光伏板在波浪滑翔器中的應(yīng)用

木建一 李培正 朱 坤 張憲丞 王煒皋

（中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

波浪滑翔器是一種新型海上無(wú)人航行器，它主要分為水面艇體和水下波浪能推進(jìn)器2 個(gè)部分，中間靠臍帶纜連接。它的動(dòng)力來(lái)源是波浪能，水面艇體在波浪起伏時(shí)帶動(dòng)水下波浪能推進(jìn)器上下運(yùn)動(dòng)，水下波浪能上下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)分量，最終拖動(dòng)水面艇體前進(jìn)。波浪滑翔器的電力來(lái)源是太陽(yáng)能，在水面艇體上安裝了光伏板，艇上攜帶有充電電池，光照好的情況下光伏板為蓄電池充電，在陰雨天或夜晚無(wú)光的情況下蓄電池為艇上設(shè)備提供電力。

1 波浪滑翔器上光伏板使用環(huán)境

為了最大限度地利用波浪能，波浪滑翔器的體積尺寸會(huì)受到限制，其長(zhǎng)度一般控制在2 m～3 m，高度幾乎和海面齊平。圖1 為某公司自行研制的波浪滑翔器在海試時(shí)的照片，從圖中可以看出，即使在海況較好的情況下，波浪滑翔器上的光伏板也會(huì)不可避免地接觸海水。

圖1 海面上的波浪滑翔器

波浪滑翔器執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)1 a，需要承受8級(jí)海況，由于波浪滑翔器的體積小，當(dāng)海況較差時(shí)就會(huì)淹沒(méi)在水中。圖2 為國(guó)外波浪滑翔器在海況較差時(shí)淹沒(méi)在水下，由圖2 可知，光伏板有可能會(huì)浸沒(méi)在較深的海水里。因此,田應(yīng)元等研究人員指出波浪滑翔器的研制不僅要考慮其性能參數(shù)，還需要結(jié)合實(shí)際海洋環(huán)境，解決高海況、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等一系列實(shí)際工程上的難題[1]。

圖2 惡劣海況時(shí)光伏板浸沒(méi)在水下

中電科（寧波）海洋電子研究院作為國(guó)內(nèi)較早研制波浪滑翔器的單位之一，在項(xiàng)目初期對(duì)在波浪滑翔器上應(yīng)用普通光伏板有較大擔(dān)憂，主要有以下3 個(gè)問(wèn)題：1）由于波浪滑翔器緊貼海面，光伏板經(jīng)常會(huì)浸沒(méi)在海水中，當(dāng)光伏板浸沒(méi)在海水中時(shí)，太陽(yáng)光將被水層阻擋吸收，水層的存在是否會(huì)大幅降低光伏板的發(fā)電效率？2）一般光伏板是由前板玻璃、熱熔膠薄膜、電池和背板組成，如圖3 所示[2]，長(zhǎng)時(shí)間的海水浸泡是否會(huì)引起玻璃、光伏電池以及背板的分離脫落？3）海水是否會(huì)腐蝕背板，從而導(dǎo)致光伏板失效？

圖3 光伏板模型示意圖

針對(duì)以上3 個(gè)問(wèn)題，課題組咨詢(xún)了多家光伏板生產(chǎn)廠家和研發(fā)單位，得到的信息如下：1）普通光伏板可以保證在暴雨、風(fēng)雪甚至不嚴(yán)重的冰雹等惡劣天氣下不被損壞，但是完全浸沒(méi)水中是否會(huì)被損壞則無(wú)法保證。2）玻璃層、光伏層和背板層為黏膠粘接，雖然可以進(jìn)行短時(shí)間沖淋，但無(wú)法保證經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間浸泡尤其是海水浸泡后相關(guān)器件依然粘接牢固。3）一般背板為PET 材料，雖然PET 具有一定的耐腐蝕性，但未進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的耐海水腐蝕試驗(yàn)。

2 表面水層對(duì)光伏板發(fā)電效率的影響

一般光伏板是在空氣中使用，雖然大雨天氣會(huì)使光伏板表面出現(xiàn)水膜，但此時(shí)光伏板基本不發(fā)電，因此不涉及水膜對(duì)發(fā)電效率的影響。水膜對(duì)光伏板影響的研究基本上是從冷卻角度出發(fā)的，梁寧文等人在對(duì)光伏板的冷卻技術(shù)的研究總結(jié)中介紹了水膜冷卻。Krauter 首次研究了表面水膜冷卻對(duì)光伏板性能的影響。如圖4 所示[3]，圖中使用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)光伏板進(jìn)行水膜冷卻；研究表明，在水流及周?chē)諝獾睦鋮s作用下，光伏板最高溫降可達(dá)22 ℃，全天輸出功率可提升 10.3%。ODEH 等人指出采用表面水膜冷卻技術(shù)可以讓系統(tǒng)的輸出功率增加4%～10%，其中一半的能效提升歸因于水與光伏板之間的對(duì)流換熱，另一部分是由于太陽(yáng)光在水膜中發(fā)生折射，增加了硅電池表面太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度[2]?？紤]水膜厚度對(duì)太陽(yáng)光透射的影響，陳劍波等人研究了太陽(yáng)能光伏（SPV）系統(tǒng)的表面水降溫；研究表明，水的最佳噴淋流量為 0.9 m3/h（水膜厚度為 1.1 mm）時(shí)，水膜降溫和透光效果最佳[3]。

圖4 光伏板表面不同厚度水膜冷卻試驗(yàn)

以上研究主要集中在水膜對(duì)光伏板的冷卻效果，水膜厚度極薄，但是波浪滑翔器在海況較差的時(shí)候光伏板上可能覆蓋較厚的水層（水層的厚度可能為幾毫米到幾厘米）；因此課題組針對(duì)水層較厚時(shí)光伏板的發(fā)電效率進(jìn)行了簡(jiǎn)單試驗(yàn)，并通過(guò)查找相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行論證。由于波浪滑翔器在航行時(shí)光伏板上的水層厚度不均勻且海水渾濁程度不同，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，僅測(cè)試透明均勻水層對(duì)光伏板的影響。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了太陽(yáng)能光伏板在空氣中、在水面下1 cm 以及在水面下2 cm 時(shí)的發(fā)電功率。測(cè)試用水由自來(lái)水加海水鹽調(diào)制而成，濃度為3%。試驗(yàn)如圖5 所示。

圖5 光伏板在水面下的發(fā)電功率測(cè)試

圖中光伏板標(biāo)稱(chēng)功率為50 W，標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為24 V，電子載荷型號(hào)為BF8511，電子載荷設(shè)置為固定電阻100 Ω。當(dāng)日天氣晴朗無(wú)云，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 中可知，清澈的水層即使厚度偏大（2 cm 左右）也不會(huì)對(duì)光伏板的發(fā)電效率造成較大的影響。

表1 光伏板在空氣中和水面下的發(fā)電效率

事實(shí)上，從表1 中可以看出，光伏板d 水面下的效率還略高于在空氣中的效率，該現(xiàn)象與一些研究人員提出的水膜降溫可以提升發(fā)電效率的理論一致。溫度對(duì)晶體硅光伏板發(fā)電效率的影響很大，溫度上升將導(dǎo)致效率降低。秦紅等人指出晶體硅光伏板在溫度為50 ℃和80 ℃的情況下比在溫度為25 ℃的效率要下降12.8%和27.8%，因此理論上在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的中午應(yīng)該達(dá)到最大功率的光伏板由于工作溫度上升，其實(shí)際上輸出電能不升反降[4]。而課題組成員7 月份在寧波地區(qū)（中午時(shí)間段）測(cè)得波浪滑翔器在地面時(shí)，光伏板表面溫度可達(dá)78 ℃。

雖然直接研究光伏板在水下效率問(wèn)題的文章較少，但研究鹵水太陽(yáng)池的文章較多，鹵水太陽(yáng)池就是利用太陽(yáng)輻射將熱能存儲(chǔ)在鹵水池中。太陽(yáng)光譜其實(shí)包含了一系列連續(xù)光譜（低頻段甚至到無(wú)線電波，高頻段甚至到X 射線），但是到達(dá)地面的太陽(yáng)光能量主要集中在紅外線、可見(jiàn)光以及紫外線。葛少成在研究鹵水太陽(yáng)池時(shí)提到純凈水體對(duì)短波段吸收較少而對(duì)長(zhǎng)波段吸收較多[5]。表2 為太陽(yáng)光透過(guò)不同深度的純凈水體后各波長(zhǎng)段的透射比例[5]，從表中可以看出，水體對(duì)不同波長(zhǎng)的光線吸收程度不同。波長(zhǎng)>1.2 μm 的光經(jīng)過(guò)1 cm 的水層后能量減少90%以上，而波長(zhǎng)在0.6 μm～0.9 μm 的光經(jīng)過(guò)1 cm 的水層后能量衰減不到2%。幸運(yùn)的是光伏板發(fā)電所需要的太陽(yáng)光譜主要集中在1.2 μm 以下。硅光電池能有效吸收波長(zhǎng)在 0.40 μm～1.15 μm的光子，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，且只在峰值大約為0.8 μm 時(shí)，其光電轉(zhuǎn)換率最大[6]。一方面由于光伏板發(fā)電所需要的頻段基本可以無(wú)障礙穿過(guò)水層（幾毫米到幾厘米）；另一方面處于水下的光伏板的溫度基本和水體保持一致，不會(huì)有很大的溫升，效率可能比空氣中更高，因此表1 的試驗(yàn)結(jié)果在理論上是可以解釋的。

表2 不同波段的輻射能通過(guò)一定水深后的能量百分比

3 長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡對(duì)光伏板的影響

由于地面光伏電站要占用巨大的土地面積，而將光伏電站建在水塘、水庫(kù)或者湖泊等淡水水面能有效緩解土地資源日益緊張的問(wèn)題，在采煤沉陷區(qū)以及廢棄的湖泊等處將會(huì)有較大的應(yīng)用前景[7]。因此在淡水水域應(yīng)用光伏發(fā)電的研究較多，且起步較早。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，太陽(yáng)能等綠色清潔能源的使用在海上也將越來(lái)越廣泛，但正如于全虎提到的海洋環(huán)境中存在大量高含氯化物等腐蝕性物質(zhì)的水汽和海風(fēng)，極度潮濕的海洋環(huán)境易于滋生各種霉菌等微生物，會(huì)污染、著色、遮蔽和腐蝕太陽(yáng)能電池板。此外，海水上浪產(chǎn)生的浸沒(méi)鹽蝕、船舶振動(dòng)等也會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池板造成開(kāi)裂等物理?yè)p傷，降低太陽(yáng)能電池實(shí)際的轉(zhuǎn)換效率和可靠性[8]。

因此水面環(huán)境尤其是海面雖然比普通陸地環(huán)境更為嚴(yán)苛，但是光伏板在水面上工作，與長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，特別是浸泡在海水中的情況仍然有所不同。由于波浪滑翔器長(zhǎng)時(shí)間在海上航行有可能被其他船只發(fā)現(xiàn)并破壞或因遭遇惡劣海況而損壞丟失，因此分析真實(shí)海洋環(huán)境對(duì)光伏板長(zhǎng)時(shí)間的影響較為困難，該文從實(shí)際海試和實(shí)驗(yàn)室模擬2 個(gè)方面入手進(jìn)行研究。

3.1 實(shí)際使用情況

2020 年，課題組使用市面上普通光伏板裝配波浪滑翔器，在長(zhǎng)達(dá)70 d 的海試過(guò)程中（期間經(jīng)歷鸚鵡號(hào)臺(tái)風(fēng)影響）未發(fā)現(xiàn)光伏板發(fā)電能力有明顯下降的現(xiàn)象，光伏板的玻璃層、PET 背板層未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)情況

為了觀察更長(zhǎng)時(shí)間的海水浸泡對(duì)普通光伏板的影響，課題組使用調(diào)制的海水（自來(lái)水加3%的海水鹽）對(duì)圖5 中的光伏板進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，浸泡深度約為10 cm，浸泡時(shí)間為1 a。浸泡完成后未發(fā)現(xiàn)光伏板的玻璃層、PET 背板層有腐蝕現(xiàn)象。從表3 中可以看出，經(jīng)過(guò)1 a 的浸泡，光伏板發(fā)電效率的變化不大（浸泡前發(fā)電功率為標(biāo)稱(chēng)的33%，浸泡后發(fā)電功率為標(biāo)稱(chēng)的27.6%）。差異可能是光照強(qiáng)度不同而引起的（由于是露天測(cè)試，且測(cè)試的時(shí)間相隔1 a，雖然2 次測(cè)試天氣均為晴朗無(wú)云，但光照強(qiáng)度仍然可能存在差異），也有可能是光伏板老化或海水浸泡導(dǎo)致效率下降，但是可以認(rèn)為1 a 左右時(shí)間的海水浸泡不會(huì)對(duì)光伏板造成致命損傷。

表3 海水浸泡1 年對(duì)光伏板的影響

由于波浪滑翔器一般的設(shè)計(jì)使用壽命大約為1 a，因此該文只粗略考察了1 a 海水浸泡對(duì)普通光伏板的影響，在要求更高的場(chǎng)合可能需要對(duì)光伏板進(jìn)行特殊處理。王方毓提出，由于潮濕，水面環(huán)境光伏組件容易產(chǎn)生PID 效應(yīng)、絕緣性能下降等電氣方面的問(wèn)題，且在風(fēng)浪作用下的晃動(dòng)會(huì)引起電池片碎裂等機(jī)械方面的問(wèn)題；因此他也提出了相應(yīng)的解決辦法，例如選擇雙玻組件提高抗PID 效應(yīng)性能、選用更嚴(yán)密的封裝材料和雙85 測(cè)試提高防潮性能以及選用機(jī)械強(qiáng)度更高的單晶硅片等措施[8]。張?zhí)斓热藢㈥懙丨h(huán)境中具有較好防腐蝕、疏水性及自潔能力的納米TiO2涂層應(yīng)用于船用太陽(yáng)能電池蓋片上，研究結(jié)果表明其對(duì)太陽(yáng)能電池蓋片的光學(xué)性能的影響很小[9]。

4 結(jié)論

該文對(duì)普通太陽(yáng)能光伏板在波浪滑翔器真實(shí)使用環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明太陽(yáng)能光伏板在表面附有透明水層（水層厚度≤2 cm，水層清澈不渾濁）時(shí)發(fā)電效率不會(huì)出現(xiàn)明顯下降，由于水層的降溫作用，效率有可能比空氣中的效率更高。普通太陽(yáng)能板在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（≥1 a）的海水浸泡后外觀沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕情況，發(fā)電效率沒(méi)有明顯下降。因此普通光伏板可以直接在波浪滑翔器及其他經(jīng)常會(huì)浸沒(méi)在淺層海水中的設(shè)備上使用，但是更長(zhǎng)時(shí)間和要求更高的應(yīng)用場(chǎng)合可能需要對(duì)光伏板進(jìn)行特殊處理。