納米自清潔薄膜在光伏電站中的應用

    光伏發電由于具有經濟性、環保性及**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253GW；2021年，我國光伏發電量有望超過德國，成為****。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*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**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、**、**、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。
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    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。
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    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。
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    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。
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    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5～50μm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50μm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
    納米自清潔薄膜不僅具有光增透作用，其還可有效降解光伏組件表面的有機污染物。納米自清潔薄膜表面具有超親水特性，水滴在其表面可以迅速鋪展形成水膜，納米自清潔薄膜表面的臟污在重力作用下可隨著水膜一起滑落，從而起到自清潔的效果。因此，納米自清潔薄膜可減少光伏組件表面的積塵量，從而減少光伏電站中光伏組件的清洗和運維次數。
    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。
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    采用JC/T2168—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。
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    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*大輸出功率影響的測試
    測量3塊普通光伏組件的*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*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*大輸出功率。

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