納米自清潔薄膜在光伏電站中的應用

張永偉

(國華巴彥淖爾(烏拉特中旗)風電有限公司，巴彥淖爾 015000)

0 引言

光伏發電由于具有經濟性、環保性及安全可靠性的特點，近年來的發展態勢迅猛。截至2020年底，我國光伏發電的累計裝機容量已達253 GW；2021年，我國光伏發電量有望超過德國，成為世界第一。光伏發電的大規模應用，依賴于我國光伏發電技術的持續進步及光伏發電成本的不斷降低。作為光伏電站的核心部件，光伏組件的價格自2014年以來持續下降，截至2020年5月，國內光伏組件的出口價格已降至23美分/W。

在光伏電站的財務模型中，光伏發電系統的發電量在前3年共遞減約5%，20年后其年發電量將遞減到設計年發電量的80%。光伏組件的輸出功率是影響光伏發電系統發電量最核心的因素，而在所有影響光伏組件輸出功率的因素中，光伏組件表面的積灰是第一影響因素。

積灰對于光伏組件輸出功率的影響主要表現為：1)光伏組件表面的積灰會遮蔽照射到光伏組件表面的太陽光線；2)光伏組件表面的積灰會影響光伏組件的散熱，嚴重時會導致光伏組件產生熱斑效應，造成光伏組件的壽命縮減甚至損壞光伏組件[1]；3)具備酸堿性的灰塵長時間沉積在光伏組件表面，會侵蝕光伏組件玻璃表面，造成玻璃表面粗糙不平，從而進一步積聚灰塵，同時還會增加太陽光線的漫反射[1]。

光伏組件表面的嚴重積灰對光伏發電系統發電量的影響非常大，因光伏組件表面積灰造成的光伏發電系統發電量降低5%～10%是國內光伏電站普遍存在的現象，個別光伏電站甚至會因光伏組件表面積灰塵造成光伏發電系統的發電量損失30%以上。而且由于不同地區的光伏電站中光伏組件表面積灰的來源、清洗方式、清洗頻次等千差萬別，給光伏電站的運維帶來了挑戰。

21世紀初，以納米級TiO2光催化為主體的新材料技術在日本及歐洲得到了廣泛的應用探索，主要被應用于空氣凈化、水凈化、抗菌、殺菌、防污(自清潔)、防霧等領域。含有納米級TiO2光催化的自清潔薄膜(下文簡稱為“納米自清潔薄膜”)對抗灰塵起到了很好的作用，其在干燥環境下能夠有效減少因摩擦、受熱等導致的靜電吸附，同時還可以減少大片粘結的黏性土粒在其表面層疊堆積[2]；該納米自清潔薄膜還具有分解有機物的能力，可有效減少有機物連帶的灰塵粘結現象[3]；另外，該納米自清潔薄膜在玻璃表面的納米尺度上是粗糙的，這種納米級粗糙度可以使灰塵粒子的接觸面積更小，從而減少摩擦力，使灰塵更容易滑落[4]；該納米自清潔薄膜還具有超強親水性，可以使水在其表面的延展性更加優良，在玻璃表面形成一層平滑的水膜，進一步降低灰塵與接觸面的摩擦系數。

為此，本文針對玻璃表面涂布納米自清潔薄膜后的性能進行分析，并對采用了該納米自清潔薄膜的光伏組件進行實驗室級別的戶外曝曬落灰測試，以及濕凍測試、濕熱測試和紫外測試等耐候性測試；然后以我國因氣候、地形特征原因導致的典型的灰塵污染嚴重地區——內蒙古自治區烏拉特中旗川井鎮作為實際驗證的實驗基地，對光伏組件玻璃表面采用納米自清潔薄膜后的效果進行研究及驗證。

1 實驗準備及實驗流程

本實驗采用了一種含有納米級TiO2光催化的自清潔材料，該材料是一種功能性水基溶液，主要組分為無機氧化物和二氧化鈦，其特殊配方成功解決了溶液中有效成分的高效分散機制，在玻璃表面噴涂該溶液，無須經過熱處理即可在玻璃表面快速形成無機納米結構的膜層[5]。

采用FAT200接觸角測定儀測試光伏組件用玻璃表面涂布了該納米自清潔薄膜后的親水角。

本實驗采用的光伏組件為天合光能股份有限公司生產的同型號的多晶硅光伏組件，共6塊。

由國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心對3塊未涂布納米自清潔薄膜的光伏組件(下文簡稱為“普通光伏組件”)和3塊已涂布納米自清潔薄膜的光伏組件(下文簡稱為“納米自清潔光伏組件”)在北京地區進行了戶外曝曬落灰測試(15天)，以及濕凍測試、濕熱測試和紫外測試等耐候性測試。所有測試的測試流程如圖1所示。

圖1 所有測試的測試流程圖Fig. 1 Test flow chart for all tests

對納米自清潔光伏組件和普通光伏組件進行了實驗室級別的耐候性測試后，以內蒙古自治區烏拉特中旗川井鎮作為實際驗證的實驗基地，對納米自清潔薄膜對光伏方陣年發電量的影響效果進行實證對比測試及驗證。

2 不同粒徑粒子在不同納米級粗糙度表面的摩擦力實驗

對不同粒徑的粒子在不同納米級粗糙度表面的摩擦力情況進行分析，結果如圖2所示。圖中：Rrms為納米級粗糙度；F為摩擦力；Ftip為納米級粒子的摩擦力；Fsphere為灰塵粒子的摩擦力。

圖2 不同粒徑粒子在不同納米級粗糙度表面的摩擦力[6]Fig. 2 Friction force of particles of different sizes on the surface with different nano-level roughness[6]

從圖2可以看出，粒徑為微米級以上的灰塵粒子的摩擦力隨著表面納米級粗糙度的增大而減小。

實驗選用的納米自清潔薄膜在進行產品設計時采用的理念是利用納米金屬無機氧化物形成特有的納米粒子殼核包覆結構(如圖3所示)將納米TiO2包裹，該納米金屬無機氧化物與玻璃基板表面鍵合形成性能穩定的納米膜層，該膜層有可控孔隙，能降低納米自清潔薄膜的折射率，同時，納米粒子殼核包覆結構增大了納米自清潔薄膜的比表面積，提高了納米自清潔薄膜的光催化能力。

圖3 納米自清潔薄膜的納米粒子殼核包覆結構Fig. 3 Shell-core cladding structure of nanoparticles of nano self-cleaning film

由于納米自清潔薄膜采用納米粒子殼核包覆結構的堆疊模式，其表層在納米尺度上是非封閉性的膜層，納米粒子的大小決定了孔隙率及表面納米級粗糙度，因此，通過控制納米粒子的大小可間接控制灰塵在納米自清潔薄膜表面的摩擦力。

由于納米自清潔薄膜表面具有合適的納米級粗糙度，因此可以有效減少灰塵在其表面的摩擦力。不同玻璃表面形態下灰塵粒子接觸面積的情況如圖4所示。

圖4 不同玻璃表面形態下灰塵粒子的接觸面積情況Fig. 4 Situation of dust particle contact area under different glass surface morphology

從圖4可以看出，普通玻璃表面平整時，微米級灰塵粒子與納米級表面的接觸面積大(圖中虛線圈出的地方)；當納米自清潔玻璃表面為納米級粗糙度時，微米級灰塵粒子與納米自清潔膜層表面的接觸面積小(圖中虛線圈出的地方)。

相關研究表明[1]，在不考慮極端天氣所引起的沙塵暴天氣的情況下，針對光伏組件表面積灰而言，主要是考慮粒徑在5～50 μm之間的灰塵粒子，因為粒徑更小的干燥灰塵粒子會隨風飄走，不容易落在光伏組件表面；當干燥的小粒徑灰塵粒子疊加后其粒徑超過50 μm或重量較大時，則其在風力、自身重力的作用下會從光伏組件表面自動滑落，不會對光伏組件產生較大影響。

3 親水角測試

涂布了納米自清潔材料的壓花超白光伏組件用玻璃(下文簡稱為“納米自清潔玻璃”)與未涂布納米自清潔材料的壓花超白光伏組件用玻璃(下文簡稱為“普通玻璃”)的親水角情況如圖5所示。

圖5 納米自清潔玻璃與普通玻璃的親水角情況Fig. 5 Situation of hydrophilic angle of nano self-cleaning glass and ordinary glass

采用JC/T 2168—2013《自潔凈鍍膜玻璃》中第6.4.2條對納米自清潔玻璃與普通玻璃進行親水角對比測試。本實驗選取了3塊納米自清潔玻璃(編號為1#～3#)和1塊普通玻璃(編號為4#)作為測試樣品，每個樣品均測試4個角和1個中心點共5個點，然后取5個點的平均值，具體數據表如表1所示。

表1 納米自清潔玻璃與普通玻璃的親水角數據表Table 1 Hydrophilic angle data sheet of nano self-cleaning glass and ordinary glass

由表1可知，納米自清潔玻璃的親水角較小，說明其具有明顯的超親水特性。

4 納米自清潔薄膜對光伏組件最大輸出功率影響的測試

測量3塊普通光伏組件的最大輸出功率，將這3塊普通光伏組件涂布納米自清潔材料制備成為納米自清潔光伏組件后，再次測量其最大輸出功率，測試得到的數據如表2所示。表中：Pmax為光伏組件的最大輸出功率。

表2 普通光伏組件涂布納米自清潔材料前、后Pmax的變化情況Table 2 Pmax Power changes before and after coating nano self-cleuning materials on ordinary PV modules

由表2可知，相比于納米自清潔材料涂布前普通光伏組件的Pmax，納米自清潔材料涂布后光伏組件的Pmax直接提升了0.50%以上。

由于該普通光伏組件的納米自清潔材料是采用手動噴涂，導致未能精準控制納米自清潔薄膜的厚度。經驗表明，改用自動化設備進行納米自清潔材料的噴涂，光伏組件的最大輸出功率提升基本在1.0%以上。

5 戶外曝曬落灰測試

采用3塊普通光伏組件和上一個測試環節中已制備好的3塊納米自清潔光伏組件進行戶外曝曬落灰測試，測試時間為15天。測試前后2種光伏組件的Pmax變化情況如表3所示。

縱觀馬克思的青年時代，他也擁有本屬于青年人的一般特質，甚至曾經是一個叛逆青年。他曾經流連于所謂“特里爾同鄉會”組織的各種聚會當中，也曾因為每個月的巨額花銷遭到父親的斥責。但是，這些只是一個年輕人在成長過程中的一段插曲，而馬克思在青年時代所展現出的與眾不同的精神特質，注定意味著他將在自己的人生中譜寫出壯麗的樂章。

表3 戶外曝曬落灰測試前、后2種光伏組件的Pmax變化情況Table 3 Changes of Pmax of two kinds of PV modules before and after outdoor exposure and dust falling test

從表3可以看出，經過15天的戶外曝曬落灰測試后，普通光伏組件的輸出功率衰減率均值比納米自清潔光伏組件的高0.96%，由此可反映出納米自清潔光伏組件的自清潔效果。

6 耐候性測試

在戶外曝曬落灰測試后需要對所有光伏組件進行清洗，并待所有光伏組件的性能恢復到滿足測試條件后，再進行耐候性測試。耐候性測試包括濕凍測試、濕熱測試及紫外測試(測試方式如圖1所示)。對普通光伏組件與納米自清潔光伏組件進行耐候性測試，測試結果如表4所示。

表4 普通光伏組件與納米自清潔光伏組件的耐候性測試結果Table 4 Weather resistance test results of ordinary PV modules and nano self-cleaning PV modules

從表4中的數據可以看出，納米自清潔光伏組件的輸出功率衰減率不足1%，說明涂布了納米自清潔薄膜的光伏組件符合IEC 61215:2016中的相關要求規定。經過耐候性測試后，未出現由于納米自清潔薄膜受環境影響被破壞而造成的光伏組件輸出功率衰減率超規的情況，由此可知，納米自清潔薄膜在光伏組件25年質保期限內不會失效。

7 納米自清潔薄膜對光伏組件發電量影響的實證

2018年6月上旬，內蒙古自治區烏拉特中旗川井鎮實驗基地完成了光伏組件納米自清潔薄膜的涂布作業，施工過程及施工后光伏組件的照片如圖6所示。

圖6 納米自清潔薄膜的涂布施工及2種光伏組件的實物對比Fig. 6 Nano self-cleaning film spraying construction and physical comparison of two kinds of PV modules

8-2#逆變器對應的光伏方陣為采用納米自清潔薄膜的光伏方陣(下文簡稱為“納米自清潔光伏方陣”)，10-1#逆變器對應的光伏方陣為未采用納米自清潔薄膜的普通光伏方陣(下文簡稱為“普通光伏方陣”)，跟蹤記錄上述逆變器對應的光伏方陣為期2年(2018年6月16日-2020年6月15日)的發電量數據，然后進行對比分析。

烏拉特中旗深居大陸，遠離海洋，地處高原，氣候差異很大，具有高原寒暑變化劇烈的特點。其春季干燥、多風、少雨雪；夏季短促、雨量集中；秋季溫和涼爽，降雨量少、蒸發量大；冬季漫長、少雨雪，可持續5個月(11月-次年3月)。為便于分析海量數據，先將數據依照烏拉特中旗川井鎮的季節特點及跨度時長進行分段。烏拉特中旗川井鎮各季節的時間跨度如表5所示。

表5 烏拉特中旗川井鎮各季節的時間跨度Table 5 Time span of each seasons in Chuanjing town of Urad Central Banner

將2018年6月16日-2020年6月15日期間納米自清潔光伏方陣的發電量與普通光伏方陣的發電量情況進行對比，其中，將2018年6月16日-2019年6月15日作為第1年來分析，2019年6月16日-2020年6月15日作為第2年來分析。2年期間納米自清潔光伏方陣的發電量及其增幅情況如圖7所示。

圖7 2年期間納米自清潔光伏方陣的發電量及其增幅Fig. 7 Power generation capacity and proportion of increased power generation capacity of nano self-cleaning PV array during two years

從圖7可以看出：

1)由于該地區夏季的氣候特點是雨量集中，因此2年期間，夏季時段納米自清潔光伏方陣的發電量峰值變化量不大，不存在光伏方陣發電量明顯衰減問題。從發電量增幅來看，第1年的6月上旬納米自清潔光伏方陣完成了納米自清潔薄膜的涂布工作，促使納米自清潔光伏方陣當年的發電量增幅比第2年的發電量增幅高；整體來看，納米自清潔光伏方陣第1年和第2年的發電量增幅均維持在3%以上。

2)由于該地區秋季的氣候特點是溫和涼爽，降雨量少、蒸發量大，因此秋季時段，納米自清潔光伏方陣在第1年和第2年時的發電量峰值存在一定的差異。因夏季時的發電量峰值差異不明顯，秋季時的發電量峰值差異可以認為是由光伏組件表面整體清潔度差異或其他原因(如天氣)造成的。從發電量增幅來看，第1年的發電量增幅比第2年的高，第2年的發電量增幅僅稍有增加，但這2年的發電量增幅均維持在3%以上。

3)冬季時段中，部分時段納米自清潔光伏方陣的發電量峰值較夏季、秋季時的有明顯減少，比如11月、12月及1月部分時段的發電量明顯偏少。從發電量增幅來看，相較于普通光伏方陣，這2年期間納米自清潔光伏方陣的發電量均稍有增加，且發電量增幅均維持在3%以上。

4)由于該地區春季干燥、多風、少雨雪，因此春季時段，第1年和第2年納米自清潔光伏方陣的發電量峰值變化量不大。從發電量增幅來看，相較于普通光伏方陣，這2年期間納米自清潔光伏方陣的發電量均稍有增加，且發電量增幅均維持在3%以上。

綜上所述，根據烏拉特中旗川井鎮實驗基地的結果來看，我國西部、北部區域，風沙量大、雨量稀少，在實驗觀測的這2年期間，納米自清潔薄膜的應用使光伏方陣發電量能夠實現3%以上的增幅目標。

8 結論

本文對納米自清潔薄膜的性能進行了分析，對噴涂了納米自清潔材料的光伏組件進行了性能測試，并進行了發電量的實際驗證，得到以下結論：納米自清潔光伏組件可為減少光伏電站受灰塵影響而降低發電量的問題提供一種可供選擇的解決方案。納米自清潔薄膜提高了光伏組件的最大輸出功率，且自清潔效果及環境可靠性都可以被量化驗證。根據烏拉特中旗川井鎮實驗基地2年的跟蹤實驗結果來看，在我國風沙量大、雨量稀少的西部、北部區域應用此種薄膜能夠實現設定的3%的光伏方陣發電量增幅目標。