納米自清潔薄膜在光伏電站中的應(yīng)用

    光伏發(fā)電由于具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及**可靠性的特點(diǎn)，近年來(lái)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)253GW；2021年，我國(guó)光伏發(fā)電量有望超過(guò)德國(guó)，成為****。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(lái)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*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**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(yáng)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(yáng)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(lái)源、清洗方式、清洗頻次等千差萬(wàn)別，給光伏電站的運(yùn)維帶來(lái)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、**、**、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(wú)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(wú)須經(jīng)過(guò)熱處理即可在玻璃表面快速形成無(wú)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(yáng)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。
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    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。
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    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(wú)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(wú)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。
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    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(guò)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。
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    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5～50μm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(guò)50μm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
    納米自清潔薄膜不僅具有光增透作用，其還可有效降解光伏組件表面的有機(jī)污染物。納米自清潔薄膜表面具有超親水特性，水滴在其表面可以迅速鋪展形成水膜，納米自清潔薄膜表面的臟污在重力作用下可隨著水膜一起滑落，從而起到自清潔的效果。因此，納米自清潔薄膜可減少光伏組件表面的積塵量，從而減少光伏電站中光伏組件的清洗和運(yùn)維次數(shù)。
    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。
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    采用JC/T2168—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。
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    由表1可知，納米自清潔玻璃的親水角較小，說(shuō)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*大輸出功率影響的測(cè)試
    測(cè)量3塊普通光伏組件的*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*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*大輸出功率。

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