荒漠地區光伏組件表面積塵及清潔技術研究

國家電投集團西安太陽能電力有限公司 ■ 左燕 王銳 嚴華 魏亞楠

帝斯曼（中國）有限公司 ■ 于磊

3M中國有限公司 ■ 劉紅亮

0 引言

隨著我國西部荒漠及半荒漠地區光伏電站的建設規模及保有量的不斷增長，光伏組件表面積塵對電站發電效率及運營維護的影響日益凸顯，積塵成因分析及相應清潔技術的開發越來越受到業界關注。研究表明，光伏組件表面積塵會對太陽輻射產生一定的反射、散射和吸收，而且隨著積塵量的增加，光伏組件的光電轉換效率會迅速降低。Khadija[1]研究發現，光伏組件表面積塵的形成是一個較為復雜的過程，并受多種因素影響。溫巖等[2]認為，光伏組件表面積塵會對玻璃的透光率及組件散熱產生一定影響，并且會對玻璃表面產生腐蝕。汪繼偉等[3]通過對廣泛采用的光伏組件清潔技術的成本及缺陷進行分析，提出了對于新型清潔技術的需求。

西部荒漠及半荒漠地區的光伏電站無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械沖洗相結合的表面清潔技術。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、水質較差、清潔質量低、周期短、成本高等諸多問題。對于建設在高原地區的光伏電站，因場地地勢起伏較大，也很難實現高度自動化、智能化清潔設備的規模化應用。因此，西部荒漠及半荒漠地區大型光伏電站組件表面高效清潔技術的開發成為亟待解決的問題。

1 積塵測試

本文以屬于西部典型荒漠地區的格爾木荒漠地區為例，對其光伏電站組件表面積塵進行采樣，通過X射線衍射分析(X-Ray Diffraction，XRD)對積塵進行物質結構分析，通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對積塵進行顆粒形態分析，并結合電站地表沙塵成分及當地氣象數據，推斷光伏組件表面積塵的主要來源及成因。

1.1 積塵成分測試

對安裝于格爾木光伏園區內不同區域的子陣(相距約5 km)的光伏組件表面積塵進行分組采樣并進行XRD測試，結果表明，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、鈉長石等硅酸鹽、碳酸鹽類物質，如圖1所示。該測試結果與孟廣雙[4]對該地區進行的地表土質成分分析結果極為吻合，如表1所示。

圖1 光伏組件表面積塵成分分析

表1 格爾木地區地表土質成分分析

1.2 積塵粒徑測試

光伏組件表面積塵按照粒徑大小可分為細顆粒灰塵(直徑D≤100 μm)和粗顆粒灰塵(直徑D＞100 μm)。通過對2014年、2017年安裝于格爾木荒漠地區光伏電站中不同子陣內光伏組件的表面積塵進行取樣和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，屬于細顆粒灰塵，且形狀多為無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

電站運營維護時會定期清潔光伏組件，在清潔周期內，光伏組件的表面積塵顆粒趨向于細顆粒灰塵的均勻分布，而粗顆粒灰塵在安裝傾角、風力、重力等綜合因素的作用下較難積存。這與孟廣雙[4]對積塵直徑與受力關系的建模分析結果相一致，即在干燥多風的荒漠地區，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，細顆粒灰塵更易于附著在光伏組件表面并長期積存。

2 積塵成因分析

2.1 積塵來源

格爾木位于青海省海西區，當地氣候為高原大陸性氣候，經常出現沙塵暴、揚塵和浮塵等天氣。根據1961～2010年青海省多地區沙塵天氣的監測數據顯示[5]，格爾木的常年風力在4～5級之間，4級和風的風速為5.5～7.9 m/s，足以吹起地表灰塵與紙張。同時，數據還顯示，格爾木地區的沙塵暴和浮塵天氣的發生次數與降塵量均明顯高于共和、同仁(海東區)等地區。由于格爾木荒漠地區光伏電站組件的表面積塵成分與該地區地表沙塵成分具有一致性，且積塵粒徑趨于細顆粒灰塵的均勻分布，因此可以推斷，格爾木荒漠地區光伏電站組件表面積塵的主要來源為當地地表沙塵與大氣降塵中的細顆粒灰塵。

2.2 細顆粒灰塵吸附原因

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，其中含有的陽離子較小且具有很高的場強(如Na+)。當玻璃表面的陽離子周圍所圍繞的氧離子數目無法達到平衡要求，就會形成表面張力、摩擦力及表面吸濕性，使玻璃表面具有較大活潑性。

Hard等[6]在硅酸鹽玻璃網絡結構的堿離子通道模型基礎上，提出玻璃表面吸附的水分子中的H+會與玻璃本體中的堿離子(如Na+)發生交換，形成Si-OH基團。當玻璃表面通道由比較弱的氫鍵連接時，其表面區域鍵能會降低，容易形成表面缺陷，同時也更利于表面離子的相互擴散。當玻璃表面具有較大活潑性和表面缺陷時，其表面很容易吸附空氣中的細顆粒灰塵。

2.3 影響積塵的因素

光伏組件表面積塵成因復雜且受多種因素影響，如圖4所示，僅改善單一因素很難達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 積塵對光伏組件的影響及清潔技術

3.1 積塵對光伏組件的影響

積塵對光伏組件有諸多不利的影響，主要體現在以下幾方面。1)積塵附著于光伏組件表面可降低玻璃的透光率，從而降低組件的發電量。2)長期的、大量的積塵可改變光伏組件的傳熱方式，甚至引發組件的熱斑效應，影響電站的運行安全。3)積塵還會對玻璃表面產生腐蝕效應。玻璃表面存在Ca2+、Na+、K+等堿性離子，會在空氣中CO2等氣體的作用下與水氣中的H+發生交換作用，生成Na2CO3、K2CO3等堿性物質，從而腐蝕玻璃表面[7]。隨著腐蝕效應的進行，堿性物質在玻璃表面聚集的濃度會越來越高，PH值也越來越大，從而進一步促進玻璃表面的腐蝕。

對格爾木荒漠地區光伏電站中組件表面積塵的樣本進行分析可知，樣本中含有大量Ca2+、Na+、K+離子，這些積塵無疑會加速光伏組件表面的腐蝕，使本來光滑的玻璃表面形成許多細小凹面，增加粗糙度。當太陽光入射時，被腐蝕的小凹面會對太陽入射光線形成漫反射，使照射到玻璃表面的光反射增加，入射至玻璃內部的折射光減少，進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電效率。

3.2 常規清潔技術

定期清潔光伏組件可以緩解積塵對其造成的諸多不利影響，但荒漠地區因受地理環境、水資源等條件限制，采用常規的人工擦拭與高壓水射流結合的清潔方式仍存在較多弊端。對于常規清潔方式而言，若擦拭工具選用不當、操作不規范等會造成光伏組件的玻璃表面磨損、電池隱裂等。此外，通過對格爾木荒漠地區光伏電站清潔用水的取樣進行分析可知，當地水質的PH值為8.4，總硬度(CaCO3)為29.6 GPG，已遠超出美國水質量協會(WQA)標準中對于極硬水(14.0 GPG)的規定。因此，使用此類具有堿性的極硬水來清潔光伏組件的表面積塵，會對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很容易板結于玻璃表面，進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

1805年，Young通過對物質表面親水、疏水性進行研究，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項達到平衡時的接觸角。當θ＞90°時，固體表面會表現出疏水性；當θ＜90°時，固體表面會表現出親水性，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濕模型與空氣墊模型[9-10]，如圖5b所示。他們推導出大粗糙度和細針狀表面形貌的存在會減小固體表面能，使水滴與薄膜接觸面積變小，從而提高接觸角；當θ＞150°時，固體表面表現出超疏水性，通過膜層表面結構使水滴極易從固體表面滾落，滾動同時帶走污染物質，即俗稱的“荷葉效應”。1995年，TOTO公司偶然發現TiO2表面具有親水性，將SiO2和TiO2摻雜后的涂層表現出超親水性(θ＜5°)，當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，在風或重力等外力作用下污染物自動脫落，達到良好的自清潔效果。

圖5 表面自清潔模型

光伏組件玻璃應采用自清潔防塵技術，以減少灰塵顆粒與玻璃表面的接觸面積，從而降低粘連。此項技術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光伏組件表面細顆粒積塵的清潔。

4 自清潔光伏組件

4.1 降雨清潔對比

分別將采用自清潔防塵技術和減反射技術的光伏玻璃進行組件封裝后，同時置于戶外同一區域，觀察表面積塵經雨水清潔后的效果對比。降雨時，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，無肉眼可見的灰塵粘連，如圖6b所示。

圖6 降雨時不同光伏玻璃的表面對比

4.2 組件功率對比

減反射技術可使普通光伏玻璃的透光率提升約2.3%，自清潔防塵技術可使透光率提升約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 不同鍍膜技術的透光率對比

表2 組件功率對比

4.3 電站發電量及清潔費用對比

以格爾木地區某光伏電站為例，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個子陣在1年內的發電量數據如圖8所示，自清潔防塵光伏組件的每MW發電量比減反射光伏組件提升約2%。

圖8 2個子陣1年內的發電量數據

荒漠及半荒漠地區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，清潔頻次預計減少1/3～1/2，按照清潔費用4000～5000元/MW計算，10 MW規模的光伏電站每年可節約清潔費用約16～30萬元。

5 結論

本文針對荒漠及半荒漠地區的光伏組件表面積塵及清潔技術進行了研究，以格爾木的荒漠地區為例，對不同時期安裝的光伏組件表面積塵進行取樣，通過XRD及SEM分析積塵的物理特性與化學特性，并結合當地氣象數據與組件清潔用水的水質檢測，提出光伏組件自清潔防塵技術在荒漠地區應用的必要性，并通過自清潔防塵光伏組件的戶外實證與數據分析得到以下結論：

1)當地光伏電站組件的表面積塵主要來源于該地區地表沙塵，且隨著時間增長，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)當地光伏電站清潔用水具有硬化、 堿化性質，若采用常規清潔方式會進一步 促進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上提高光伏電站組件的清潔效率，降低清潔成本并提升發電量。