晶體硅光伏組件用AR玻璃在典型氣候環(huán)境下的透射比衰減機理實證分析

李孟蕾 ，楊 帆 ，胡曉陽 ，張可佳

(1. 國家太陽能光伏(電)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100024；2. 中國建材檢驗認(rèn)證集團股份有限公司，北京 100024)

0 引言

光伏組件在戶外環(huán)境使用時的實際發(fā)電量已成為政府、投資方、光伏電站業(yè)主及光伏組件生產(chǎn)企業(yè)衡量光伏電站質(zhì)量及組件性能的重要參考依據(jù)，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，因此，對影響光伏電站實際發(fā)電量的損耗因素進行研究具有重要意義。

在眾多影響因素中，光伏組件表面的積塵對光伏組件實際發(fā)電量的影響尤其不容忽視，然而由于各地區(qū)的氣候環(huán)境不同，所得到的研究結(jié)果也存在差異。比如，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，積塵對光伏電站造成的年均發(fā)電效率損失高達6%[1]；在赤道地區(qū)，組件表面積塵可降低組件的輸出功率，最高降幅可達18%[2]；在干燥少雨地區(qū)，由積塵引起的組件輸出功率的年損失可達15%[3]；組件表面灰塵導(dǎo)致組件接收的太陽輻照量的日均衰減約為4.4%[4]。在現(xiàn)有研究中，針對中國典型氣候環(huán)境下由積塵引起的光伏電站發(fā)電量損耗的探討較少；同時，所得到的研究成果也未能給我國濕熱環(huán)境、溫和氣候下城市環(huán)境，以及干熱砂塵環(huán)境中光伏電站的建設(shè)與運維提供有效的參考和指導(dǎo)。

基于此，本文采集、整理、分析了濕熱環(huán)境、溫和氣候下城市環(huán)境，以及干熱砂塵環(huán)境3種中國光伏產(chǎn)品應(yīng)用的典型氣候環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，通過戶外老化試驗，對導(dǎo)致在這3種典型氣候環(huán)境中應(yīng)用的晶體硅光伏組件用AR玻璃的太陽光有效透射比(下文簡稱“透射比”)衰減的關(guān)鍵因子進行了梳理，并確定了不同典型氣候環(huán)境中AR玻璃的透射比衰減機理。

1 戶外老化試驗過程簡述

1.1 曬場的選址

本次戶外老化試驗的曬場分別選擇海南省定安縣、北京市、新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市3個地區(qū)作為中國典型氣候環(huán)境—— 濕熱環(huán)境、溫和氣候下城市環(huán)境，以及干熱砂塵環(huán)境的代表(下文簡稱“定安曬場”“北京曬場”“吐魯番曬場”)，試驗地點如圖1所示。同時，采集并監(jiān)控3個曬場的溫度、相對濕度、日照時數(shù)、太陽輻照量、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)。3個曬場的具體信息如表1所示。

圖1 試驗地點Fig. 1 Test sites

表1 3個曬場的信息表Table 1 Information of three demonstration sites

1.2 樣品的制備

晶體硅光伏組件用AR玻璃是通過在超白壓花玻璃表面涂覆膜層來降低玻璃表面的反射率，以提高太陽光透過率，使盡可能多的光線到達電池表面，從而可有效提高光伏組件的輸出功率。

本次研究收集了3種型號(下文分別簡稱為“1#”“2#”“3#”)的 AR 玻璃樣品，規(guī)格均為300 mm×300 mm×3.2 mm，每種型號各12塊，共計36塊。從2015年7月開始進行戶外老化試驗，老化周期分別為3個月、6個月、9個月和12個月。在3個曬場分別投放12塊樣品，其中每種型號各投放4塊，然后每隔3個月從各曬場取回不同型號的樣品各1塊進行測試。定安、北京、吐魯番這3個曬場中樣品的安裝角度分別為15°、37°和 42°。

為了模擬AR玻璃的真實使用情況，減少由于環(huán)境因素引起的非鍍膜面的腐蝕，在制備樣品時將AR玻璃非鍍膜面用密封膠封裝在相同尺寸的平板玻璃上制成雙層樣品，如圖2a所示；并放入定量的分子篩防止水汽滲入。在戶外老化試驗過程中，將鍍膜面朝向太陽光入射的方向放置，如圖2b所示。

圖2 樣品示意圖Fig. 2 Sample diagram

1.3 試驗項目

本次研究的試驗項目包括：依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2170-2013《太陽能光伏組件用減反射膜玻璃》，在清洗前、后對定期老化后的樣品分別進行380 ～1100 nm波段的透射比測試；對樣品表面附著的固體沉積物進行化學(xué)成分全分析；使用光學(xué)顯微鏡測量樣品表面的積塵粒度；通過對水接觸角試驗測試樣品膜層的親、疏水性能；使用掃描電鏡對老化試驗前、后樣品的膜層厚度進行測量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 氣象數(shù)據(jù)分析

本試驗選定的3個曬場的氣候環(huán)境特征具體為：

1)濕熱環(huán)境的特征：全年高溫、高濕、無風(fēng)或少風(fēng)；最冷月平均氣溫在15 ℃以上，氣溫年較差小，一般為1～6 ℃；年降水量在1000 mm以上，且降水量大于蒸發(fā)量；年平均相對濕度在60%以上。

2)溫和氣候下城市環(huán)境的特征：春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季涼爽、冬季寒冷干燥，四季分明；年均氣溫為8～15 ℃；年均降水量約為500 mm。

3)干熱砂塵環(huán)境的特征：全年高溫、干燥、無雨或少雨、少云、多風(fēng)沙；最冷月平均氣溫在15 ℃以上，氣溫日較差大，可達35 ℃以上；年均降水量在400 mm以下，且降水量小于蒸發(fā)量。

由于本次老化試驗分為4個周期進行，因此對3個曬場的氣象數(shù)據(jù)的分析也分為4個階段，即：8～10月為第1階段，11月～次年1月為第2階段，2～4月為第3階段，5～7月為第4階段。采集了3個曬場在2015年8月～2016年7月的氣象數(shù)據(jù)，具體如表2所示，3個曬場的平均風(fēng)速和平均相對濕度曲線分別如圖3、圖4所示。

表2 3個曬場的氣象數(shù)據(jù)表Table 2 Meteorological data of three demonstration sites

圖3 3個曬場的平均風(fēng)速Fig. 3 Average wind velocity of three demonstration sites

圖4 3個曬場的平均相對濕度Fig. 4 Average relative humidity of three demonstration sites

2.2 AR玻璃的透射比分析

以往的研究顯示，單層減反射鍍膜通常能夠使寬光譜范圍內(nèi)的玻璃的太陽光透過率增加3%以上，達到93%以上，使組件的輸出功率提高2%[5]。本次測試的36塊AR玻璃樣品在老化試驗前的初始透射比值均在93.5%～94.0%之間，印證了上述觀點。36塊樣品的初始透射比如表3、圖5所示。

表3 樣品的初始透射比Table 3 Initial transmittance of the samples

由于1#、3#樣品AR玻璃的膜層為親水型，2#樣品AR玻璃的膜層為疏水型，因此，僅對1#、3#樣品進行對水接觸角測試，5個測試點為隨機選取。測試結(jié)果如表4、圖6所示。

圖5 老化試驗前樣品的初始透射比Fig. 5 Initial transmittance of the samples before aging test

表4 對水接觸角測試結(jié)果Table 4 Test results of water contact angle[ 單位：(° )]

圖6 2種樣品的對水接觸角Fig. 6 Water contact angle of two kinds of sample

從表4、圖6中可以看出，由于1#和3#樣品AR玻璃的膜層屬于親水型膜層，其特點是污染物質(zhì)在膜層表面易聚結(jié)，而通過清洗，聚結(jié)物很容易從膜層表面脫離。

樣品在3個曬場經(jīng)受定期老化試驗后，外觀均發(fā)生了不同程度的變化，具體為：

1)老化3個月后，3個曬場的樣品外觀與初始安裝時相比，均無明顯變化。

2)對于北京曬場而言，老化6個月后，樣品表面附著的積塵最多，如圖7所示；而老化9個月、12個月后，樣品表面附著物越來越少；到老化12個月時，樣品表面已經(jīng)收集不到塵土樣品，如圖8所示。

通過分析認(rèn)為，由于從第2個老化周期開始(11月)，北京進入了冬、春季多風(fēng)期(見圖3)，而第3個老化周期是北京的雨季，這些氣候因素可使附著在樣品表面的積塵得到有效清理。

圖7 老化6個月后3個曬場內(nèi)樣品的外觀Fig. 7 Appearance of samples on three demonstration sites after six months aging test

圖8 老化12個月后3個曬場中樣品的外觀Fig. 8 Appearance of samples on three demonstration sites after twelve months aging test

3)對于定安曬場來說，老化6個月時，樣品表面形成大量苔蘚狀微生物，如圖9所示；隨著老化時間的增加，這種微生物的數(shù)量也呈現(xiàn)增加的趨勢。造成這一現(xiàn)象的原因是從2月開始，定安地區(qū)的溫度開始回升，濕度增加，形成了利于苔蘚類植物生長的環(huán)境，而雨水并不能有效地將樣品表面的微生物沖刷掉。

圖9 老化9個月后定安曬場內(nèi)樣品的外觀Fig. 9 Appearance of samples after nine months aging test in Dingan

4)對于吐魯番曬場而言，老化6個月后，樣品的表面附著少量砂塵，如圖10a所示。老化9個月后，樣品表面出現(xiàn)雨水蒸發(fā)后留下的泥土印跡，如圖10b所示，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為吐魯番地區(qū)全年降水量較少且氣候干燥(見圖4)，當(dāng)雨水降落在樣品表面時，來不及流到樣品底部就已經(jīng)蒸發(fā)，因此在全年無充沛雨水沖洗的情況下，吐魯番曬場內(nèi)的樣品表面附著的灰塵會越積越多。

圖10 老化試驗后吐魯番曬場內(nèi)樣品的外觀Fig. 10 Appearance of samples after aging test in Turpan

5) 3個曬場的所有樣品在清洗后均未出現(xiàn)膜層脫落、剝離或起皺等現(xiàn)象。

通過測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過老化試驗后，未清洗樣品的透射比衰減程度與其外觀變化之間存在一定關(guān)系，即樣品表面的積塵越多，透射比衰減越嚴(yán)重。

在濕熱環(huán)境、溫和氣候下城市環(huán)境及干熱砂塵環(huán)境中，老化6個月后的未清洗樣品的透射比衰減率分別為7.3%～24.4%、24.2%～28.5%、4.4%～5.6%，尤其是在可見光部分，樣品的透射比發(fā)生了顯著衰減；其中，北京曬場的樣品的透射比衰減最為明顯。老化6個月后，3個曬場中未清洗樣品的透射比衰減率如圖11所示。

圖11 老化6個月后3個曬場中未清洗樣品的透射比衰減率Fig. 11 Transmittance attenuation without cleaning of samples on three demonstration sites after six months aging test

老化9個月后，3個曬場中未清洗樣品的透射比衰減率分別為31.3%～41.2%、6.7%～8.5%、8.6%～12.9%；其中，定安曬場的樣品的透射比衰減最為顯著，具體如圖12所示。

北京曬場的樣品經(jīng)過8月～次年1月這2個老化周期以后，未清洗樣品的透射比衰減劇烈，老化6個月后3種型號的樣品的透射比衰減均超過20%。不同老化周期后北京曬場內(nèi)未清洗樣品的透射比衰減情況如圖13所示。值得注意的是，第2個老化周期的時間與北京地區(qū)霧霾多發(fā)期的時間重合。

圖12 老化9個月后3個曬場中未清洗樣品的透射比衰減率Fig. 12 Transmittance attenuation without cleaning of samples on three demonstration sites after nine months aging test

圖13 老化試驗后北京曬場內(nèi)未清洗樣品的透射比衰減率Fig. 13 Transmittance attenuation without cleaning of samples after aging test in Beijing

吐魯番曬場的樣品在老化9個月后與前2個老化周期相比，透射比衰減最嚴(yán)重，所有未清洗樣品的透射比衰減率都達到了8%以上，如圖14所示。造成這一現(xiàn)象的原因在于第3個老化周期時吐魯番地區(qū)剛好進入風(fēng)力強勁的春季。

圖14 老化試驗后吐魯番曬場內(nèi)未清洗樣品的透射比衰減率Fig. 14 Transmittance attenuation without cleaning of samples after aging test in Turpan

老化3個月后，定安、北京、吐魯番曬場的清洗后樣品的透射比衰減率分別為0.3%～0.5%、0.2%～0.3%、0.1%～0.5%，均未超過1%；老化6個月后，3個曬場的清洗后樣品的透射比衰減率分別為0.1%～0.5%、1.1%～1.4%、0.5%～0.6%；老化9個月后，3個曬場的清洗后樣品的透射比衰減率分別為0.1%～0.8%、0.4%～1.4%、0.5%～0.6%。

老化6個月后3個曬場樣品清洗前、后的透射比衰減率的變化情況如圖15所示，老化9個月后3個曬場樣品清洗前、后的透射比衰減率的變化情況如圖16所示。

對比3個曬場的樣品清洗前、后的透射比衰減率的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，老化6個月后，北京曬場的樣品清洗前、后的透射比衰減率的變化最為明顯；老化9個月后，定安曬場的樣品清洗前、后的透射比衰減率的變化最為明顯。

圖16 老化9個月后3個曬場樣品清洗前、后的透射比衰減率的變化情況Fig. 16 Change of transmittance attenuation rate before and after cleaning of samples on three demonstration sites after nine months aging test

但是在北京曬場中，老化6個月后的3塊樣品清洗后的透射比衰減率均超過了1%，老化9個月后也有2塊樣品清洗后的透射比衰減率超過了1%；而在定安曬場中，老化6個月、9個月后有4塊樣品清洗后的透射比衰減率小于等于0.4%，1塊為0.5%，1塊為0.8%。由此可以認(rèn)為，在溫和氣候下城市環(huán)境中，AR玻璃的膜層可能會被腐蝕。

2.3 表面積塵化學(xué)成分全分析

基于上文判斷結(jié)果，分別采集3個曬場中引起透射比顯著衰減的典型老化周期后樣品的表面固體沉積物進行化學(xué)成分全分析，包括：老化12個月后定安曬場的樣品表面積塵、老化6個月后北京曬場的樣品表面積塵和老化12個月后吐魯番曬場的樣品表面積塵。

上述3類樣品表面積塵的化學(xué)成分分析如表5所示，粉塵附著物化學(xué)成分比較圖如圖17所示。其中，老化12個月后的定安曬場和吐魯番曬場的樣品表面的粉塵附著物化學(xué)成分比較圖如圖18所示。

數(shù)據(jù)來源：國家建材測試中心

表5 樣品表面積塵的化學(xué)成分分析Table 5 Chemical composition analysis of dust on sample surface

圖17 樣品表面的粉塵附著物化學(xué)成分比較圖Fig. 17 Comparison of chemical composition of dust deposits on sample surface

圖18 老化12個月后3個曬場內(nèi)樣品表面的粉塵附著物化學(xué)成分對比值Fig. 18 Chemical composition ratio of dust deposits on sample surface in three demonstration sites after twelve months aging test

定安、北京和吐魯番3個曬場的樣品表面積塵的基本碎屑物質(zhì)為粘土礦物粉塵，粉塵粒度為1～10 μm，如圖19～圖20所示；且附著在樣品表面的塵土粒徑小于集灰器內(nèi)沉積物的粒徑，粘土礦物化學(xué)成分存在明顯差異。

從表5及圖17～圖18可以看出，3個曬場的樣品表面積塵的基本化學(xué)成分中，Al2O3、ZrO2、Cr2O3的含量接近；北京和吐魯番曬場樣品表面積塵的化學(xué)成分中，TiO2和NiO的含量較定安曬場樣品表面積塵的略低；北京曬場樣品表面積塵的 Fe2O3、Na2O、K2O、BaO、SrO、MnO、P2O5的含量較定安曬場樣品表面積塵的略高，北京與吐魯番曬場樣品表面積塵的CaO和MgO的含量明顯高于定安曬場樣品表面積塵的，而北京曬場樣品表面積塵的SO3的含量遠(yuǎn)高于定安和吐魯番曬場樣品表面積塵的。

圖19 3個曬場中樣品表面的灰塵顆粒微觀形貌Fig. 19 Microscopic morphology of dust particles on sample surface in three demonstration sites

圖20 吐魯番曬場集灰器內(nèi)的灰塵顆粒微觀形貌Fig. 20 Microscopic morphology of dust particles in dust collector in Turpan

分析3個曬場樣品表面積塵的化學(xué)成分含量不同的原因，可歸納為以下2點：

1)物質(zhì)成分不同，北京地區(qū)的粉塵主要來自西北黃土高原及內(nèi)蒙古草原區(qū)。上述地區(qū)是重要煤炭產(chǎn)區(qū)，礦區(qū)粉塵被風(fēng)吹到北京地區(qū)，導(dǎo)致粉塵中SO3、Fe2O3、CaO、MgO等成分的含量升高。

2)華北地區(qū)是重要工業(yè)經(jīng)濟區(qū)，城市能源消耗和建筑業(yè)所消耗的材料導(dǎo)致空氣粉塵成分中的CaO、MgO、SO3、Fe2O3含量增高。城市建筑用水泥的成分是CaO與泥質(zhì)成分，水泥固結(jié)要吸收CO2變成CaCO3，因此可降低城市大氣中CO2的含量。因此，推測北京和吐魯番地區(qū)樣品表面積塵中C的含量較低可能是由于建筑工地開工過多造成的。

對老化12個月后，3個曬場的1#樣品的膜層進行電鏡微觀樣貌掃描，如圖21～圖23所示；然后結(jié)合AR玻璃透射比衰減數(shù)據(jù)進行分析。

圖21 老化12個月后北京曬場的1#樣品的膜層表面鏡像和斷面鏡像Fig. 21 Image of AR film surface and cross-section of 1#sample after twelve months aging test in Beijing

圖22 老化12個月后定安曬場的1#樣品的膜層表面鏡像和斷面鏡像Fig. 22 Image of AR film surface and cross-section of 1#sample after twelve months aging test in Dingan

圖23 老化12個月后吐魯番曬場的1#樣品的膜層表面鏡像和斷面鏡像Fig. 23 Image of AR film surface and cross-section of 1#sample after twelve months aging test in Turpan

通過圖21～圖23中膜層表面鏡像可以看出，微生物等成分的沉積物在使用水清洗后，AR玻璃的透射比可以得到顯著恢復(fù)；但是在使用水清洗時，大量含S的附著物會與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成酸，可能會腐蝕膜層，造成永久性損傷。干熱砂塵環(huán)境中樣品的膜層磨損以物理磨蝕為主，且其磨損情況較溫和氣候下城市環(huán)境中樣品的膜層磨損情況更為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文以定安、北京和吐魯番3個地區(qū)作為中國濕熱環(huán)境、溫和氣候下城市環(huán)境及干熱砂塵環(huán)境的典型應(yīng)用實證曬場，分別對晶體硅光伏組件用AR玻璃分階段進行了總周期為12個月的戶外老化試驗，分析了不同老化周期后樣品的透射比衰減數(shù)據(jù)、表面積塵化學(xué)成分，以及樣品膜層的親、疏水性能等。研究結(jié)果表明：

1)氣候的季節(jié)性變化會影響空氣中的固體顆粒物濃度，尤其是溫和氣候下城市環(huán)境中冬季出現(xiàn)的霧霾天氣、干熱砂塵環(huán)境中春季的大風(fēng)天氣，都會使應(yīng)用在該氣候環(huán)境下的光伏組件表面積塵量增多，直接減少了太陽光透過率。本次研究發(fā)現(xiàn)，濕熱環(huán)境下，老化9個月后未清洗的AR玻璃表面積塵引起的透射比衰減率高達41.2%，因此，建議根據(jù)組件實際使用的氣候環(huán)境調(diào)整組件的清洗周期。

2)在風(fēng)、雨等氣候因素作用下，積塵會磨蝕AR玻璃的膜層，而不同氣候環(huán)境中使用的AR玻璃膜層的磨蝕機理不同。比如，積塵中的S成分在一定條件下會腐蝕膜層，多風(fēng)沙區(qū)域樣品的膜層磨損以物理磨蝕為主。因此，在不同氣候環(huán)境中運行的光伏電站應(yīng)采用不同的維護清洗方式，如用水清洗或用風(fēng)機吹塵。

需要注意的是，當(dāng)前光伏組件普遍采用表面織構(gòu)化(壓花)的玻璃以減少反射，壓花深度越深，減反射效果越好。但是壓花越深的玻璃表面越容易積灰，使透射比衰減變大。因此，在AR玻璃的壓花工藝中，要充分考慮積灰對太陽光透過率的影響。積灰對太陽光透過率的影響與太陽光入射角有關(guān)。本研究中的AR玻璃太陽光透過率測試采用的光源是垂直入射，而在光伏組件的實際工作條件下，太陽光是斜射透過玻璃的。因此，在實際應(yīng)用中，光伏玻璃的太陽光透過率和發(fā)電量損失會小于本文的測試值。