潘 勝

(國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，無錫 214028)

0 引言

目前，用于光伏組件封裝的光伏玻璃以超白壓花鍍膜玻璃為主，其是較為成熟的產(chǎn)品。光伏玻璃的性能主要體現(xiàn)在透光率、耐候性、自清潔性這3方面，其中，光伏玻璃的增透膜工藝已趨于成熟，透光率的提升空間較??；用戶對于耐候性能的追求也趨于理性化。而在光伏組件使用過程中，若清潔維護(hù)不到位會導(dǎo)致組件表面污染物附著，長期累積會嚴(yán)重影響組件的發(fā)電效率，因此，光伏玻璃的自清潔性是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。風(fēng)沙和降塵對戶外光伏電站發(fā)電效率的影響由來已久，是電站效益和運(yùn)維面臨的長期挑戰(zhàn)。由于氣候原因，我國西北地區(qū)的大型地面光伏電站中的光伏組件普遍存在沙塵堆積附著的情況，這一問題亟待解決。

隨著光伏發(fā)電的普及和推廣，越來越多的企業(yè)和科研單位著手解決這一難題。美國3M公司研發(fā)了自清潔鍍膜液，荷蘭帝斯曼公司也于2017年推出了防塵鍍膜液。以防塵玻璃為代表的自清潔玻璃正成為光伏玻璃的下一個(gè)發(fā)展方向，通過在玻璃表面涂敷防塵涂料，可以讓玻璃擁有更高的耐磨性、自清潔性，降低沙塵對組件的影響，從而緩解電站的維保壓力。當(dāng)前國內(nèi)外尚無相關(guān)測試手段驗(yàn)證該類產(chǎn)品的可靠性，因此本文選取了原片玻璃及2種光伏玻璃進(jìn)行沙塵測試，旨在為光伏玻璃防塵性能提供參考。

1 本研究的相關(guān)理論

1.1 玻璃表面的吸附理論

玻璃表面的吸附主要分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是由范德華力和靜電力(電荷效應(yīng))引起的?；瘜W(xué)吸附也可看作是玻璃表面的化學(xué)反應(yīng)，普通玻璃的主要成分為二氧化硅，在玻璃成型過程中，硅氧四面體[SiO4]的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)斷裂，表面形成大量過剩的極性基團(tuán)，為了保持表面中性和化學(xué)計(jì)量組成，其會通過吸附大氣中的活性分子來降低表面能。圖1為玻璃表面的吸附原理圖[1]。

圖1 玻璃表面的吸附原理圖Fig.1 Absorption principle of glass surface

1.2 光伏玻璃膜層的減反射理論

光伏玻璃是在玻璃表面涂一層或多層多孔金屬氧化物或化合物，形成膜層，利用光在光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)中反射光干涉相消的原理降低反射，增加透光率，一般增透率可達(dá)2%以上[2]。圖2為光伏玻璃膜層的減反射原理圖。

圖2 光伏玻璃膜層的減反射原理圖Fig.2 Anti-reflection principle of PV glass coating

1.3 沙塵的理化特性

沙塵的化學(xué)組成和粒徑會對玻璃表面產(chǎn)生不同的影響，結(jié)合玻璃產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，應(yīng)選取合適的沙塵成分配比。其中，大粒徑的沙主要是磨蝕玻璃表面，從而破壞玻璃表面結(jié)構(gòu)和光伏玻璃膜層特性。小粒徑的塵則通過物理和化學(xué)吸附，黏附在玻璃表面形成遮擋，從而降低光的透過率。此外，長時(shí)間的沙塵粘附能夠引起玻璃表面腐蝕和霉菌生長，從而影響玻璃的理化性能。

結(jié)合實(shí)際情況，本研究將沙塵測試分為吹沙、吹塵、降塵3種。這3種測試所用的沙塵分別為：用于吹沙測試的不同粒徑占比的石英砂(見圖3)、用于吹塵測試的粒徑≤149 μm的石英砂，以及用于降塵測試的粒徑≤105 μm的滑石粉這3種。

圖3 用于吹沙測試的不同粒徑占比的石英砂Fig.3 Quartz sand with different particle size ratios for sand blasting test

1.4 沙塵測試的影響因子和參數(shù)選擇

通過實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，沙塵的磨蝕和粘附效應(yīng)與風(fēng)速、沙塵特性(種類和濃度)、環(huán)境溫度、相對濕度、樣品安裝角度均存在相關(guān)性。下文就吹沙、吹塵、降塵這3種測試中的風(fēng)速、沙塵濃度、環(huán)境溫度、相對濕度及樣品安裝角度等因素的選取方式進(jìn)行了具體分析。

1)風(fēng)速：大顆粒沙塵需要18 m/s以上的風(fēng)速才能吹起，而風(fēng)速＞29 m/s的陣風(fēng)在陸地上較為罕見，因而吹沙測試應(yīng)選取18～29 m/s的風(fēng)速；吹塵測試選取風(fēng)速為8.9 m/s的典型沙漠風(fēng)；降塵測試僅采用足以驅(qū)散樣品上面空氣中塵土的風(fēng)速，樣品處風(fēng)速不超過0.2 m/s。

2)沙塵濃度：吹沙測試時(shí)，石英砂濃度為1.1±0.3 g/m3時(shí)適用于普通強(qiáng)度的測試，濃度為2.2± 0.5 g/m3和5.0±1.5 g/m3分別適用于較嚴(yán)苛和嚴(yán)苛強(qiáng)度的測試；吹塵測試時(shí)，石英砂的濃度控制在10.6±7 g/ m3；無特殊情況時(shí)，降塵測試時(shí)的降塵速率為6±1 g/m2/d。

3)環(huán)境溫度：吹沙、吹塵測試的環(huán)境溫度控制在20～60 ℃之間，降塵測試的環(huán)境溫度為23±2℃。溫度升高能夠激發(fā)光伏玻璃膜層的活性，降低其表面硬度，加速分子和微塵的布朗運(yùn)動，加劇沙塵對樣品的磨蝕、粘附和腐蝕。

4)相對濕度：對于吹沙和吹塵測試，相對濕度應(yīng)保持在30%以下，過高的濕度會使沙塵黏連、變質(zhì)。高濕度與吹沙、吹塵測試不匹配，因?yàn)楦邼穸拳h(huán)境會使沙塵失去活力。降塵測試對于濕度較為敏感，相對濕度選取15%，尤其是城市中存在化學(xué)性侵蝕灰塵時(shí)，暖濕的環(huán)境會加速光伏玻璃膜層的腐蝕和霉變。

5)樣品安裝角度：樣品安裝角度會影響到沙塵與樣品的接觸角度、沙塵自由沉積時(shí)樣品的受塵面積及自然風(fēng)的清潔效果。所以測試時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際環(huán)境的太陽高度角、風(fēng)向、主要污染物等因素進(jìn)行綜合考慮。

2 3 種樣品的沙塵測試

本研究選取原片玻璃和2種光伏玻璃——普通減反射涂層(AR)玻璃、防塵(Anti-Soiling，AS)玻璃這3種樣品，分別進(jìn)行沙塵測試。

2.1 吹沙測試

吹沙測試主要考察光伏玻璃膜層的抗風(fēng)沙磨蝕能力，由于實(shí)際環(huán)境中影響因素較多，本研究采用了最具代表性的參數(shù)，即石英砂濃度為2.2 g/m3、風(fēng)速為24 m/s、環(huán)境溫度為50 ℃、相對濕度為30%、樣品安裝角度為45°。設(shè)定好以上參數(shù)后，分別進(jìn)行60、120、180、300、480及960 min的吹沙測試；測試完成后取出樣品，用去離子水清洗樣品，在自然環(huán)境下晾干后分別測試樣品透光率，并計(jì)算樣品測試前后的透光率衰減(即“實(shí)驗(yàn)前透光率-實(shí)驗(yàn)后透光率”)情況，結(jié)果如表1所示。

表1 吹沙測試前后樣品的透光率及其衰減情況Table 1 Transmittance and attenuation of samples before and after sand blasting test

圖4、圖5分別為普通AR玻璃、AS玻璃吹沙測試前，以及300 min、960 min吹沙測試后膜層的截面外觀形貌圖。

圖4 吹沙測試前后普通AR玻璃膜層的截面外觀形貌圖Fig.4 SEM figures of ordinary AR glass coating before and after sand blasting test

由圖4、圖5可以看出，沙塵通過磨蝕玻璃表面，破壞了光伏玻璃膜層的橫截面形貌(厚度和孔隙結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致光伏玻璃膜層失效，失去減反射效果。在其他參數(shù)一定的情況下，測試時(shí)間與磨蝕效應(yīng)成正比，沙塵對原片玻璃的磨蝕效應(yīng)最??；對普通AR玻璃的影響最大，長時(shí)間的作用甚至?xí)斐晒夥Ａ用撀洌p反射效果；對AS玻璃的影響介于上述二者之間，AS玻璃在一定的使用期內(nèi)可以保持較好的抗沙塵磨蝕作用。

圖5 吹沙測試前后AS玻璃膜層的截面外觀形貌圖Fig.5 SEM figures of AS glass coating before and after sand blasting test

2.2 吹塵測試

吹塵測試主要考察光伏玻璃膜層的抗風(fēng)沙粘附能力，由吹塵和高溫貯存2個(gè)測試階段組成。吹塵時(shí)，參數(shù)設(shè)置為：石英砂濃度為10.6 g/m3、風(fēng)速為8.9 m/s、環(huán)境溫度為23 ℃；高溫貯存時(shí)，環(huán)境溫度為50 ℃；2個(gè)測試階段的相對濕度均為15%、樣品安裝角度均為45°、測試時(shí)間均為6 h。

設(shè)定好以上參數(shù)后進(jìn)行吹塵測試，測試完成取出樣品后不作任何處理，直接測試其透光率；然后用8.0 m/s的風(fēng)速，以45°角搖擺吹掃樣品表面60 s，再次測試樣品透光率；最后用去離子水清洗，在自然環(huán)境下晾干后測試樣品透光率。具體測試結(jié)果如表2所示。

吹塵時(shí)，沙塵會對樣品產(chǎn)生粘附，由于物理和化學(xué)的粘附作用，玻璃表面粘附著不同層次的、具有不同粘附功和理化性質(zhì)的灰塵和污染物。由表2可知，吹塵測試結(jié)束后，不同處理方式對測試后樣品透光率的影響的區(qū)別較大。由于吹塵測試所用風(fēng)的方向是固定的，高濃度沙塵同方向吹掃，在樣品表面會形成層次性的積塵；若以8.0 m/s風(fēng)速45°角搖擺吹掃來模擬自然風(fēng)的無定向形態(tài)，可以吹去樣品表面未形成牢固粘附的積塵和污染物，此方式處理后的透光率相對于測試后未經(jīng)過其他處理時(shí)的略有提高；而經(jīng)過去離子水清洗晾干后，樣品的透光率進(jìn)一步提高。

表2 吹塵測試前及測試后不同處理階段下的樣品透光率情況Table 2 Transmittance of the sample before and after the dust blowing test under different treatment stages

吹塵測試后普通AR玻璃與AS玻璃未處理時(shí)、以8.0 m/s風(fēng)速45°角搖擺吹掃60 s后，以及去離子水清洗晾干后2種玻璃的外觀圖，如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7中可以看出，表面塵土對光伏玻璃透光率的影響相當(dāng)嚴(yán)重，凸顯了組件清洗的重要性，但頻繁的清洗會造成光伏玻璃表面膜層損傷。AS玻璃在未清洗狀態(tài)下比普通AR玻璃擁有更好的防塵性能，其依靠自然風(fēng)的吹掃即可擁有不錯(cuò)的自清潔性能。對于缺水和清洗不便的地區(qū)，AS玻璃能夠有效降低清洗次數(shù)，以保證光伏組件的效率和壽命。

圖6 吹塵測試后普通AR玻璃在不同處理階段下的外觀圖Fig.6 Appearance of ordinary AR glass under different treatment stages after dust blowing test

圖7 吹塵測試后AS玻璃在不同處理階段下的外觀圖Fig.7 Appearance of AS glass under different treatment stages after dust blowing test

2.3 降塵測試

降塵測試主要考察光伏玻璃膜層的防風(fēng)沙粘附和防腐蝕能力。該測試不僅適用于多風(fēng)沙地區(qū)，在南方城市的工業(yè)區(qū)同樣適用。若光伏玻璃表面長時(shí)間的微塵沉積，再加上濕氣和有機(jī)物的存在，易滋生微生物，產(chǎn)生霉變，造成光伏玻璃膜層的腐蝕。

降塵測試的參數(shù)設(shè)定為：滑石粉下降速率為6 g/m2/d、環(huán)境溫度為23 ℃、相對濕度為15%、樣品安裝角度為45°。按照上述參數(shù)完成降塵測試后，取出樣品觀察其外觀，然后用8.0 m/s的風(fēng)速，以45°角搖擺吹掃樣品表面60 s，再測試樣品的透光率；最后用去離子水清洗，在自然環(huán)境下晾干，再次測試透光率，測試結(jié)果如表3所示。圖8為降塵測試后以8.0 m/s的風(fēng)速45°角搖擺吹掃60 s后普通AR玻璃和AS玻璃的外觀圖。

表3 降塵測試前后不同處理階段下的樣品透光率情況Table 3 Transmittance of the sample under different treatment stages before and after the dust reduction test

圖8 降塵測試后以8.0 m/s的風(fēng)速45°角搖擺吹掃60 s后2種光伏玻璃的外觀Fig.8 Appearance of two kinds of PV glasses after 60 s swing sweep at a 45° angle of wind speed of 8.0 m/s after dust reduction test

由表3可知，AS玻璃在以8.0 m/s的風(fēng)速45°角搖擺吹掃60 s后，擁有優(yōu)秀的自清潔性能，圖8也很好地說明了這一點(diǎn)；而且AS玻璃在防風(fēng)沙粘附和防腐蝕方面比普通AR玻璃擁有更好的優(yōu)勢。

2.4 小結(jié)

上述測試中，與原片玻璃、普通AR玻璃相比，AS玻璃都表現(xiàn)出了良好的性能優(yōu)勢，其耐沙塵效果得到了很好的驗(yàn)證。然而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，可能會面對更復(fù)雜的環(huán)境因素。因而在實(shí)際中對光伏玻璃的防塵性能進(jìn)行測試時(shí)，可以將吹沙、吹塵、降塵測試中的環(huán)境溫度、相對濕度、產(chǎn)品安裝角度等參數(shù)靈活搭配，根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境，找到最適宜的測試方案。

3 結(jié)論

本文通過對原片玻璃、普通AR玻璃、AS玻璃進(jìn)行吹沙、吹塵、降塵測試，很好地驗(yàn)證了AS玻璃的耐沙塵效果。希望通過本研究能為測試光伏玻璃的防塵性能提供一個(gè)有效的解決方案。