旱區(qū)光伏組件疏水性表面自清潔研究與參數(shù)優(yōu)選

張　東，俞　凱，閆承濤，劉　暢，申永前，安周建

旱區(qū)光伏組件疏水性表面自清潔研究與參數(shù)優(yōu)選

張東1,2，俞凱1,2，閆承濤1,2，劉暢1,2，申永前3,4，安周建1,2

（1. 蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050； 2. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室，蘭州 730050；3. 蘭州理工大學材料科學與工程學院，蘭州 730050； 4. 蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050）

表面積塵會嚴重影響光伏組件的發(fā)電效率，可涂覆疏水性涂層提高其自清潔能力來降低積塵量。該研究將灰塵顆粒視為規(guī)則球體，基于顆粒接觸力學理論，建立光伏組件表面與灰塵顆粒的黏附力學模型，簡化光伏組件自清潔時灰塵的受力模型。采用不同疏水性涂層來改變光伏組件表面參數(shù)，計算得到光伏組件的自清潔性能與灰塵粒徑、表面性能間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：1）光伏組件表面自清潔性能與表面材料彈性模量和摩擦系數(shù)相關(guān)。2）清潔200m粒徑以下的灰塵，光伏組件的表面彈性模量對自清潔性能起主要作用；清潔200m粒徑以上的灰塵，表面摩擦系數(shù)起主要作用。3）涂覆不同的疏水性涂層，光伏組件可自清潔不同粒徑范圍的灰塵。4）以中國西北地區(qū)為例，灰塵粒徑分布為250～500m，可選擇涂覆彈性模量在0～2 700 MPa內(nèi)，摩擦系數(shù)為0.1的疏水性涂層以提高光伏組件的自清潔能力。研究結(jié)果可為旱區(qū)光伏電站制備及涂覆疏水性涂層除塵提供理論依據(jù)。

太陽能電池；灰塵；疏水性；涂層；自清潔；參數(shù)優(yōu)選

0 引 言

為實現(xiàn)碳達峰碳中和，中國提出要在“十四五”期間把光、風、水、核等清潔能源供應(yīng)體系建設(shè)好，加快實施可再生能源替代行動[1]。太陽能作為可再生能源中的主力軍，截至2021年底國內(nèi)的太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量達到3.06億kW[2]，穩(wěn)居全球首位。中國光伏發(fā)電站主要建在光照資源豐富的沙漠地區(qū)，光伏組件表面極易沉積灰塵，減少了太陽光的透射，嚴重影響發(fā)電效率，造成能量損失[3-7]。研究表明，灰塵沉積造成的光伏組件日平均發(fā)電損失率可超過1%[4]，光伏電站一年不除塵會造成發(fā)電量損失12%[7]。

為解決光伏組件表面積塵問題，學者針對灰塵在光伏組件表面的黏附機理做了大量理論和試驗研究[8-10]{[{孟廣雙, 2014 #1}]}，發(fā)現(xiàn)清除光伏組件表面的灰塵顆粒需克服顆粒與表面間的黏附作用力，且黏附作用力與表面的物理屬性密切相關(guān)?，F(xiàn)有清灰方式主要為定期用水清潔組件表面的灰塵[11-12]，該方式耗水量大，不適合荒漠地區(qū)的光伏電站。有研究發(fā)現(xiàn)在光伏組件表面涂覆一層疏水性涂層會減少灰塵的沉積[13-18]。由于物體表面涂覆一層疏水性涂層后，材料表面的基本形貌特征和表面性能特性發(fā)生改變[19-23]，表面灰塵顆粒的黏附力也發(fā)生了改變，影響了物體表面的自清潔能力。研究表明，疏水性涂層能明顯降低光伏組件表面的灰塵沉積[18]。在相同環(huán)境條件下，具有疏水性涂層的光伏組件的可見光透過率和發(fā)電效率與無涂層的相比分別提高了20.3%，10.1%[24]。與定期用水清潔相比，光伏組件涂覆疏水性涂層減少灰塵沉積的方法更適合荒漠光伏電站?，F(xiàn)有研究主要為涂層前后光伏組件的可見光透過比和輸出功率[14,17-18,24]，有關(guān)疏水性涂層表面性能對灰塵黏附力的影響研究還十分匱乏。

基于以上分析，該文結(jié)合顆粒接觸力學理論研究疏水性涂層表面性能對光伏組件表面自清潔能力的影響，得到表面性能與灰塵間的黏附規(guī)律，擬為不同地域特征的光伏電站選擇表面性能合適的疏水性涂層，為提高光伏組件的自清潔能力提供理論依據(jù)。

1 光伏組件表面灰塵顆粒的力學模型

灰塵顆粒依靠與光伏組件表面間的作用力靜止在表面，故清灰的實質(zhì)就是克服灰塵與表面的作用力，使灰塵顆粒脫離表面。光伏組件的自清潔就是灰塵顆粒依靠自身重力克服光伏組件表面的作用力，使其脫離表面。光伏組件的自清潔能力與表面灰塵顆粒的受力密切相關(guān)。

1.1 灰塵顆粒在光伏組件表面的力學分析

灰塵顆粒靜止在光伏組件表面的受力分析如圖1a所示。干旱地區(qū)氣候干燥，光伏組件表面上的灰塵含水率低。以西北地區(qū)為例，僅為0.26%，可認為光伏組件表面始終保持干燥，故灰塵顆粒與光伏組件表面之間的毛細作用力暫不考慮[8]。孟廣雙等[8]研究發(fā)現(xiàn)灰塵顆粒所受的靜電力遠小于范德華力，因此，灰塵顆粒與光伏組件表面間的作用力主要考慮范德華力。

顆粒間的分子間范德華力[25]為

式中為分子間的Lennad-Jones勢：

其中

式中為分子半徑，m；為分子間距，m；為分子勢參數(shù)，J·m12，為London常數(shù)，取值為10-79J·m6。

注：G為灰塵顆粒的重力，N；N為灰塵顆粒受到的支持力，N；f為灰塵顆粒受到的摩擦力，N；Fca為灰塵顆粒受到的毛細作用力，N；Fele為灰塵顆粒受到的靜電力，N；FVDW為灰塵顆粒受到的范德華力，N；Fad為黏附力，N，α為斜面傾角，(°)。

前文已分析在干旱地區(qū)的灰塵顆粒與光伏組件表面間主要考慮范德華力。為便于分析，取單顆灰塵顆粒并將其視為規(guī)則的球體。顆粒間的接觸區(qū)域形狀常常未知，無法將顆粒間的分子間范德華力直接積分得到顆粒間的總黏附力[25]。依據(jù)已有的顆粒接觸力學模型，例如Hertz理論[26]、Johnson-Kendall-Roberts(JKR)理論[26]、Derjaguin-Müller-Toporpv(DMT)理論[26]等，將灰塵顆粒與光伏組件表面間的分子間范德華力簡化為顆粒接觸力，得到顆粒與表面間的總黏附力ad。因此，灰塵顆粒與光伏組件表面間的主要作用力為支持力、摩擦力和黏附力ad。

由圖1b的受力分析可知，光伏組件表面的自清潔過程就是灰塵顆粒的重力分力down（方向為平行斜面向下）克服摩擦力將灰塵顆粒帶離光伏組件表面的過程。摩擦力的大小與灰塵顆粒受到的支持力和摩擦系數(shù)密切相關(guān)。由于灰塵顆粒在垂直斜面方向上受力平衡，即其受到的支持力、黏附力ad和重力分力ver（方向為垂直斜面向下）三者平衡，通過黏附力ad和重力分力ver可求得支持力。影響光伏組件自清潔的主要因素可認為是灰塵顆粒的黏附力ad、重力分力ver和表面的摩擦系數(shù)。其中，灰塵顆粒的重力分力ver與表面傾角和灰塵重力有關(guān)，但光伏組件的傾角一般保持不變。以蘭州地區(qū)為例，傾角一般為36°[27]。

1.2 灰塵顆粒與光伏組件表面之間的黏附力模型

上述提及的顆粒接觸力學模型，理論嚴謹?shù)蠼膺^程繁瑣。在保證較小誤差的前提下，實際應(yīng)用中會對模型進行簡化。軟球模型就是常用的簡化模型之一[26]，其把顆粒間的接觸類比成彈簧振子的阻尼運動，運動方程[26]為

式中x為偏移平衡位置的位移，m；m是彈簧振子的質(zhì)量，kg；η和k分別為彈簧阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)。軟球模型將顆粒間的法向和切向接觸力簡化為彈簧、阻尼器和滑動器等，如圖2所示。

顆粒間的法向接觸力n和切向接觸力τ[26]可表示為

式中n和τ分別為接觸點的法向位移和切向位移，m；n和τ分別為接觸點的法向速度和切向速度，m/s；n和τ分別為顆粒的法向彈性系數(shù)和切向彈性系數(shù)；n和τ分別為顆粒的法向阻尼系數(shù)和切向阻尼系數(shù)。

本文主要研究灰塵顆粒靜止在光伏組件表面上的情況，不考慮顆粒切向運動，顆粒法向彈性系數(shù)n可通過Hertz接觸理論[26]確定：

式中為顆粒材料的彈性模量，MPa；為顆粒材料的泊松比；為顆粒半徑，m；下標、分別為發(fā)生接觸的顆粒和顆粒。

當彈簧振子（顆粒）處于臨界阻尼狀態(tài)，顆粒的動能會以最快速度衰減，此時的法向阻尼系數(shù)n[26]為

若顆粒與平板接觸，平板半徑可近似為無窮大，法向彈性系數(shù)n可簡化為

式中plane和particle分別為平板和顆粒材料的彈性模量，MPa；plane和particle分別為平板和顆粒材料的泊松比；particle為顆粒半徑，m。

光伏組件表面與灰塵顆粒之間的黏附力ad可通過軟球模型的法向接觸力n求得，即：

灰塵顆粒的黏附力ad和表面的摩擦系數(shù)與光伏組件表面的性質(zhì)相關(guān)。從式（11）可知，表面材料的彈性模量plane和泊松比plane是影響?zhàn)じ搅d的主要表面性能。現(xiàn)有疏水性涂層的常用制備方法主要為涂覆法，其原理是在基底表面噴涂或者沉積一層具有低表面能的疏水性涂料，使表面具備超疏水效果[28]。涂覆法會降低基底表面能，改變灰塵顆粒與表面間的黏附作用使顆粒不易黏附在表面。為提高涂層的疏水性，涂覆的疏水性涂料含有納米顆粒會在表面產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的疏水性涂層，改變表面粗糙度，影響表面摩擦系數(shù)。本文建立的模型式（11）適用于對涂覆法制備得到的疏水涂層進行參數(shù)優(yōu)選。研究表面的彈性模量plane、泊松比plane和摩擦系數(shù)對光伏組件自清潔的影響，為制備疏水性涂層提供理論依據(jù)。

1.3 模型驗證及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)相關(guān)文獻[9]得到無疏水性涂層光伏組件表面與灰塵顆粒之間的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 無疏水性涂層光伏組件表面與灰塵顆粒間的相關(guān)參數(shù)

依據(jù)表1參數(shù)和式（11），計算得到不同粒徑灰塵靜止在無涂層光伏組件表面上所受到的黏附力。并與柳冠青[25]、Wang等[29]測量得到粒徑為6×10-6、13.4×10-6和16.9×10-6m顆粒的黏附力進行對比，結(jié)果如圖3所示，由于灰塵顆粒實際是非規(guī)則球體、受力點多且復雜，而本文模型對灰塵的形狀和受力均進行了簡化，模型模擬的黏附力結(jié)果與文獻中測量結(jié)果[25, 29]的誤差為20%～40%，范圍雖偏大，但均在同一數(shù)量級。故本文建立的光伏組件表面灰塵顆粒力學模型具有一定的可靠性。

圖3 顆粒粒徑與黏附力之間的關(guān)系

表面涂覆上疏水性涂層后，表面屬性會變小、不變或變大，彈性模量plane、泊松比plane和摩擦系數(shù)選擇符合3種情況的屬性數(shù)值作為典型情況，研究具有疏水性涂層的光伏組件的自清潔能力。

陶氏環(huán)球技術(shù)公司[30]研發(fā)的一種疏水涂料的彈性模量僅為100 MPa。近年來為了提高疏水性都會在疏水涂層里加入納米二氧化硅[19]，而二氧化硅的彈性模量高達73 000 MPa。表面彈性模量的三種典型數(shù)值可選為100、5 500和73 000 MPa。有關(guān)于疏水性涂層的泊松比少有研究，通常認為材料泊松比的范圍在0～0.5之間[31]，疏水性涂層的泊松比選擇0.1、0.25和0.5作為3種典型數(shù)值。王金燕[19]研究和制備疏水性涂層時發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)的范圍在0.1～0.4之間。為了使研究疏水性涂層摩擦系數(shù)對自清潔的影響結(jié)果更具對比性，將摩擦系數(shù)范圍從0.1～0.4擴大為0.1～0.6，并以等距離選擇0.2，0.4和0.6作為3種典型值進行對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層表面屬性對灰塵黏附力的影響

光伏組件表面積塵的粒徑均小于500m[32]，但在0～500m范圍內(nèi)黏附力變化不顯著，為使研究結(jié)果更直觀，將粒徑研究范圍擴大到0～1 000m。

表面彈性模量plane、泊松比plane在3種不同的典型情況下，計算得到黏附力和重力與灰塵顆粒粒徑之間的關(guān)系，如圖4所示。

由圖4可知，在不論何種彈性模量、泊松比的情況下，隨著灰塵粒徑的增加，黏附力的增加趨勢越來越平緩，重力的增加趨勢越來越陡峭。當灰塵粒徑增加到某一值時，重力將大于灰塵顆粒的黏附力，即>ad。若灰塵粒徑遠大于該粒徑，需主要考慮重力與斜面之間的相互作用，符合顆粒物質(zhì)間的力學規(guī)律[26]。該粒徑值越大，表明滿足

式中x取灰塵和表面分子間平均間距，取2.343×10-8m[8]。

根據(jù)式（12）計算不同表面性能下，灰塵顆粒不同的臨界粒徑，如表2所示。表面彈性模量越大，重力大于黏附力的灰塵顆粒臨界粒徑越大，說明灰塵的黏附效果好，且與表面彈性模量成正相關(guān)。在同一彈性模量下，表面泊松比的改變對該臨界粒徑影響不大。由圖4可知，同一粒徑下，表面彈性模量和泊松比越小，灰塵顆粒的黏附力越小。與彈性模量相比，泊松比對灰塵顆粒黏附力的影響極小。表面彈性模量是影響灰塵顆粒黏附力大小的主要原因，彈性模量越大，灰塵黏附力越大，不利于光伏組件表面的自清潔。

注：Fad為灰塵顆粒受到的黏附力，N；G為灰塵顆粒的重力，N；v為表面泊松比。

表2 重力大于黏附力的灰塵顆粒臨界粒徑

2.2 涂層表面屬性對灰塵摩擦力的影響

光伏組件的自清潔能力與灰塵顆粒受到的摩擦力和重力分力down的平衡關(guān)系相關(guān)，即down>時光伏組件自清潔?；覊m顆粒粒徑越小，對應(yīng)的重力分力down大于摩擦力，說明光伏組件的自清潔能力越強，即可清潔大于該粒徑的所有灰塵顆粒。根據(jù)重力、摩擦力基本計算法和式（11），得到重力分力down大于摩擦力的灰塵臨界半徑為

由式（13）可知，down>時的灰塵臨界半徑與摩擦系數(shù)，表面彈性模量和泊松比相關(guān)。由上文分析已知，泊松比對灰塵顆粒與光伏組件表面間的相互作用影響不大，可忽略其影響。式（13）中的泊松比取最大值0.5，保證其計算得到的灰塵臨界半徑為同等條件下最大的。根據(jù)式（13）計算在不同表面性能下，灰塵顆粒不同的臨界粒徑，如表3所示。由表3可知，表面彈性模量越小，摩擦系數(shù)越小，down>時的灰塵臨界粒徑越小，光伏組件的自清潔能力越強。

表3 重力分力大于摩擦力的灰塵顆粒臨界粒徑

灰塵顆粒粒徑與摩擦力和重力分力down之間的關(guān)系如圖5所示。從表3和圖5中可知，無論摩擦系數(shù)為何值，當表面彈性模量為100 MPa時，重力分力down均能克服摩擦力將300m粒徑的灰塵顆粒帶離表面，故表面能自清潔300m及以上粒徑的灰塵顆粒。在表面彈性模量為5 500和73 000 MPa的情況下，摩擦系數(shù)為0.2時，表面能依靠重力分力down自清潔500m粒徑以上的灰塵顆粒；摩擦系數(shù)為0.4時，表面能自清潔800m粒徑以上的灰塵顆粒；摩擦系數(shù)為0.6時，表面對小粒徑灰塵的清潔能力最差，但能清潔粒徑1 400m以上的大粒徑灰塵顆粒。

表面彈性模量為5 500 MPa，摩擦系數(shù)為0.4為無涂層光伏組件的表面屬性，可清潔粒徑≥660m粒徑的灰塵顆粒。與其相比，無論何種表面彈性模量的情況下，摩擦系數(shù)為0.2，表面均可清潔粒徑≥518m粒徑的灰塵顆粒，比無涂層光伏組件可清潔的灰塵粒徑范圍要廣，有較好的自清潔能力。說明涂層表面摩擦系數(shù)越小，涂層表面的自清潔能力越強。

注：f為灰塵顆粒受到的摩擦力，N；Gdown為灰塵顆粒的重力分力，N；μ為摩擦系數(shù)。

2.3 自清潔疏水性涂層表面參數(shù)優(yōu)選

涂層表面屬性在典型情況下對光伏組件自清潔的影響表明，表面彈性模量和摩擦系數(shù)是影響表面自清潔的主要因素。為進一步分析，選取200、500和800m三種灰塵粒徑研究表面彈性模量和摩擦系數(shù)兩者共同變化時，對光伏組件自清潔的影響。

上文選擇摩擦系數(shù)的3個典型數(shù)值為0.2、0.4和0.6，表面彈性模量的3個典型數(shù)值為100、5 500和73 000 MPa，與摩擦系數(shù)相比表面彈性模量的范圍跨度更廣，計算量大。從表3中可知，表面彈性模量為5 500和73 000 MPa時，兩者表面上down>的灰塵顆粒臨界粒徑相差不大，說明彈性模量雖相差大但對于影響光伏組件自清潔的效果變化并不明顯?？蓪⒈砻鎻椥阅Ａ糠秶s小至0～7 000 MPa，摩擦系數(shù)范圍取0.1～0.6，便于計算觀察，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在200m粒徑的情況下，摩擦力沿彈性系數(shù)方向上的變化幅度要大于摩擦系數(shù)方向上的變化幅度。但在500和800m粒徑的情況下，摩擦力在摩擦系數(shù)方向上的變化幅度顯著，說明摩擦系數(shù)比表面彈性模量更易影響摩擦力的大小。這是由于500m粒徑以上的灰塵主要受到重力的作用而非黏附力，只需改變表面摩擦系數(shù)就能保證重力分力down大于摩擦力，易提高表面自清潔能力。在200m小粒徑的情況下，要提高表面自清潔能力，需同時滿足低彈性模量和低摩擦系數(shù)的條件。

圖6 表面彈性模量和摩擦系數(shù)對摩擦力的影響

基于以上分析可知，在灰塵顆粒不同的粒徑范圍內(nèi)，表面彈性模量和表面摩擦系統(tǒng)對光伏組件自清潔能力的影響程度不同。

表面要自清潔某一粒徑范圍內(nèi)的灰塵顆粒，不僅表面彈性模量要在特定范圍，摩擦系數(shù)也要在該表面彈性模量范圍所對應(yīng)的參數(shù)范圍內(nèi)。因此，表面參數(shù)需同時滿足在表面彈性模量和摩擦系數(shù)兩者的參數(shù)范圍內(nèi)才能清潔該范圍的灰塵顆粒。

一般土壤粒徑可分為細砂（100～250m）、中砂（250～500m）、粗砂（500～1 000m）、極粗砂（1 000～2 000m）和礫石（>2 000m）[33]。根據(jù)所需清潔灰塵粒徑范圍，利用式（13）計算得到疏水涂層需滿足的彈性模量范圍、以及所對應(yīng)摩擦系數(shù)范圍。其中，彈性模量可選范圍設(shè)定在0～73 000 MPa，摩擦系數(shù)可選范圍設(shè)定在0.1～0.6，結(jié)果如表4所示。

表4 光伏組件自清潔疏水涂層表面參數(shù)優(yōu)選表

在表4中，以250～500m粒徑范圍為例，彈性模量可選范圍為0～2 700 MPa，在該范圍內(nèi)普遍適用的摩擦系數(shù)為0.1。進一步對彈性模量可選范圍為0～2 700 MPa進行細分，對應(yīng)的摩擦系數(shù)可選范圍會變多，如可選的彈性模量范圍在0～100 MPa，對應(yīng)可選的摩擦系統(tǒng)范圍為0.1～0.5。

在500～1 000m、1 000～2 000m和>2 000m粒徑范圍內(nèi)，雖可選表面彈性模量范圍均為100～73 000 MPa，但普遍適用的摩擦系數(shù)可選范圍分別為0.1～0.15、0.1～0.45和0.1～0.6，摩擦系數(shù)可選范圍逐步擴大。所以，需自清潔的灰塵顆粒粒徑越大，表面對應(yīng)可選擇的參數(shù)范圍越廣。

因此，結(jié)合光伏電站當?shù)鼗覊m主要分布粒徑范圍并依據(jù)參數(shù)優(yōu)選表，選擇符合表面性能要求的疏水性涂層進行制備。

中國光伏電站主要建在光照資源西北地區(qū)中，其灰塵顆粒以中砂（250～500m）為主[33]。依據(jù)表4所給出的表面參數(shù)范圍，可知制備疏水涂層的彈性模量最大范圍為0～2 700 MPa，該范圍內(nèi)對應(yīng)可選的摩擦系數(shù)為0.1。涂覆到光伏組件表面減少表面灰塵沉積以提高光伏電站的光電效率。

3 結(jié) 論

1）光伏組件表面自清潔能力與表面彈性模量和表面摩擦系數(shù)密切相關(guān)。清潔200m粒徑以上灰塵顆粒，表面摩擦系數(shù)對光伏組件自清潔能力的影響更大；而200m粒徑以下灰塵，表面彈性模量對光伏組件自清潔能力的影響更大。

2）涂覆不同表面參數(shù)的疏水涂層光伏組件可自清潔不同粒徑范圍的灰塵顆粒，需清潔的灰塵粒徑越小，疏水涂層表面參數(shù)的可選范圍也越小。如清潔100～250m粒徑內(nèi)的灰塵顆粒，表面可選彈性模量范圍為0～100 MPa，普遍適用的摩擦系數(shù)可選范圍為0.1～0.15；清潔500～1 000m粒徑內(nèi)的灰塵顆粒，表面可選彈性模量范圍為100～73 000 MPa，對應(yīng)可選摩擦系數(shù)范圍為0.1～0.15。

3）以中國西北地區(qū)為例，灰塵顆粒粒徑范圍為以250～500m，可選擇制備彈性模量范圍在0～2 700 MPa內(nèi)、摩擦系數(shù)為0.1的疏水性涂層。

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Hydrophobic surface self-cleaning investigation and parameter selection of PV modules in arid areas

Zhang Dong1,2, Yu Kai1,2, Yan Chengtao1,2, Liu Chang1,2, Shen Yongqian3,4, An Zhoujian1,2

(1.730050; 2.7300503.730050; 4.730050)

Photovoltaic (PV) power generation can convert sunlight into electrical energy. There is an ever developing rapidly industry under the background of carbon peak and carbon neutrality. However, dust accumulation on the surface of PV modules can pose a serious threat to the efficiency of power generation. A hydrophobic coating with low surface energy can be expected to form on the surface, in order to reduce the dust accumulation for better self-cleaning of the PV module. In this study, a mechanical model of the adhesion between the surface of PV modules and dust particles was established to clarify the effect of hydrophobic coating surface properties on the self-cleaning ability of PV modules. The particle contact mechanics was selected to determine the adhesion force of dust particles, particularly with the elastic modulus, Poisson's ratio, and friction coefficient of surface materials. The simulation showed that the surface self-cleaning performance of PV modules was closely related to the elastic modulus and friction coefficient of surface materials, as well as the particle size of dust particles. There was also a strong relationship among the self-cleaning performance of PV modules, dust particle size, and surface performance. The surface elastic modulus played a major role in the self-cleaning performance of PV modules in the range of small particle size dust below 200m. With a larger particle size than 200m, the friction coefficient was dominated in the self-cleaning performance of PV modules. The self-cleaning of the PV modules varied in the different hydrophobic coatings, and the performance parameters of the PV module surface. The self-cleaning dust particles above 100m performed the best using the hydrophobic coating with the friction coefficient of 0.1-0.15 and elastic modulus of 0-100 MPa, whereas the self-cleaning dust particles above 500m were required for the hydrophobic coating with the friction coefficient of 0.1-0.15 and elastic modulus of 100-73 000 MPa. The hydrophobic coating with a friction coefficient of 0.1-0.45 and elastic modulus of 100-73 000 MPa was suitable for the PV modules to self-clean dust particles above 1 000m. The general soil particle size was divided into fine (100-250m), medium (250-500m), coarse (500-1 000m), very coarse sand (1 000-2 000m), and gravel (>2 000m). The optimal surface properties of hydrophobic coatings were obtained for the self-cleaning in the different dust particle sizes range. Specifically, the larger the particle size of dust was, the wider the range of elastic modulus and friction coefficient of the hydrophobic coating were. Consequently, the better surface properties of hydrophobic coatings were achieved in the elastic modulus of 0-100 MPa and the friction coefficient of 0.1-0.15, in order to clean the fine sand. The elastic modulus of 100-73 000 MPa and the friction coefficient of 0.1-0.6 were to clean the gravel. The PV power stations can be expected to select the hydrophobic coating for the self-cleaning requirements. The local dust particles can be optimized to reduce the loss of power generation efficiency for the cost saving of PV power stations. For example, once the dust of PV power plants was mainly medium sand (250-500m) in Northwest China, the surface properties of hydrophobic coatings can be the elastic modulus of 0-2 700 MPa and the friction coefficient of 0.1.

solar cells; dust; hydrophobicity; coating; self-cleaning; parametric optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.025

TK519

A

1002-6819(2022)-17-0232-08

張東，俞凱，閆承濤，等. 旱區(qū)光伏組件疏水性表面自清潔研究與參數(shù)優(yōu)選 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2022，38(17)：232-239.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.025 http://www.tcsae.org

Zhang Dong, Yu Kai, Yan Chengtao, et al. Hydrophobic surface self-cleaning investigation and parameter selection of PV modules in arid areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 232-239. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.025 http://www.tcsae.org

2022-07-01

2022-08-21

甘肅省教育廳青年博士基金項目（2021QB-046）；甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐計劃項目（2021CYZC-27）；蘭州理工大學紅柳優(yōu)秀青年教師支持計劃（201809）

張東，博士，副教授，研究方向為太陽能利用。Email：zhdlgn@126.com