納米自清潔薄膜在光伏電站中的應(yīng)用

張永偉

(國(guó)華巴彥淖爾(烏拉特中旗)風(fēng)電有限公司，巴彥淖爾 015000)

0 引言

光伏發(fā)電由于具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及安全可靠性的特點(diǎn)，近年來的發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛。截至2020年底，我國(guó)光伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)253 GW；2021年，我國(guó)光伏發(fā)電量有望超過德國(guó)，成為世界第一。光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用，依賴于我國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步及光伏發(fā)電成本的不斷降低。作為光伏電站的核心部件，光伏組件的價(jià)格自2014年以來持續(xù)下降，截至2020年5月，國(guó)內(nèi)光伏組件的出口價(jià)格已降至23美分/W。

在光伏電站的財(cái)務(wù)模型中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量在前3年共遞減約5%，20年后其年發(fā)電量將遞減到設(shè)計(jì)年發(fā)電量的80%。光伏組件的輸出功率是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最核心的因素，而在所有影響光伏組件輸出功率的因素中，光伏組件表面的積灰是第一影響因素。

積灰對(duì)于光伏組件輸出功率的影響主要表現(xiàn)為：1)光伏組件表面的積灰會(huì)遮蔽照射到光伏組件表面的太陽光線；2)光伏組件表面的積灰會(huì)影響光伏組件的散熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，造成光伏組件的壽命縮減甚至損壞光伏組件[1]；3)具備酸堿性的灰塵長(zhǎng)時(shí)間沉積在光伏組件表面，會(huì)侵蝕光伏組件玻璃表面，造成玻璃表面粗糙不平，從而進(jìn)一步積聚灰塵，同時(shí)還會(huì)增加太陽光線的漫反射[1]。

光伏組件表面的嚴(yán)重積灰對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響非常大，因光伏組件表面積灰造成的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量降低5%～10%是國(guó)內(nèi)光伏電站普遍存在的現(xiàn)象，個(gè)別光伏電站甚至?xí)蚬夥M件表面積灰塵造成光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量損失30%以上。而且由于不同地區(qū)的光伏電站中光伏組件表面積灰的來源、清洗方式、清洗頻次等千差萬別，給光伏電站的運(yùn)維帶來了挑戰(zhàn)。

21世紀(jì)初，以納米級(jí)TiO2光催化為主體的新材料技術(shù)在日本及歐洲得到了廣泛的應(yīng)用探索，主要被應(yīng)用于空氣凈化、水凈化、抗菌、殺菌、防污(自清潔)、防霧等領(lǐng)域。含有納米級(jí)TiO2光催化的自清潔薄膜(下文簡(jiǎn)稱為“納米自清潔薄膜”)對(duì)抗灰塵起到了很好的作用，其在干燥環(huán)境下能夠有效減少因摩擦、受熱等導(dǎo)致的靜電吸附，同時(shí)還可以減少大片粘結(jié)的黏性土粒在其表面層疊堆積[2]；該納米自清潔薄膜還具有分解有機(jī)物的能力，可有效減少有機(jī)物連帶的灰塵粘結(jié)現(xiàn)象[3]；另外，該納米自清潔薄膜在玻璃表面的納米尺度上是粗糙的，這種納米級(jí)粗糙度可以使灰塵粒子的接觸面積更小，從而減少摩擦力，使灰塵更容易滑落[4]；該納米自清潔薄膜還具有超強(qiáng)親水性，可以使水在其表面的延展性更加優(yōu)良，在玻璃表面形成一層平滑的水膜，進(jìn)一步降低灰塵與接觸面的摩擦系數(shù)。

為此，本文針對(duì)玻璃表面涂布納米自清潔薄膜后的性能進(jìn)行分析，并對(duì)采用了該納米自清潔薄膜的光伏組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的戶外曝曬落灰測(cè)試，以及濕凍測(cè)試、濕熱測(cè)試和紫外測(cè)試等耐候性測(cè)試；然后以我國(guó)因氣候、地形特征原因?qū)е碌牡湫偷幕覊m污染嚴(yán)重地區(qū)——內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特中旗川井鎮(zhèn)作為實(shí)際驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)基地，對(duì)光伏組件玻璃表面采用納米自清潔薄膜后的效果進(jìn)行研究及驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)采用了一種含有納米級(jí)TiO2光催化的自清潔材料，該材料是一種功能性水基溶液，主要組分為無機(jī)氧化物和二氧化鈦，其特殊配方成功解決了溶液中有效成分的高效分散機(jī)制，在玻璃表面噴涂該溶液，無須經(jīng)過熱處理即可在玻璃表面快速形成無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的膜層[5]。

采用FAT200接觸角測(cè)定儀測(cè)試光伏組件用玻璃表面涂布了該納米自清潔薄膜后的親水角。

本實(shí)驗(yàn)采用的光伏組件為天合光能股份有限公司生產(chǎn)的同型號(hào)的多晶硅光伏組件，共6塊。

由國(guó)家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)3塊未涂布納米自清潔薄膜的光伏組件(下文簡(jiǎn)稱為“普通光伏組件”)和3塊已涂布納米自清潔薄膜的光伏組件(下文簡(jiǎn)稱為“納米自清潔光伏組件”)在北京地區(qū)進(jìn)行了戶外曝曬落灰測(cè)試(15天)，以及濕凍測(cè)試、濕熱測(cè)試和紫外測(cè)試等耐候性測(cè)試。所有測(cè)試的測(cè)試流程如圖1所示。

圖1 所有測(cè)試的測(cè)試流程圖Fig. 1 Test flow chart for all tests

對(duì)納米自清潔光伏組件和普通光伏組件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的耐候性測(cè)試后，以內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特中旗川井鎮(zhèn)作為實(shí)際驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)基地，對(duì)納米自清潔薄膜對(duì)光伏方陣年發(fā)電量的影響效果進(jìn)行實(shí)證對(duì)比測(cè)試及驗(yàn)證。

2 不同粒徑粒子在不同納米級(jí)粗糙度表面的摩擦力實(shí)驗(yàn)

對(duì)不同粒徑的粒子在不同納米級(jí)粗糙度表面的摩擦力情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。圖中：Rrms為納米級(jí)粗糙度；F為摩擦力；Ftip為納米級(jí)粒子的摩擦力；Fsphere為灰塵粒子的摩擦力。

圖2 不同粒徑粒子在不同納米級(jí)粗糙度表面的摩擦力[6]Fig. 2 Friction force of particles of different sizes on the surface with different nano-level roughness[6]

從圖2可以看出，粒徑為微米級(jí)以上的灰塵粒子的摩擦力隨著表面納米級(jí)粗糙度的增大而減小。

實(shí)驗(yàn)選用的納米自清潔薄膜在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采用的理念是利用納米金屬無機(jī)氧化物形成特有的納米粒子殼核包覆結(jié)構(gòu)(如圖3所示)將納米TiO2包裹，該納米金屬無機(jī)氧化物與玻璃基板表面鍵合形成性能穩(wěn)定的納米膜層，該膜層有可控孔隙，能降低納米自清潔薄膜的折射率，同時(shí)，納米粒子殼核包覆結(jié)構(gòu)增大了納米自清潔薄膜的比表面積，提高了納米自清潔薄膜的光催化能力。

圖3 納米自清潔薄膜的納米粒子殼核包覆結(jié)構(gòu)Fig. 3 Shell-core cladding structure of nanoparticles of nano self-cleaning film

由于納米自清潔薄膜采用納米粒子殼核包覆結(jié)構(gòu)的堆疊模式，其表層在納米尺度上是非封閉性的膜層，納米粒子的大小決定了孔隙率及表面納米級(jí)粗糙度，因此，通過控制納米粒子的大小可間接控制灰塵在納米自清潔薄膜表面的摩擦力。

由于納米自清潔薄膜表面具有合適的納米級(jí)粗糙度，因此可以有效減少灰塵在其表面的摩擦力。不同玻璃表面形態(tài)下灰塵粒子接觸面積的情況如圖4所示。

圖4 不同玻璃表面形態(tài)下灰塵粒子的接觸面積情況Fig. 4 Situation of dust particle contact area under different glass surface morphology

從圖4可以看出，普通玻璃表面平整時(shí)，微米級(jí)灰塵粒子與納米級(jí)表面的接觸面積大(圖中虛線圈出的地方)；當(dāng)納米自清潔玻璃表面為納米級(jí)粗糙度時(shí)，微米級(jí)灰塵粒子與納米自清潔膜層表面的接觸面積小(圖中虛線圈出的地方)。

相關(guān)研究表明[1]，在不考慮極端天氣所引起的沙塵暴天氣的情況下，針對(duì)光伏組件表面積灰而言，主要是考慮粒徑在5～50 μm之間的灰塵粒子，因?yàn)榱礁〉母稍锘覊m粒子會(huì)隨風(fēng)飄走，不容易落在光伏組件表面；當(dāng)干燥的小粒徑灰塵粒子疊加后其粒徑超過50 μm或重量較大時(shí)，則其在風(fēng)力、自身重力的作用下會(huì)從光伏組件表面自動(dòng)滑落，不會(huì)對(duì)光伏組件產(chǎn)生較大影響。

3 親水角測(cè)試

涂布了納米自清潔材料的壓花超白光伏組件用玻璃(下文簡(jiǎn)稱為“納米自清潔玻璃”)與未涂布納米自清潔材料的壓花超白光伏組件用玻璃(下文簡(jiǎn)稱為“普通玻璃”)的親水角情況如圖5所示。

圖5 納米自清潔玻璃與普通玻璃的親水角情況Fig. 5 Situation of hydrophilic angle of nano self-cleaning glass and ordinary glass

采用JC/T 2168—2013《自潔凈鍍膜玻璃》中第6.4.2條對(duì)納米自清潔玻璃與普通玻璃進(jìn)行親水角對(duì)比測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)選取了3塊納米自清潔玻璃(編號(hào)為1#～3#)和1塊普通玻璃(編號(hào)為4#)作為測(cè)試樣品，每個(gè)樣品均測(cè)試4個(gè)角和1個(gè)中心點(diǎn)共5個(gè)點(diǎn)，然后取5個(gè)點(diǎn)的平均值，具體數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 納米自清潔玻璃與普通玻璃的親水角數(shù)據(jù)表Table 1 Hydrophilic angle data sheet of nano self-cleaning glass and ordinary glass

由表1可知，納米自清潔玻璃的親水角較小，說明其具有明顯的超親水特性。

4 納米自清潔薄膜對(duì)光伏組件最大輸出功率影響的測(cè)試

測(cè)量3塊普通光伏組件的最大輸出功率，將這3塊普通光伏組件涂布納米自清潔材料制備成為納米自清潔光伏組件后，再次測(cè)量其最大輸出功率，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如表2所示。表中：Pmax為光伏組件的最大輸出功率。

表2 普通光伏組件涂布納米自清潔材料前、后Pmax的變化情況Table 2 Pmax Power changes before and after coating nano self-cleuning materials on ordinary PV modules

由表2可知，相比于納米自清潔材料涂布前普通光伏組件的Pmax，納米自清潔材料涂布后光伏組件的Pmax直接提升了0.50%以上。

由于該普通光伏組件的納米自清潔材料是采用手動(dòng)噴涂，導(dǎo)致未能精準(zhǔn)控制納米自清潔薄膜的厚度。經(jīng)驗(yàn)表明，改用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行納米自清潔材料的噴涂，光伏組件的最大輸出功率提升基本在1.0%以上。

5 戶外曝曬落灰測(cè)試

采用3塊普通光伏組件和上一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)中已制備好的3塊納米自清潔光伏組件進(jìn)行戶外曝曬落灰測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為15天。測(cè)試前后2種光伏組件的Pmax變化情況如表3所示。

縱觀馬克思的青年時(shí)代，他也擁有本屬于青年人的一般特質(zhì)，甚至曾經(jīng)是一個(gè)叛逆青年。他曾經(jīng)流連于所謂“特里爾同鄉(xiāng)會(huì)”組織的各種聚會(huì)當(dāng)中，也曾因?yàn)槊總€(gè)月的巨額花銷遭到父親的斥責(zé)。但是，這些只是一個(gè)年輕人在成長(zhǎng)過程中的一段插曲，而馬克思在青年時(shí)代所展現(xiàn)出的與眾不同的精神特質(zhì)，注定意味著他將在自己的人生中譜寫出壯麗的樂章。

表3 戶外曝曬落灰測(cè)試前、后2種光伏組件的Pmax變化情況Table 3 Changes of Pmax of two kinds of PV modules before and after outdoor exposure and dust falling test

從表3可以看出，經(jīng)過15天的戶外曝曬落灰測(cè)試后，普通光伏組件的輸出功率衰減率均值比納米自清潔光伏組件的高0.96%，由此可反映出納米自清潔光伏組件的自清潔效果。

6 耐候性測(cè)試

在戶外曝曬落灰測(cè)試后需要對(duì)所有光伏組件進(jìn)行清洗，并待所有光伏組件的性能恢復(fù)到滿足測(cè)試條件后，再進(jìn)行耐候性測(cè)試。耐候性測(cè)試包括濕凍測(cè)試、濕熱測(cè)試及紫外測(cè)試(測(cè)試方式如圖1所示)。對(duì)普通光伏組件與納米自清潔光伏組件進(jìn)行耐候性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 普通光伏組件與納米自清潔光伏組件的耐候性測(cè)試結(jié)果Table 4 Weather resistance test results of ordinary PV modules and nano self-cleaning PV modules

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，納米自清潔光伏組件的輸出功率衰減率不足1%，說明涂布了納米自清潔薄膜的光伏組件符合IEC 61215:2016中的相關(guān)要求規(guī)定。經(jīng)過耐候性測(cè)試后，未出現(xiàn)由于納米自清潔薄膜受環(huán)境影響被破壞而造成的光伏組件輸出功率衰減率超規(guī)的情況，由此可知，納米自清潔薄膜在光伏組件25年質(zhì)保期限內(nèi)不會(huì)失效。

7 納米自清潔薄膜對(duì)光伏組件發(fā)電量影響的實(shí)證

2018年6月上旬，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特中旗川井鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)基地完成了光伏組件納米自清潔薄膜的涂布作業(yè)，施工過程及施工后光伏組件的照片如圖6所示。

圖6 納米自清潔薄膜的涂布施工及2種光伏組件的實(shí)物對(duì)比Fig. 6 Nano self-cleaning film spraying construction and physical comparison of two kinds of PV modules

8-2#逆變器對(duì)應(yīng)的光伏方陣為采用納米自清潔薄膜的光伏方陣(下文簡(jiǎn)稱為“納米自清潔光伏方陣”)，10-1#逆變器對(duì)應(yīng)的光伏方陣為未采用納米自清潔薄膜的普通光伏方陣(下文簡(jiǎn)稱為“普通光伏方陣”)，跟蹤記錄上述逆變器對(duì)應(yīng)的光伏方陣為期2年(2018年6月16日-2020年6月15日)的發(fā)電量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行對(duì)比分析。

烏拉特中旗深居大陸，遠(yuǎn)離海洋，地處高原，氣候差異很大，具有高原寒暑變化劇烈的特點(diǎn)。其春季干燥、多風(fēng)、少雨雪；夏季短促、雨量集中；秋季溫和涼爽，降雨量少、蒸發(fā)量大；冬季漫長(zhǎng)、少雨雪，可持續(xù)5個(gè)月(11月-次年3月)。為便于分析海量數(shù)據(jù)，先將數(shù)據(jù)依照烏拉特中旗川井鎮(zhèn)的季節(jié)特點(diǎn)及跨度時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分段。烏拉特中旗川井鎮(zhèn)各季節(jié)的時(shí)間跨度如表5所示。

表5 烏拉特中旗川井鎮(zhèn)各季節(jié)的時(shí)間跨度Table 5 Time span of each seasons in Chuanjing town of Urad Central Banner

將2018年6月16日-2020年6月15日期間納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量與普通光伏方陣的發(fā)電量情況進(jìn)行對(duì)比，其中，將2018年6月16日-2019年6月15日作為第1年來分析，2019年6月16日-2020年6月15日作為第2年來分析。2年期間納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量及其增幅情況如圖7所示。

圖7 2年期間納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量及其增幅Fig. 7 Power generation capacity and proportion of increased power generation capacity of nano self-cleaning PV array during two years

從圖7可以看出：

1)由于該地區(qū)夏季的氣候特點(diǎn)是雨量集中，因此2年期間，夏季時(shí)段納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量峰值變化量不大，不存在光伏方陣發(fā)電量明顯衰減問題。從發(fā)電量增幅來看，第1年的6月上旬納米自清潔光伏方陣完成了納米自清潔薄膜的涂布工作，促使納米自清潔光伏方陣當(dāng)年的發(fā)電量增幅比第2年的發(fā)電量增幅高；整體來看，納米自清潔光伏方陣第1年和第2年的發(fā)電量增幅均維持在3%以上。

2)由于該地區(qū)秋季的氣候特點(diǎn)是溫和涼爽，降雨量少、蒸發(fā)量大，因此秋季時(shí)段，納米自清潔光伏方陣在第1年和第2年時(shí)的發(fā)電量峰值存在一定的差異。因夏季時(shí)的發(fā)電量峰值差異不明顯，秋季時(shí)的發(fā)電量峰值差異可以認(rèn)為是由光伏組件表面整體清潔度差異或其他原因(如天氣)造成的。從發(fā)電量增幅來看，第1年的發(fā)電量增幅比第2年的高，第2年的發(fā)電量增幅僅稍有增加，但這2年的發(fā)電量增幅均維持在3%以上。

3)冬季時(shí)段中，部分時(shí)段納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量峰值較夏季、秋季時(shí)的有明顯減少，比如11月、12月及1月部分時(shí)段的發(fā)電量明顯偏少。從發(fā)電量增幅來看，相較于普通光伏方陣，這2年期間納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量均稍有增加，且發(fā)電量增幅均維持在3%以上。

4)由于該地區(qū)春季干燥、多風(fēng)、少雨雪，因此春季時(shí)段，第1年和第2年納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量峰值變化量不大。從發(fā)電量增幅來看，相較于普通光伏方陣，這2年期間納米自清潔光伏方陣的發(fā)電量均稍有增加，且發(fā)電量增幅均維持在3%以上。

綜上所述，根據(jù)烏拉特中旗川井鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)基地的結(jié)果來看，我國(guó)西部、北部區(qū)域，風(fēng)沙量大、雨量稀少，在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的這2年期間，納米自清潔薄膜的應(yīng)用使光伏方陣發(fā)電量能夠?qū)崿F(xiàn)3%以上的增幅目標(biāo)。

8 結(jié)論

本文對(duì)納米自清潔薄膜的性能進(jìn)行了分析，對(duì)噴涂了納米自清潔材料的光伏組件進(jìn)行了性能測(cè)試，并進(jìn)行了發(fā)電量的實(shí)際驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：納米自清潔光伏組件可為減少光伏電站受灰塵影響而降低發(fā)電量的問題提供一種可供選擇的解決方案。納米自清潔薄膜提高了光伏組件的最大輸出功率，且自清潔效果及環(huán)境可靠性都可以被量化驗(yàn)證。根據(jù)烏拉特中旗川井鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)基地2年的跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在我國(guó)風(fēng)沙量大、雨量稀少的西部、北部區(qū)域應(yīng)用此種薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定的3%的光伏方陣發(fā)電量增幅目標(biāo)。