環境因素對光伏組件表面的損傷及其防護技術的研究現狀

張 彥,馬梓焱,袁成清,李秉坤

(1. 武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063； 2. 武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點試驗室，武漢 430063； 3. 武漢理工大學 國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

由于化石燃料的大量消耗、全球氣候變暖，“改善能源結構，保護地球”成為了全球的呼聲，獲得了各國政府的廣泛關注。因具有清潔無污染、可再生、轉換效率相對較高等特點，太陽能光伏發電作為最主要的清潔能源利用形式之一，在工程上得到一定應用[1]。

光伏組件是太陽能光伏發電系統的核心部件，其可靠性直接影響系統整體的發電效率和使用壽命。光伏組件直接與環境接觸，苛刻的環境條件會對其產生不同程度的損傷[2-3]，因此采取合理的防護措施十分必要。目前，針對光伏組件損傷的研究主要集中于單一因素的機理分析，且以灰塵為主，研究成果內容繁雜，缺少給予相關研究人員參考的綜述類文章。而針對光伏組件防護的研究主要偏重于自清潔涂層的開發，且已有部分綜述類論文，但這些論文主要集中于涂層制備的論述，對于光伏組件損傷的防護效果涉及較少。

本工作根據光伏組件具體應用區域的不同，對環境影響因素進行了劃分，分類闡述了各環境因素對光伏組件的損傷機理。在此基礎上，重點介紹了現有光伏組件防護手段的國內外研究現狀，并對未來發展做出展望，以期為光伏組件的高效使用提供借鑒。

1 光伏組件的結構

太陽能電池通常指利用太陽輻照直接產生電能的器件，半導體P-N結的光伏效應是太陽能電池的工作核心。一個P-N結構成一個單體太陽能電池，將若干個單體太陽能電池根據需要串、并聯組成最小的供電單元并進行封裝后成為光伏組件。

當下最主要的光伏組件仍是硅基剛性光伏組件，其結構如圖1所示。由圖1可見，其結構由上至下包括：玻璃蓋板(主要選用低鐵鋼化壓花玻璃)、上層乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，EVA)材料、電池基體、下層EVA材料和背膜(常用聚氟乙烯復合膜)[4]。玻璃蓋板位于光伏組件正面的最外層，直接與環境接觸，受到各環境因素的影響。EVA是一種熱熔黏接膠膜，常溫下無黏性甚至具有抗黏連性，但經熱壓會發生熔融黏接與交聯固化，將電池“上蓋下墊”包封。背膜通常具有很低的熱阻、良好的阻水性、可靠的絕緣性和耐老化性，從而對光伏組件底部起到保護和支撐作用。從光伏組件的結構可以發現，環境因素對光伏組件損傷的最主要部位是玻璃表面，它會影響發電效率與使用壽命[5]。

圖1 光伏組件結構

2 環境因素對光伏組件表面的損傷機理

在研究外部環境因素對光伏組件表面損傷機理方面，國內外學者通常根據光伏組件應用區域的不同進行因素劃分，主要分為陸地環境因素、空間環境因素和海洋環境因素。

2.1 陸地環境因素

在陸地環境中，灰塵是被研究的主要環境因素[6-7]。目前，對于灰塵影響光伏組件可靠性的研究十分全面，涉及灰塵物理性質、影響方式以及形成規律等多方面。SKOPLAKI等[8-9]認為灰塵的物理性質有很多，與光伏工程緊密聯系的有灰塵粒徑、導熱系數、化學性質與附著狀態。基于灰塵的物理性質對其進行分類認知，是探求其影響光伏組件可靠性的重要前提。按粒徑大小，灰塵可以分為粗灰塵和細灰塵；按導熱系數，灰塵可以分為強導熱灰塵和弱導熱灰塵；灰塵中的飄塵顆粒多，粒徑小，表面積非常大，因此吸附能力強，可以將空氣中的有害物質吸附在它們表面，而呈酸性或堿性，因此按化學性質，可以將灰塵分為酸性灰塵、中性灰塵和堿性灰塵；灰塵在光伏組件表面的附著狀態對灰塵吹除的難易程度與對光線的遮擋程度都有影響，因此從灰塵附著形態，灰塵可以分為干松灰塵和黏結灰塵[10]。現有研究重點圍繞灰塵單一物理性質對光伏組件的特性影響開展分析，而在實際工作中，光伏組件受到的影響是灰塵幾種物理性質的疊加效應。

灰塵對光伏組件的影響可以概括為產生陰影、提高溫度以及腐蝕玻璃蓋板等。ADINOYI等[11-12]認為灰塵附著于光伏組件玻璃表面導致光伏組件產生陰影是灰塵對光伏組件最主要的影響方式，產生的陰影會顯著降低光伏組件表面玻璃的透光率，從而降低光伏組件的總體輸出量。HEGAZY等[13]研究了灰塵沉積與透光率降低的關系。JIANG等[14]在室內模擬自然灰塵，研究了灰塵沉積對不同封裝材料光伏組件性能的影響，得出能量輸出減少率與積灰含量成線性關系的結論。而在實際工作中，由于灰塵覆蓋形式多樣，多數情況下產生的陰影是不規則的，這使得光伏組件的實際輸出情況變得異常多樣與復雜[15-16]。灰塵降落到光伏組件表面后，不僅會產生遮擋，還會導致光伏組件的傳熱形式發生變化。居發禮[17]研究了受灰塵影響的光伏組件溫度與光伏發電效率及發電量的內在關系，提出了灰塵作用下的光伏組件運行溫度的方程式。在實際工作中，當光伏組件表面有灰塵時，光伏組件部分區域受到遮擋無法工作，在陽光的持續照射下，這部分區域的升溫遠遠高于未被遮蓋區域的，最終由于溫度過高出現燒壞的暗斑，也可能導致整個光伏組件損壞，造成損失。降落到光伏組件表面的灰塵，吸附了空氣中的污染物，與雨水混合后形成酸堿性物質，會對玻璃表面產生嚴重的腐蝕，但是目前對于腐蝕程度隨時間變化關系還不能用數學方程式表達。灰塵對光伏組件同時存在多種形式的影響，結合相關研究可以對其影響程度進行合理判定。MEKHILEF等[18-19]認為灰塵形成受到空氣清潔度、時間等的影響，與濕度、風速等因素對光伏組件性能的影響具有耦合性。劉莉敏等[20]研究了光伏組件安裝方位角與灰塵累積程度和累計發電量之間的關系。

通過灰塵形成規律及其影響程度的數值擬合公式，可以開展合理的光伏組件壽命預估，對于大型光伏電站的建立具有重大工程價值。

2.2 海洋環境因素

在海洋環境中，光伏組件主要應用于遠洋船舶、航行器或者各種海洋工程裝備。海洋環境中含有大量的鹽、水氣及海風中夾雜的酸堿性物質，這些物質會直接作用于光伏組件的表面[21-24]。雖然大多數光伏組件玻璃蓋板使用的低鐵鋼化壓花玻璃具有較好的耐蝕性，但長期處于鹽含量高、溫差大、濕度高的環境中也容易受到污染，發生磨損、著色和腐蝕，使得光伏組件對太陽輻照的利用率下降，進而導致整個光伏發電系統轉換效率下降[25]。

海洋環境復雜、苛刻，海水腐蝕對光伏組件表面造成的損傷是光伏組件在海洋環境中的研究重點。YUAN等[26-28]提出：在干濕交替作用下，光伏組件表面易形成鹽斑，使玻璃蓋板的透射率降低，造成局部陰影；同時，在海水腐蝕下，光伏組件的玻璃表面易形成黑色腐蝕斑點，進一步降低透射率，甚至造成不可挽回的物理損傷。AGEEV等[29]的研究表明，海洋污染對光伏組件的發電能力影響較大，會形成不易清除的覆蓋層，但可以通過在鋼化玻璃表面涂覆防污涂料來處理。

由于光伏組件在海洋環境中的應用不如在陸地環境中那樣普遍，因此相關研究仍停留在損傷機理的定性描述，需進一步深入，重點在于得出有實際價值的通用性擬合公式，從而有利于開展合理的可靠性評估。

2.3 空間環境因素

光伏組件是衛星等航天器的主要供電源。在空間環境中，國內外學者重點圍繞空間高能粒子輻射(質子和電子等帶電粒子)對光伏組件表面的影響開展研究。

ZHANG等[30]和KLAUMüNZER[31]研究發現不同能級的質子輻照對光伏組件玻璃表面會產生不同的影響。對于低能質子(30～170 keV)輻照，在輻照能量相同時，輻照注量的增加會引起光伏組件玻璃蓋板光學性能的降低；在輻照注量相同時，輻照能量的增加會加快玻璃蓋板光學性能的退化；由高能質子輻照引起的光伏組件玻璃蓋板光學性能下降比由低能質子輻照引起的弱。JENSEN等[32]研究認為不同能級的電子輻照也會引起光伏組件玻璃蓋板光學性能的不同變化：對于低能電子輻照，輻照注量增加導致玻璃蓋板光學性能透過率下降的現象只發生在光學帶隙附近；對于高能電子輻照，其吸收光譜有別于低能電子，會出現窄的、基本對稱的吸收峰，并且吸收峰的峰值也明顯小于低能電子輻照的；同時，質子和電子的綜合輻照對于吸收光譜吸收率的影響并不等同于單獨輻照時吸收光譜的簡單相加，而是會出現明顯的協同效應。

在空間環境中,光伏組件損傷機理的相關規律對于光伏發電系統的可靠性評估十分重要，關系著航天器的使用壽命。

2.4 光伏組件的損傷機理

光伏組件應用區域不同會導致具體環境因素有所區別，但是環境因素對于光伏組件的損傷主要體現在對表面玻璃蓋板的損傷。而環境因素對于光伏組件玻璃表面的損傷形式主要包括兩個方面[33]：一方面，外界污染物例如灰塵、鹽粒或者動物的糞便、樹葉等，在玻璃表面隨著時間積聚形成非透明覆蓋層，這不僅減少光伏組件實際被照射面積，而且降低了透射進入的太陽輻照強度，另外由于散熱性的改變，覆蓋部位會逐漸形成熱斑，嚴重時會造成整個光伏組件的破壞；另一方面，氣體污染物、鹽粒等與水混合后形成的酸性或堿性物質，空間高能粒子輻射等，在光伏組件表面積聚、消散，長期作用下會對玻璃表面不斷侵蝕，引起光伏組件玻璃蓋板光學性能的降低。

3 光伏組件的防護技術

根據環境因素對光伏組件的損傷機理，光伏組件的防護就是阻隔環境因素(主要指污染物)與玻璃表面的長時間接觸。目前，光伏組件的防護技術主要有兩種：自防護技術和后防護技術。

3.1 自防護技術

自防護技術指的是在光伏組件玻璃表面覆蓋一層涂料，阻隔污染物，避免其直接接觸；同時，所覆蓋的涂料具有自清潔能力，隨著降雨會自行將污染物除去。自防護技術具有操作便捷、適用范圍廣、全方位防護等優點。涂料的自清潔原理通常包括親水性和疏水性。親水性涂料主要依靠材料表面對水的親和性，使水滴在材料表面的接觸角趨于零，當水滴接觸材料時，迅速在其表面鋪展形成均勻的水膜[34]，水膜通過重力作用下落去除污漬，從而達到自清潔效果。疏水性涂料的自清潔是基于“荷葉效應”[35-36]，其表面具有由空氣層、乳頭狀突起和蠟質層共同組成的細微結構，這種粗糙的細微結構可以提高水滴在材料表面的接觸角，使水滴極容易滾落，水滴在材料表面滾動時會帶走灰塵和污染物，從而達到自清潔的效果。在光伏組件表面使用涂料，應根據應用環境的不同，有針對性地選用親水性或疏水性涂料，達到防污清潔的目的。例如，海洋環境中應避免使用親水性的自清潔涂料，因為親水性涂料在玻璃表面形成均勻水膜，會提高海水腐蝕的可能。

自清潔涂料的常用材料包括二氧化鈦(TiO2)與二氧化硅(SiO2)。TiO2[34,37]因具有光致催化性、光致超親水性、成本低廉等特點而被廣泛用作自清潔材料，特別是納米級粉末和薄膜的發展，使TiO2的應用得到了進一步推廣。SiO2具有低折射率、低價電性、高化學穩定性、耐酸堿腐蝕性等優良性能，因此得到了較多關注[38]。基于這兩種材料，眾多科研工作者圍繞自清潔涂料制備與性能測試開展了大量研究，并取得了一定的成果。

MU等[39]采用水熱法在玻璃表面制備了TiO2納米棒結構薄膜，該薄膜具有很好的減反性和親水性。KEMMITT等[40]采用溶膠-凝膠法制備得到多孔的透明TiO2薄膜。MIN等[41]采用旋涂法和刻蝕技術制備出了有序微凸六角柱顆粒陣列結構的SiO2薄膜，通過刻蝕時間控制其接觸角，使其具備疏水性。YAMASHITA等[42-44]采用溶膠-凝膠法在石英板表面制備了透明的SiO2薄膜，該薄膜在無紫外線照射下表現出很強的親水性，經紫外線照射后，接觸角更小，表現出超親水性。相關研究成果為TiO2和SiO2自清潔涂料的工業化制備與應用提供了可能。

除TiO2與SiO2以外，袁成清等[45-46]嘗試利用氟碳樹脂，GEREIGE等[47-48]嘗試利用ZnO，開發可應用于光伏組件表面的疏水性防污涂料，增加了自清潔涂料的選材種類。

雖然目前已經存在多種制備親水性或疏水性自清潔涂料的方法，但相關成果大多局限于實驗室研究階段[49]，離大規模的工業化生產仍有一定距離，且這些親水性或疏水性的自清潔涂料普遍存在機械性差、成本高、規模小等問題，無法在光伏領域實際應用。

3.2 后防護技術

后防護技術指的是采用清潔裝置定期清潔光伏組件玻璃表面，去除附著的污染物，避免其長時間接觸。后防護技術具有污染物去除徹底、防護效果好等優點。傳統的后防護技術是人工清洗，主要通過高壓水槍沖洗、噴灑清洗等方式進行，通常效率低下，耗費大量人力、物力，且粗暴的作業模式會對光伏組件造成不可逆的損傷。

近年來隨著機械化清理的逐漸發展，眾多國內外高校和企業加快了對光伏組件清潔裝置的研究進程[50-51]。日本的未來機械公司和香川大學研究合作研制出全球首個光伏組件免水清掃機器人，如圖2(a)所示。該機器人結構近似長方體，依靠蓄電池供電，最長可連續工作2 h，期間可對約380 m2的光伏組件進行清潔，由于該機器人的清掃過程不需要水，十分適用于中東等干旱缺水地區。日本Sinfonia Technology公司開發出一款自動行走式光伏組件清掃機器人，如圖2(b)所示。該清掃機器人由蓄電池供電，清掃能力為100 m2/h，其在移動的同時向外噴灑清洗液，隨之使用旋轉刷和刮板對目標板塊進行清掃，還配備了多種傳感器，無需鋪設軌道，可在光伏組件上自由移動。國內的思拓光伏科技公司研發出配置移動框架的光伏組件清掃機器人，如圖2(c)所示。該機器人在框架上完成清掃作業，在清掃過程中，電機和傳動部分向清掃單元和行走單元提供動力，導向單元用于限制行走單元的行走軌跡，智能控制系統控制電機的啟停，供電單元與電機和智能控制系統相連接，且自帶離網光伏發電系統用來對整個清掃裝置供電。蘇州科沃斯公司自主研發了自動升縮式無水清潔機器人RAYBOT，如圖2(d)所示。該機器人在作業期間能夠按照規劃的路線自主行走、自主清潔，行走時可以跨越最大30 mm的間隙，底部吸盤設計能使機器人安全地附著在最大安裝角度70°的光伏組件上，該機器人還配有吸塵裝置，可即時回收從光伏組件上脫落的浮塵，從而避免二次積灰。青島昱臣智能機器人企業研發的機械臂式無水光伏組件清污機器人，如圖2(e)所示。該機器人可以實現智能控制與手動操控切換，清潔能力為8 000 m2/h。各光伏組件清潔裝置在外形結構、運行控制、清掃方式等方面各有特點，可以根據光伏組件的實際應用環境選取適宜的裝置。雖然隨著光伏組件清潔裝置逐步智能化，其清潔效率顯著提高，但是在防護方面相比自清潔涂料還是存在運維成本高、可靠性低、制約因素多等缺點。

(a) 免水清掃機器人 (b) 自動行走式清掃機器人

(c) 移動框架清掃機器人 (d) 自動升縮式無水清掃機器人 (e) 機械臂式無水清掃機器人

4 結束語

光伏組件表面的玻璃蓋板直接與環境接觸，苛刻的環境因素會對其產生不同程度的損傷，從而影響整個光伏組件的可靠性。環境區域不同，其主要影響因素也有所不同，但損傷形式均集中于形成覆蓋層與侵蝕損傷，由此形成了自防護技術與后防護技術兩種防護途徑。根據光伏組件具體應用區域對環境影響因素進行了劃分，從而針對性論述了環境因素的損傷機理，并有效論述了防護手段的優劣性和防護效果，從而能夠為光伏組件實地應用的可靠性評估與壽命預測提供支撐，并為防護手段的選擇提供參考。

探索環境因素對光伏組件損傷機理，可以為防護措施的發展提供支持，在后期的發展中，應結合具體環境影響因素的自身特點，選用一種或組合兩種防護措施，來提高光伏組件的可靠性。

開展光伏組件損傷防護對于整個太陽能光伏系統的可靠運行具有十分重要的意義，無論是自防護技術還是后防護技術，都被逐漸應用于各光伏領域，但是相關技術的缺點又制約著光伏技術的進一步應用與推廣。對于自防護技術，應重點圍繞新材料的開發與涂料制備等新技術的研發，利用現在先進的分析手段、工具和理論計算水平，更多地探索揭示涂料組分、結構與表面特性間的關系，以及成膜機制的構建，使涂料具有高強度和耐用性；通過設備、工藝等技術升級，縮短涂料制備周期，提高產量，降低成本，從而形成規模化生產。對于后防護技術，應基于人工智能技術的發展，實現清潔設備的自檢測、自修復，提高可靠性與智能化，使得清潔設備能夠自主適應各種環境，發展新材料在清潔裝置上的應用，提高機動性，降低故障率。