國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司 ■ 左燕 王銳 嚴(yán)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(qū)光伏電站的建設(shè)規(guī)模及保有量的不斷增長，光伏組件表面積塵對電站發(fā)電效率及運(yùn)營維護(hù)的影響日益凸顯，積塵成因分析及相應(yīng)清潔技術(shù)的開發(fā)越來越受到業(yè)界關(guān)注。研究表明，光伏組件表面積塵會對太陽輻射產(chǎn)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(zhuǎn)換效率會迅速降低。Khadija[1]研究發(fā)現(xiàn)，光伏組件表面積塵的形成是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，并受多種因素影響。溫巖等[2]認(rèn)為，光伏組件表面積塵會對玻璃的透光率及組件散熱產(chǎn)生一定影響，并且會對玻璃表面產(chǎn)生腐蝕。汪繼偉等[3]通過對廣泛采用的光伏組件清潔技術(shù)的成本及缺陷進(jìn)行分析，提出了對于新型清潔技術(shù)的需求。

西部荒漠及半荒漠地區(qū)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(jī)械沖洗相結(jié)合的表面清潔技術(shù)。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(zhì)較差、清潔質(zhì)量低、周期短、成本高等諸多問題。對于建設(shè)在高原地區(qū)的光伏電站，因場地地勢起伏較大，也很難實(shí)現(xiàn)高度自動化、智能化清潔設(shè)備的規(guī)模化應(yīng)用。因此，西部荒漠及半荒漠地區(qū)大型光伏電站組件表面高效清潔技術(shù)的開發(fā)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(qū)的格爾木荒漠地區(qū)為例，對其光伏電站組件表面積塵進(jìn)行采樣，通過X射線衍射分析(X-Ray Diffraction，XRD)對積塵進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對積塵進(jìn)行顆粒形態(tài)分析，并結(jié)合電站地表沙塵成分及當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，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(qū)內(nèi)不同區(qū)域的子陣(相距約5 km)的光伏組件表面積塵進(jìn)行分組采樣并進(jìn)行XRD測試，結(jié)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(zhì)，如圖1所示。該測試結(jié)果與孟廣雙[4]對該地區(qū)進(jìn)行的地表土質(zhì)成分分析結(jié)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(qū)地表土質(zhì)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(xì)顆粒灰塵(直徑D≤100 μm)和粗顆?；覊m(直徑D＞100 μm)。通過對2014年、2017年安裝于格爾木荒漠地區(qū)光伏電站中不同子陣內(nèi)光伏組件的表面積塵進(jìn)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(xì)顆?；覊m，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(yùn)營維護(hù)時(shí)會定期清潔光伏組件，在清潔周期內(nèi)，光伏組件的表面積塵顆粒趨向于細(xì)顆?；覊m的均勻分布，而粗顆?；覊m在安裝傾角、風(fēng)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(guān)系的建模分析結(jié)果相一致，即在干燥多風(fēng)的荒漠地區(qū)，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(xì)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(qū)，當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)楦咴箨懶詺夂?，?jīng)常出現(xiàn)沙塵暴、揚(yáng)塵和浮塵等天氣。根據(jù)1961～2010年青海省多地區(qū)沙塵天氣的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示[5]，格爾木的常年風(fēng)力在4～5級之間，4級和風(fēng)的風(fēng)速為5.5～7.9 m/s，足以吹起地表灰塵與紙張。同時(shí)，數(shù)據(jù)還顯示，格爾木地區(qū)的沙塵暴和浮塵天氣的發(fā)生次數(shù)與降塵量均明顯高于共和、同仁(海東區(qū))等地區(qū)。由于格爾木荒漠地區(qū)光伏電站組件的表面積塵成分與該地區(qū)地表沙塵成分具有一致性，且積塵粒徑趨于細(xì)顆?；覊m的均勻分布，因此可以推斷，格爾木荒漠地區(qū)光伏電站組件表面積塵的主要來源為當(dāng)?shù)氐乇砩硥m與大氣降塵中的細(xì)顆粒灰塵。

2.2 細(xì)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(qiáng)(如Na+)。當(dāng)玻璃表面的陽離子周圍所圍繞的氧離子數(shù)目無法達(dá)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的堿離子通道模型基礎(chǔ)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(fā)生交換，形成Si-OH基團(tuán)。當(dāng)玻璃表面通道由比較弱的氫鍵連接時(shí)，其表面區(qū)域鍵能會降低，容易形成表面缺陷，同時(shí)也更利于表面離子的相互擴(kuò)散。當(dāng)玻璃表面具有較大活潑性和表面缺陷時(shí)，其表面很容易吸附空氣中的細(xì)顆?；覊m。

2.3 影響積塵的因素

光伏組件表面積塵成因復(fù)雜且受多種因素影響，如圖4所示，僅改善單一因素很難達(dá)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(shù)

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(xiàn)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(fā)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(fā)組件的熱斑效應(yīng)，影響電站的運(yùn)行安全。3)積塵還會對玻璃表面產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)。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(fā)生交換作用，生成Na2CO3、K2CO3等堿性物質(zhì)，從而腐蝕玻璃表面[7]。隨著腐蝕效應(yīng)的進(jìn)行，堿性物質(zhì)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(jìn)一步促進(jìn)玻璃表面的腐蝕。

對格爾木荒漠地區(qū)光伏電站中組件表面積塵的樣本進(jìn)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(xì)小凹面，增加粗糙度。當(dāng)太陽光入射時(shí)，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(nèi)部的折射光減少，進(jìn)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(fā)電效率。

3.2 常規(guī)清潔技術(shù)

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(qū)因受地理環(huán)境、水資源等條件限制，采用常規(guī)的人工擦拭與高壓水射流結(jié)合的清潔方式仍存在較多弊端。對于常規(guī)清潔方式而言，若擦拭工具選用不當(dāng)、操作不規(guī)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(qū)光伏電站清潔用水的取樣進(jìn)行分析可知，當(dāng)?shù)厮|(zhì)的PH值為8.4，總硬度(CaCO3)為29.6 GPG，已遠(yuǎn)超出美國水質(zhì)量協(xié)會(WQA)標(biāo)準(zhǔn)中對于極硬水(14.0 GPG)的規(guī)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(zhì)很容易板結(jié)于玻璃表面，進(jìn)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(shù)

1805年，Young通過對物質(zhì)表面親水、疏水性進(jìn)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(xiàng)達(dá)到平衡時(shí)的接觸角。當(dāng)θ＞90°時(shí)，固體表面會表現(xiàn)出疏水性；當(dāng)θ＜90°時(shí)，固體表面會表現(xiàn)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(dǎo)出大粗糙度和細(xì)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(dāng)θ＞150°時(shí)，固體表面表現(xiàn)出超疏水性，通過膜層表面結(jié)構(gòu)使水滴極易從固體表面滾落，滾動同時(shí)帶走污染物質(zhì)，即俗稱的“荷葉效應(yīng)”。1995年，TOTO公司偶然發(fā)現(xiàn)TiO2表面具有親水性，將SiO2和TiO2摻雜后的涂層表現(xiàn)出超親水性(θ＜5°)，當(dāng)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(fēng)或重力等外力作用下污染物自動脫落，達(dá)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(yīng)采用自清潔防塵技術(shù)，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(xiàng)技術(shù)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(qū)光伏組件表面細(xì)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(shù)和減反射技術(shù)的光伏玻璃進(jìn)行組件封裝后，同時(shí)置于戶外同一區(qū)域，觀察表面積塵經(jīng)雨水清潔后的效果對比。降雨時(shí)，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(shí)不同光伏玻璃的表面對比

4.2 組件功率對比

減反射技術(shù)可使普通光伏玻璃的透光率提升約2.3%，自清潔防塵技術(shù)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(jìn)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(shù)的透光率對比

表2 組件功率對比

4.3 電站發(fā)電量及清潔費(fèi)用對比

以格爾木地區(qū)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(gè)子陣在1年內(nèi)的發(fā)電量數(shù)據(jù)如圖8所示，自清潔防塵光伏組件的每MW發(fā)電量比減反射光伏組件提升約2%。

圖8 2個(gè)子陣1年內(nèi)的發(fā)電量數(shù)據(jù)

荒漠及半荒漠地區(qū)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(yù)計(jì)減少1/3～1/2，按照清潔費(fèi)用4000～5000元/MW計(jì)算，10 MW規(guī)模的光伏電站每年可節(jié)約清潔費(fèi)用約16～30萬元。

5 結(jié)論

本文針對荒漠及半荒漠地區(qū)的光伏組件表面積塵及清潔技術(shù)進(jìn)行了研究，以格爾木的荒漠地區(qū)為例，對不同時(shí)期安裝的光伏組件表面積塵進(jìn)行取樣，通過XRD及SEM分析積塵的物理特性與化學(xué)特性，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)與組件清潔用水的水質(zhì)檢測，提出光伏組件自清潔防塵技術(shù)在荒漠地區(qū)應(yīng)用的必要性，并通過自清潔防塵光伏組件的戶外實(shí)證與數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)?shù)毓夥娬窘M件的表面積塵主要來源于該地區(qū)地表沙塵，且隨著時(shí)間增長，積塵更趨于小顆?；覊m的均勻分布，灰塵顆粒具有鹽堿化特性。

2)當(dāng)?shù)毓夥娬厩鍧嵱盟哂杏不?堿化性質(zhì)，若采用常規(guī)清潔方式會進(jìn)一步 促進(jìn)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(chǔ)上提高光伏電站組件的清潔效率，降低清潔成本并提升發(fā)電量。