳顆粒便開(kāi)始液化，此時(shí)的CO2雪形成了固體、液體、氣體二氧化碳三相共存的混合物，如圖5所示。液態(tài)二氧化碳是有機(jī)污漬的最好溶劑，因此，基體表面的有機(jī)污漬就溶解在液態(tài)的二氧化碳中。當(dāng)二氧化碳固體顆粒開(kāi)始離開(kāi)基體表面時(shí)，隨著界面上的壓力下降，原先處于液相狀態(tài)的二氧化碳就會(huì)重新發(fā)生固化，并與先前溶解于其中的有機(jī)污漬形成新的固體顆粒，被高速二氧化碳?xì)怏w吹離基體表面[16]，如圖6所示，從而實(shí)現(xiàn)了有機(jī)污漬的清洗工作。

圖5　有機(jī)污漬清洗原理圖Fig.5　Schematic of organic dirty cleaning

圖6　有機(jī)污漬清洗局部放大圖Fig.6　Scaled of organic dirty cleaning

4注意事項(xiàng)

在用CO2雪對(duì)太陽(yáng)能路燈和景觀燈的光伏板進(jìn)行清洗的時(shí)候，需要注意以下的幾個(gè)方面：

1)CO2雪清洗系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分是文丘里噴槍，文丘里噴嘴通常設(shè)計(jì)成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持等焓條件，使得噴射過(guò)程能在焓值恒定的情況下發(fā)生膨漲，從而產(chǎn)生更多的CO2雪，保證氣流速度最大并保證氣流更加集中，大大提高清洗質(zhì)量和清洗效率。

2)在清洗過(guò)程中，需要控制好噴射壓力。如果噴射壓力過(guò)低，噴射出的混合物中固體二氧化碳的含量就會(huì)降低，流速也會(huì)下降，這些都會(huì)影響清洗效果和清洗效率。

3)CO2雪清洗是在高壓高速氣流中進(jìn)行的，雖然對(duì)太陽(yáng)能光伏板表面不會(huì)產(chǎn)生損傷，但還是有一定的作用力作用在太陽(yáng)能路燈或景觀燈上，所以相關(guān)結(jié)構(gòu)件固定要穩(wěn)定、牢固，以免物品受到損壞。

4)操作者手持噴槍對(duì)光伏板進(jìn)行清洗的過(guò)程中，需要注意自身的保護(hù)。因?yàn)镃O2雪氣流的最低溫度在零下80℃左右，對(duì)操作者的皮膚、眼睛等都有可能造成傷害。因此，操作者應(yīng)穿好相關(guān)的保護(hù)服，并佩戴防護(hù)眼鏡。同時(shí)，二氧化碳鋼瓶是高壓氣體容器，在使用過(guò)程中每一步都應(yīng)該操作規(guī)范。

5總結(jié)

太陽(yáng)能路燈、景觀燈投入使用后，后續(xù)的維持保障工作往往被忽視，太陽(yáng)能光伏板的清洗便是其中之一，而太陽(yáng)能光伏板的清洗效果對(duì)太陽(yáng)能照明的效率有著非常重要的影響。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏板常用的清洗方法，以及四種CO2清洗的分析與比較，提出采用CO2雪對(duì)太陽(yáng)能路燈和景觀燈的光伏板進(jìn)行清洗。CO2雪清洗成本低，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，清洗效果好，而且便于操作，能夠極大地改進(jìn)太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換的效率，為太陽(yáng)能路燈和景觀燈的健康發(fā)展提供保障。

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Study on CO2Snow Cleaning for PV Panel of Solar Power Lamp

Zhu Run, Guan Xuesong

(CollegeofArt&Design,NanjingForestUniversity,Nanjing2100373,China)

Abstract：Based on the analysis of the present cleaning methods, according to the comparison of the different CO2 cleaning, CO2 Snow is selected as a way to clean the PV panel of solar power lamp. With the help of this cleaning technology, the transfer efficiency of PV panel of solar power lamp will be improved greatly.

Key words:solar power; road lamp; landscape lamp; solar PV panel; CO2 Snow cleaning

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.026