海洋環(huán)境下太陽能電池玻璃表面清潔方案

張 彥，袁成清，張 天，孫玉偉

(武漢理工大學(xué)a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所;b.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430063)

海洋環(huán)境下太陽能電池玻璃表面清潔方案

張 彥a，b，袁成清a，b，張 天a，b，孫玉偉a，b

(武漢理工大學(xué)a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所;b.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430063)

為了有效避免海洋環(huán)境下各種污染物長(zhǎng)時(shí)間與太陽能電池玻璃表面接觸而導(dǎo)致?lián)p傷,提出一套自清潔與后清潔相結(jié)合的清潔方案,根據(jù)光伏電池污染物的特性和損傷過程對(duì)玻璃表面進(jìn)行有針對(duì)性清潔,方案結(jié)合自檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制,適用于人工維護(hù)困難的區(qū)域。

海洋環(huán)境;太陽能電池;玻璃表面;清潔方法

太陽能作為目前世界上最有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?在海洋環(huán)境下,適用于海島設(shè)施、海洋平臺(tái)、遠(yuǎn)洋船舶等長(zhǎng)期處于獨(dú)立工作狀態(tài)的設(shè)備［1］。太陽能光伏不僅運(yùn)用在海洋結(jié)構(gòu)物、海洋航行器等單體設(shè)備上,在海島或者近海人工漂浮平臺(tái)上構(gòu)建大型光伏陣列也被廣泛嘗試［2-3］。

在海洋環(huán)境下使用太陽能光伏,必須充分考慮苛刻的環(huán)境因素。海洋環(huán)境相比陸地環(huán)境要復(fù)雜得多,由于太陽能電池的玻璃表面直接與海洋環(huán)境接觸,同時(shí)其光譜透過率又制約著太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,可以認(rèn)為玻璃表面是主要的影響部位。海洋環(huán)境因素的綜合作用一方面會(huì)通過玻璃表面的遮擋效應(yīng),降低透射進(jìn)入太陽能電池的太陽輻照強(qiáng)度;另一方面會(huì)加劇太陽能電池特別是其玻璃表面的腐蝕磨損,降低其可靠性,進(jìn)而影響電力輸出特性［4-6］。因此,合理清潔,減緩太陽能電池玻璃表面的損傷十分重要。

陸用光伏陣列的清潔手段在海洋環(huán)境中的適用性和相關(guān)應(yīng)用目前鮮有報(bào)道,同時(shí)現(xiàn)有的清潔方式主要是針對(duì)灰塵這單一的污染物,而對(duì)于減緩多因素作用下太陽能電池玻璃表面損傷的效果則有限。為此,以海洋環(huán)境下太陽能電池玻璃表面為研究對(duì)象,分析其損傷機(jī)理,提出一種針對(duì)海洋環(huán)境多種污染物的清潔方案。

1 損傷機(jī)理

太陽能電池玻璃表面接觸的海洋環(huán)境主要是海洋大氣環(huán)境,但如果安裝位置接近海平面,也可能會(huì)受到海水的影響。海洋大氣環(huán)境中的影響因素主要包括溫度、濕度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度、凝露、降雨、氣體污染物(SO2和NOx)及鹽粒,等。除此以外,在海島附近的太陽能電池還可能受到海鳥糞便、樹葉、動(dòng)物攀爬遺跡等因素的影響。根據(jù)這些因素的作用機(jī)理,將其分為外界污染物和環(huán)境因素兩類。

當(dāng)海洋空氣中的灰塵、鹽?；蛘吆ｘB糞便、樹葉等外界污染物在電池玻璃表面隨著時(shí)間積聚時(shí),會(huì)形成非透明覆蓋層,在減少太陽能電池實(shí)際被照射面積的同時(shí),還會(huì)降低透射進(jìn)入的太陽輻照強(qiáng)度［7］。而且時(shí)間過長(zhǎng),覆蓋層部位會(huì)形成熱斑效應(yīng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整個(gè)電池組件的破壞［8］。而氣體污染物、鹽粒等與水混合后會(huì)形成酸性或堿性的物質(zhì),這些酸堿性物質(zhì)長(zhǎng)期在太陽能電池表面積聚、消散,會(huì)對(duì)玻璃表面不斷進(jìn)行侵蝕,再加上溫度變化、干濕交替等環(huán)境因素的間接作用,腐蝕磨損會(huì)變得異常劇烈,見圖1。

外界污染物和環(huán)境因素對(duì)于電池玻璃表面的損傷,都是直接或者間接通過與界面接觸產(chǎn)生的,同時(shí)影響程度的大小與時(shí)間長(zhǎng)短存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 清潔方案的構(gòu)建原則

根據(jù)海洋環(huán)境下太陽能電池玻璃表面的損傷機(jī)理,電池玻璃表面的清潔實(shí)際上就是通過各種方式,阻隔外界因素(主要指的是污染物)與界面的長(zhǎng)時(shí)間接觸。相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生了兩種清潔途徑:自清潔技術(shù)和后清潔技術(shù)。見圖2。

圖1 電池玻璃表面的損傷機(jī)理

圖2 電池玻璃表面的清潔方式

自清潔技術(shù)指的是在玻璃表面覆蓋一層涂層,阻隔污染物,避免其直接接觸。同時(shí),所覆蓋的涂層具有自清潔能力,隨著降雨將污染物除去。此種方法適用范圍廣,但是除去污染物的效果欠佳。后清潔技術(shù)指的是采用清潔裝置清洗玻璃表面,除去玻璃表面的污染物,避免其長(zhǎng)時(shí)間接觸。此種方法能夠根除污染物,但是制約因素較多。

構(gòu)建海洋環(huán)境下太陽能電池玻璃表面的清潔方案,要考慮電池運(yùn)行環(huán)境的特殊性。海洋環(huán)境下的太陽能電池通常處于人工維護(hù)困難的區(qū)域,不可能如同陸地一樣,采用清潔車進(jìn)行大范圍清潔。海洋環(huán)境降雨量相對(duì)充足,鹽霧與海水對(duì)玻璃表面腐蝕嚴(yán)重,鹽斑覆蓋與侵蝕交替出現(xiàn)?；覊m、鹽斑、鳥糞等不同污染物在太陽能電池玻璃表面的粘附性強(qiáng)度不同,損傷程度以及作用時(shí)間也有區(qū)別。

根據(jù)海洋環(huán)境的具體情況,清潔方案遵循以下原則:①自清潔技術(shù)與后清潔技術(shù)相結(jié)合;②對(duì)灰塵顆粒物與海鳥糞便、樹葉、鹽斑等日常清洗難以除去的污染物采取不同的清潔方式;③適用于海洋環(huán)境下人工維護(hù)困難的區(qū)域。

3 清潔方案的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 自清潔涂層

灰塵等顆粒物的影響主要是導(dǎo)致電池輸出能量的減少［9］。同時(shí)灰塵等顆粒物的影響具有隨時(shí)性。因此,基于海洋環(huán)境降水量較多這一情況,將自清潔涂層作為日常清理方式。

在太陽能電池玻璃表面覆蓋一層自清潔涂層,可以阻隔灰塵等顆粒物與電池玻璃表面直接接觸,同時(shí)降低其附著力,隨著水流的沖刷,將表面灰塵等顆粒物帶走［10］。同時(shí)可避免氣體污染物、鹽粒等與水混合后所形成的酸性或堿性物質(zhì)直接與電池玻璃表面接觸,減緩其腐蝕磨損度。

需要注意的是,海洋環(huán)境下不能使用親水性的自清潔涂層,因?yàn)槠鋾?huì)在玻璃表面形成均勻的水膜,反而增強(qiáng)了腐蝕。超疏水(水接觸角 ＞150°)自清潔涂層或者基于無機(jī)光催化半導(dǎo)體材料的自清潔涂層相對(duì)適用,目前可以使用的納米涂料主要有二氧化鈦、氟碳樹脂基等。

為了便于太陽能電池玻璃表面的水流流動(dòng),太陽能電池的布置應(yīng)采用傾斜結(jié)構(gòu),將其頂部設(shè)置成5°～8°傾角。

3.2 移動(dòng)式清潔裝置

由于自清潔涂層通常難以清除海鳥糞便、樹葉、鹽斑等這類污染物,因此需要結(jié)合后清潔技術(shù)來提高清潔效果。考慮到海洋環(huán)境下人工維護(hù)困難,提出了一種移動(dòng)式的清潔裝置,作為后清潔方式,與自清潔涂層配合使用。

移動(dòng)式清潔裝置包括主支撐機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部件、清潔部件、自檢測(cè)系統(tǒng)、蓄電池供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng),見圖3。

圖3 移動(dòng)式清潔裝置底部示意

驅(qū)動(dòng)部件包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的懸浮式驅(qū)動(dòng)輪和萬向腳輪,設(shè)計(jì)需要保證即使太陽能電池板表面處于濕潤(rùn)狀態(tài),其仍能夠在成5°～8°的斜面上行走,同時(shí)可以做到越過間隙在50 mm以內(nèi),落差在±30 mm以內(nèi)的太陽能電池板連接處。清潔部件包括刮板、海綿擦和旋轉(zhuǎn)刷。刮板主要用來清除樹葉等固體污染物;海綿擦主要用來清除灰塵、污垢等污染物;旋轉(zhuǎn)刷主要用來清除海鳥糞便、鹽斑等污染物。自檢測(cè)系統(tǒng)采用攝像頭獲取太陽能電池板玻璃表面圖像,經(jīng)過圖像處理判別玻璃表面清潔度,從而控制是否繼續(xù)對(duì)該位置進(jìn)行清洗?？刂葡到y(tǒng)基于單片機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置移動(dòng)、清潔的控制。

通過無線連接,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式清潔裝置的遠(yuǎn)程控制,從而使得裝置具有自動(dòng)移動(dòng)和清潔以及人工遙控移動(dòng)和清潔兩種模式。為了方便移動(dòng)式清潔裝置在各區(qū)域光伏陣列之間運(yùn)行,可以設(shè)置專門的移動(dòng)通道。

方案中自清潔涂層的選擇結(jié)合降雨較多這一實(shí)際,同時(shí)可避免對(duì)于腐蝕的增加。移動(dòng)式清潔裝置可以有效代替人力清潔,一方面降低人力成本,另一方面對(duì)于人力清潔困難區(qū)域可有效清潔。

4 結(jié)束語

針對(duì)海洋環(huán)境特殊性所提出的太陽能電池玻璃表面清潔方案能夠適應(yīng)人工維護(hù)困難、鹽霧腐蝕嚴(yán)重的實(shí)際情況,對(duì)于光伏電池的廣泛使用和保證其可靠性具有重要意義。自清潔技術(shù)與后清潔技術(shù)相結(jié)合以及污染物分類清潔不僅適用于海洋環(huán)境,還可以用于陸地光伏陣列的清潔。相比原有的單一清潔方式,在提升了清潔效果的同時(shí)更加具有靈活性。但是由于灰塵是主要污染物,同時(shí)可能存在缺水狀態(tài),因此必須做出相應(yīng)調(diào)整。提出的方案在配合使用自清潔技術(shù)和后清潔技術(shù)的同時(shí)應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性,以及盡量避免兩者之間的不良影響,特別是后清潔裝置與玻璃表面接觸部分對(duì)于自清潔涂層的破壞。今后的研究應(yīng)關(guān)注自清潔涂層清潔效果以及耐久性的進(jìn)一步提升,后清潔裝置自檢測(cè)精度的提高以及兩者之間配合性,使清潔方案更具有實(shí)際意義。

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［10］居發(fā)禮.積灰對(duì)光伏發(fā)電工程的影響研究［D］.重慶:重慶大學(xué),2010.

Cleaning Method for Glass Surface of Solar Cell Panel under Marine Environment

ZHANG Yana,b,YUAN Cheng-qinga,b,ZHANG Tiana,b,SUN Yu-weia,b
(a.Reliability Engineering Institute,School of Energy and Power Engineering; b.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology,Ministry of Transport, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In order to avoid effectively the damage of the glass surface of solar cell panel caused by the long-term contact with all kinds of pollutants undermarine environment,a novel cleaningmethod which is combined with self-cleaning and passive cleaning is proposed.According to the characteristics of the pollutants of solar cell panel and the damage process,the developed method is the pertinence cleaningway to provide to be better effect.While the techniques of self-testand remote control are used, themethod is suitable for the area hard artificialmaintenance.

marine environment;solar cell panel;glass surface;cleaningmethod

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.018

U665.11

A

1671-7953(2015)03-0075-04

2014-12-06

修回日期:2015-01-04

工信部高技術(shù)船舶專項(xiàng)(工信部聯(lián)裝［2012］540號(hào))

張 彥(1989-),男,碩士生

研究方向:船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)性能分析,船舶動(dòng)力系統(tǒng)新能源技術(shù)

E-mail:zhangyant1223@163.com