荒漠地區(qū)光伏組件表面積塵及清潔技術(shù)研究

國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽(yáng)能電力有限公司 ■ 左燕 王銳 嚴(yán)華 魏亞楠

帝斯曼（中國(guó)）有限公司 ■ 于磊

3M中國(guó)有限公司 ■ 劉紅亮

0 引言

隨著我國(guó)西部荒漠及半荒漠地區(qū)光伏電站的建設(shè)規(guī)模及保有量的不斷增長(zhǎng)，光伏組件表面積塵對(duì)電站發(fā)電效率及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的影響日益凸顯，積塵成因分析及相應(yīng)清潔技術(shù)的開發(fā)越來(lái)越受到業(yè)界關(guān)注。研究表明，光伏組件表面積塵會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生一定的反射、散射和吸收，而且隨著積塵量的增加，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)迅速降低。Khadija[1]研究發(fā)現(xiàn)，光伏組件表面積塵的形成是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，并受多種因素影響。溫巖等[2]認(rèn)為，光伏組件表面積塵會(huì)對(duì)玻璃的透光率及組件散熱產(chǎn)生一定影響，并且會(huì)對(duì)玻璃表面產(chǎn)生腐蝕。汪繼偉等[3]通過(guò)對(duì)廣泛采用的光伏組件清潔技術(shù)的成本及缺陷進(jìn)行分析，提出了對(duì)于新型清潔技術(shù)的需求。

西部荒漠及半荒漠地區(qū)的光伏電站無(wú)法依靠自然降水沖洗的模式完成光伏組件的表面清潔，仍普遍采用人工清潔與機(jī)械沖洗相結(jié)合的表面清潔技術(shù)。由于受地理自然條件所限，大型光伏電站的組件表面清潔普遍面臨用水匱乏、水質(zhì)較差、清潔質(zhì)量低、周期短、成本高等諸多問(wèn)題。對(duì)于建設(shè)在高原地區(qū)的光伏電站，因場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大，也很難實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化、智能化清潔設(shè)備的規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，西部荒漠及半荒漠地區(qū)大型光伏電站組件表面高效清潔技術(shù)的開發(fā)成為亟待解決的問(wèn)題。

1 積塵測(cè)試

本文以屬于西部典型荒漠地區(qū)的格爾木荒漠地區(qū)為例，對(duì)其光伏電站組件表面積塵進(jìn)行采樣，通過(guò)X射線衍射分析(X-Ray Diffraction，XRD)對(duì)積塵進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對(duì)積塵進(jìn)行顆粒形態(tài)分析，并結(jié)合電站地表沙塵成分及當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，推斷光伏組件表面積塵的主要來(lái)源及成因。

1.1 積塵成分測(cè)試

對(duì)安裝于格爾木光伏園區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的子陣(相距約5 km)的光伏組件表面積塵進(jìn)行分組采樣并進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果表明，不同子陣中光伏組件表面積塵的成分極為相似，均為石英、白云母、方解石、鈉長(zhǎng)石等硅酸鹽、碳酸鹽類物質(zhì)，如圖1所示。該測(cè)試結(jié)果與孟廣雙[4]對(duì)該地區(qū)進(jìn)行的地表土質(zhì)成分分析結(jié)果極為吻合，如表1所示。

圖1 光伏組件表面積塵成分分析

表1 格爾木地區(qū)地表土質(zhì)成分分析

1.2 積塵粒徑測(cè)試

光伏組件表面積塵按照粒徑大小可分為細(xì)顆?；覊m(直徑D≤100 μm)和粗顆?；覊m(直徑D＞100 μm)。通過(guò)對(duì)2014年、2017年安裝于格爾木荒漠地區(qū)光伏電站中不同子陣內(nèi)光伏組件的表面積塵進(jìn)行取樣和SEM分析可知，積塵粒徑基本分布于10～150 μm之間，如圖2、圖3所示，大部分顆粒集中于80 μm以下，屬于細(xì)顆粒灰塵，且形狀多為無(wú)尖角的橢球或球形顆粒，分布較為均勻。

圖2 2014年安裝的光伏組件表面積塵SEM分析

圖3 2017年安裝的光伏組件表面積塵SEM分析

電站運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)會(huì)定期清潔光伏組件，在清潔周期內(nèi)，光伏組件的表面積塵顆粒趨向于細(xì)顆粒灰塵的均勻分布，而粗顆粒灰塵在安裝傾角、風(fēng)力、重力等綜合因素的作用下較難積存。這與孟廣雙[4]對(duì)積塵直徑與受力關(guān)系的建模分析結(jié)果相一致，即在干燥多風(fēng)的荒漠地區(qū)，積塵清潔主要考慮凈重力與范德華力的作用，隨著積塵顆粒直徑的減小，光伏組件表面積塵所受的范德華力將大于自身凈重力，因此，細(xì)顆?；覊m更易于附著在光伏組件表面并長(zhǎng)期積存。

2 積塵成因分析

2.1 積塵來(lái)源

格爾木位于青海省海西區(qū)，當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)楦咴箨懶詺夂颍?jīng)常出現(xiàn)沙塵暴、揚(yáng)塵和浮塵等天氣。根據(jù)1961～2010年青海省多地區(qū)沙塵天氣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示[5]，格爾木的常年風(fēng)力在4～5級(jí)之間，4級(jí)和風(fēng)的風(fēng)速為5.5～7.9 m/s，足以吹起地表灰塵與紙張。同時(shí)，數(shù)據(jù)還顯示，格爾木地區(qū)的沙塵暴和浮塵天氣的發(fā)生次數(shù)與降塵量均明顯高于共和、同仁(海東區(qū))等地區(qū)。由于格爾木荒漠地區(qū)光伏電站組件的表面積塵成分與該地區(qū)地表沙塵成分具有一致性，且積塵粒徑趨于細(xì)顆粒灰塵的均勻分布，因此可以推斷，格爾木荒漠地區(qū)光伏電站組件表面積塵的主要來(lái)源為當(dāng)?shù)氐乇砩硥m與大氣降塵中的細(xì)顆粒灰塵。

2.2 細(xì)顆粒灰塵吸附原因

光伏組件玻璃的主要成分包括SiO2、純堿、石灰石、白云石、硝酸鈉、芒硝、焦銻酸鈉、氫氧化鋁等，其中含有的陽(yáng)離子較小且具有很高的場(chǎng)強(qiáng)(如Na+)。當(dāng)玻璃表面的陽(yáng)離子周圍所圍繞的氧離子數(shù)目無(wú)法達(dá)到平衡要求，就會(huì)形成表面張力、摩擦力及表面吸濕性，使玻璃表面具有較大活潑性。

Hard等[6]在硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的堿離子通道模型基礎(chǔ)上，提出玻璃表面吸附的水分子中的H+會(huì)與玻璃本體中的堿離子(如Na+)發(fā)生交換，形成Si-OH基團(tuán)。當(dāng)玻璃表面通道由比較弱的氫鍵連接時(shí)，其表面區(qū)域鍵能會(huì)降低，容易形成表面缺陷，同時(shí)也更利于表面離子的相互擴(kuò)散。當(dāng)玻璃表面具有較大活潑性和表面缺陷時(shí)，其表面很容易吸附空氣中的細(xì)顆?；覊m。

2.3 影響積塵的因素

光伏組件表面積塵成因復(fù)雜且受多種因素影響，如圖4所示，僅改善單一因素很難達(dá)到大幅降低積塵的效果。

圖4 影響光伏組件表面積塵的因素

3 積塵對(duì)光伏組件的影響及清潔技術(shù)

3.1 積塵對(duì)光伏組件的影響

積塵對(duì)光伏組件有諸多不利的影響，主要體現(xiàn)在以下幾方面。1)積塵附著于光伏組件表面可降低玻璃的透光率，從而降低組件的發(fā)電量。2)長(zhǎng)期的、大量的積塵可改變光伏組件的傳熱方式，甚至引發(fā)組件的熱斑效應(yīng)，影響電站的運(yùn)行安全。3)積塵還會(huì)對(duì)玻璃表面產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)。玻璃表面存在Ca2+、Na+、K+等堿性離子，會(huì)在空氣中CO2等氣體的作用下與水氣中的H+發(fā)生交換作用，生成Na2CO3、K2CO3等堿性物質(zhì)，從而腐蝕玻璃表面[7]。隨著腐蝕效應(yīng)的進(jìn)行，堿性物質(zhì)在玻璃表面聚集的濃度會(huì)越來(lái)越高，PH值也越來(lái)越大，從而進(jìn)一步促進(jìn)玻璃表面的腐蝕。

對(duì)格爾木荒漠地區(qū)光伏電站中組件表面積塵的樣本進(jìn)行分析可知，樣本中含有大量Ca2+、Na+、K+離子，這些積塵無(wú)疑會(huì)加速光伏組件表面的腐蝕，使本來(lái)光滑的玻璃表面形成許多細(xì)小凹面，增加粗糙度。當(dāng)太陽(yáng)光入射時(shí)，被腐蝕的小凹面會(huì)對(duì)太陽(yáng)入射光線形成漫反射，使照射到玻璃表面的光反射增加，入射至玻璃內(nèi)部的折射光減少，進(jìn)一步減少了入射光在組件中的吸收與傳播，從而降低了光伏組件的發(fā)電效率。

3.2 常規(guī)清潔技術(shù)

定期清潔光伏組件可以緩解積塵對(duì)其造成的諸多不利影響，但荒漠地區(qū)因受地理環(huán)境、水資源等條件限制，采用常規(guī)的人工擦拭與高壓水射流結(jié)合的清潔方式仍存在較多弊端。對(duì)于常規(guī)清潔方式而言，若擦拭工具選用不當(dāng)、操作不規(guī)范等會(huì)造成光伏組件的玻璃表面磨損、電池隱裂等。此外，通過(guò)對(duì)格爾木荒漠地區(qū)光伏電站清潔用水的取樣進(jìn)行分析可知，當(dāng)?shù)厮|(zhì)的PH值為8.4，總硬度(CaCO3)為29.6 GPG，已遠(yuǎn)超出美國(guó)水質(zhì)量協(xié)會(huì)(WQA)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于極硬水(14.0 GPG)的規(guī)定。因此，使用此類具有堿性的極硬水來(lái)清潔光伏組件的表面積塵，會(huì)對(duì)玻璃表面造成二次污染，形成以碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽為主要成分的鹽堿垢；而且二次污染的殘留物質(zhì)很容易板結(jié)于玻璃表面，進(jìn)一步加快玻璃表面的腐蝕，增加光伏組件的清潔難度。

3.3 自清潔技術(shù)

1805年，Young通過(guò)對(duì)物質(zhì)表面親水、疏水性進(jìn)行研究，提出了建立于光滑固體表面模型的楊氏方程[8]，為：

式中，λsv為固體表面在飽和蒸氣壓下的表面張力；λsl為液體在其自身飽和蒸氣壓下的表面張力；λlv為固液間界面張力；θ為氣、固、液3項(xiàng)達(dá)到平衡時(shí)的接觸角。當(dāng)θ＞90°時(shí)，固體表面會(huì)表現(xiàn)出疏水性；當(dāng)θ＜90°時(shí)，固體表面會(huì)表現(xiàn)出親水性，如圖5a所示。

隨后，文策爾和卡西·巴克斯特分別提出了建立于粗糙固體表面的全潤(rùn)濕模型與空氣墊模型[9-10]，如圖5b所示。他們推導(dǎo)出大粗糙度和細(xì)針狀表面形貌的存在會(huì)減小固體表面能，使水滴與薄膜接觸面積變小，從而提高接觸角；當(dāng)θ＞150°時(shí)，固體表面表現(xiàn)出超疏水性，通過(guò)膜層表面結(jié)構(gòu)使水滴極易從固體表面滾落，滾動(dòng)同時(shí)帶走污染物質(zhì)，即俗稱的“荷葉效應(yīng)”。1995年，TOTO公司偶然發(fā)現(xiàn)TiO2表面具有親水性，將SiO2和TiO2摻雜后的涂層表現(xiàn)出超親水性(θ＜5°)，當(dāng)水滴與固體表面接觸后均勻鋪展形成水膜，如圖5c所示，將污染物和涂層表面隔離開，在風(fēng)或重力等外力作用下污染物自動(dòng)脫落，達(dá)到良好的自清潔效果。

圖5 表面自清潔模型

光伏組件玻璃應(yīng)采用自清潔防塵技術(shù)，以減少灰塵顆粒與玻璃表面的接觸面積，從而降低粘連。此項(xiàng)技術(shù)適用于顆粒度較小且干燥的灰塵，因此，較適用于荒漠及半荒漠地區(qū)光伏組件表面細(xì)顆粒積塵的清潔。

4 自清潔光伏組件

4.1 降雨清潔對(duì)比

分別將采用自清潔防塵技術(shù)和減反射技術(shù)的光伏玻璃進(jìn)行組件封裝后，同時(shí)置于戶外同一區(qū)域，觀察表面積塵經(jīng)雨水清潔后的效果對(duì)比。降雨時(shí)，減反射光伏玻璃表面存在大片積水漬，如圖6a所示；且玻璃表面的灰塵浸潤(rùn)不充分，仍大片粘連于玻璃表面，難以靠雨水清潔干凈。而在自清潔防塵光伏玻璃表面，雨水均勻鋪展如鏡面一樣，無(wú)肉眼可見的灰塵粘連，如圖6b所示。

圖6 降雨時(shí)不同光伏玻璃的表面對(duì)比

4.2 組件功率對(duì)比

減反射技術(shù)可使普通光伏玻璃的透光率提升約2.3%，自清潔防塵技術(shù)可使透光率提升約2.2%，因此，二者具有基本一致的增透效果，如圖7所示。在相同條件下，分別采用減反射光伏玻璃和自清潔防塵光伏玻璃進(jìn)行組件封裝，所封裝組件的平均功率及封裝損耗差異不大，具體如表2所示。

圖7 不同鍍膜技術(shù)的透光率對(duì)比

表2 組件功率對(duì)比

4.3 電站發(fā)電量及清潔費(fèi)用對(duì)比

以格爾木地區(qū)某光伏電站為例，其相鄰的1#、2#子陣中分別采用了減反射光伏組件和自清潔防塵光伏組件，2個(gè)子陣在1年內(nèi)的發(fā)電量數(shù)據(jù)如圖8所示，自清潔防塵光伏組件的每MW發(fā)電量比減反射光伏組件提升約2%。

圖8 2個(gè)子陣1年內(nèi)的發(fā)電量數(shù)據(jù)

荒漠及半荒漠地區(qū)的普通光伏電站的清潔頻次一般為每月1次。采用自清潔防塵光伏組件后，清潔頻次預(yù)計(jì)減少1/3～1/2，按照清潔費(fèi)用4000～5000元/MW計(jì)算，10 MW規(guī)模的光伏電站每年可節(jié)約清潔費(fèi)用約16～30萬(wàn)元。

5 結(jié)論

本文針對(duì)荒漠及半荒漠地區(qū)的光伏組件表面積塵及清潔技術(shù)進(jìn)行了研究，以格爾木的荒漠地區(qū)為例，對(duì)不同時(shí)期安裝的光伏組件表面積塵進(jìn)行取樣，通過(guò)XRD及SEM分析積塵的物理特性與化學(xué)特性，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)與組件清潔用水的水質(zhì)檢測(cè)，提出光伏組件自清潔防塵技術(shù)在荒漠地區(qū)應(yīng)用的必要性，并通過(guò)自清潔防塵光伏組件的戶外實(shí)證與數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)?shù)毓夥娬窘M件的表面積塵主要來(lái)源于該地區(qū)地表沙塵，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)，積塵更趨于小顆粒灰塵的均勻分布，灰塵顆粒具有鹽堿化特性。

2)當(dāng)?shù)毓夥娬厩鍧嵱盟哂杏不?堿化性質(zhì)，若采用常規(guī)清潔方式會(huì)進(jìn)一步 促進(jìn)組件表面的腐蝕損傷。

3)采用高透光率的自清潔防塵光伏玻璃，可在保證光伏組件出廠功率的基礎(chǔ)上提高光伏電站組件的清潔效率，降低清潔成本并提升發(fā)電量。