光伏玻璃防尘性能研究

潘 胜

(国家太阳能光伏产品质量监督检验中心，无锡 214028)

0 引言

目前，用于光伏组件封装的光伏玻璃以超白压花镀膜玻璃为主，其是较为成熟的产品。光伏玻璃的性能主要体现在透光率、耐候性、自清洁性这3方面，其中，光伏玻璃的增透膜工艺已趋于成熟，透光率的提升空间较小；用户对于耐候性能的追求也趋于理性化。而在光伏组件使用过程中，若清洁维护不到位会导致组件表面污染物附着，长期累积会严重影响组件的发电效率，因此，光伏玻璃的自清洁性是当前的研究重点。风沙和降尘对户外光伏电站发电效率的影响由来已久，是电站效益和运维面临的长期挑战。由于气候原因，我国西北地区的大型地面光伏电站中的光伏组件普遍存在沙尘堆积附着的情况，这一问题亟待解决。

随着光伏发电的普及和推广，越来越多的企业和科研单位着手解决这一难题。美国3M公司研发了自清洁镀膜液，荷兰帝斯曼公司也于2017年推出了防尘镀膜液。以防尘玻璃为代表的自清洁玻璃正成为光伏玻璃的下一个发展方向，通过在玻璃表面涂敷防尘涂料，可以让玻璃拥有更高的耐磨性、自清洁性，降低沙尘对组件的影响，从而缓解电站的维保压力。当前国内外尚无相关测试手段验证该类产品的可靠性，因此本文选取了原片玻璃及2种光伏玻璃进行沙尘测试，旨在为光伏玻璃防尘性能提供参考。

1 本研究的相关理论

1.1 玻璃表面的吸附理论

玻璃表面的吸附主要分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是由范德华力和静电力(电荷效应)引起的。化学吸附也可看作是玻璃表面的化学反应，普通玻璃的主要成分为二氧化硅，在玻璃成型过程中，硅氧四面体[SiO4]的结构网络断裂，表面形成大量过剩的极性基团，为了保持表面中性和化学计量组成，其会通过吸附大气中的活性分子来降低表面能。图1为玻璃表面的吸附原理图[1]。

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

1.2 光伏玻璃膜层的减反射理论

光伏玻璃是在玻璃表面涂一层或多层多孔金属氧化物或化合物，形成膜层，利用光在光疏介质到光密介质中反射光干涉相消的原理降低反射，增加透光率，一般增透率可达2%以上[2]。图2为光伏玻璃膜层的减反射原理图。

图2 光伏玻璃膜层的减反射原理图Fig.2 Anti-reflection principle of PV glass coating

1.3 沙尘的理化特性

沙尘的化学组成和粒径会对玻璃表面产生不同的影响，结合玻璃产品的实际使用环境，应选取合适的沙尘成分配比。其中，大粒径的沙主要是磨蚀玻璃表面，从而破坏玻璃表面结构和光伏玻璃膜层特性。小粒径的尘则通过物理和化学吸附，黏附在玻璃表面形成遮挡，从而降低光的透过率。此外，长时间的沙尘粘附能够引起玻璃表面腐蚀和霉菌生长，从而影响玻璃的理化性能。

结合实际情况，本研究将沙尘测试分为吹沙、吹尘、降尘3种。这3种测试所用的沙尘分别为：用于吹沙测试的不同粒径占比的石英砂(见图3)、用于吹尘测试的粒径≤149 μm的石英砂，以及用于降尘测试的粒径≤105 μm的滑石粉这3种。

图3 用于吹沙测试的不同粒径占比的石英砂Fig.3 Quartz sand with different particle size ratios for sand blasting test

1.4 沙尘测试的影响因子和参数选择

通过实际观察发现，沙尘的磨蚀和粘附效应与风速、沙尘特性(种类和浓度)、环境温度、相对湿度、样品安装角度均存在相关性。下文就吹沙、吹尘、降尘这3种测试中的风速、沙尘浓度、环境温度、相对湿度及样品安装角度等因素的选取方式进行了具体分析。

1)风速：大颗粒沙尘需要18 m/s以上的风速才能吹起，而风速＞29 m/s的阵风在陆地上较为罕见，因而吹沙测试应选取18～29 m/s的风速；吹尘测试选取风速为8.9 m/s的典型沙漠风；降尘测试仅采用足以驱散样品上面空气中尘土的风速，样品处风速不超过0.2 m/s。

2)沙尘浓度：吹沙测试时，石英砂浓度为1.1±0.3 g/m3时适用于普通强度的测试，浓度为2.2± 0.5 g/m3和5.0±1.5 g/m3分别适用于较严苛和严苛强度的测试；吹尘测试时，石英砂的浓度控制在10.6±7 g/ m3；无特殊情况时，降尘测试时的降尘速率为6±1 g/m2/d。

3)环境温度：吹沙、吹尘测试的环境温度控制在20～60 ℃之间，降尘测试的环境温度为23±2℃。温度升高能够激发光伏玻璃膜层的活性，降低其表面硬度，加速分子和微尘的布朗运动，加剧沙尘对样品的磨蚀、粘附和腐蚀。

4)相对湿度：对于吹沙和吹尘测试，相对湿度应保持在30%以下，过高的湿度会使沙尘黏连、变质。高湿度与吹沙、吹尘测试不匹配，因为高湿度环境会使沙尘失去活力。降尘测试对于湿度较为敏感，相对湿度选取15%，尤其是城市中存在化学性侵蚀灰尘时，暖湿的环境会加速光伏玻璃膜层的腐蚀和霉变。

5)样品安装角度：样品安装角度会影响到沙尘与样品的接触角度、沙尘自由沉积时样品的受尘面积及自然风的清洁效果。所以测试时应结合实际环境的太阳高度角、风向、主要污染物等因素进行综合考虑。

2 3 种样品的沙尘测试

本研究选取原片玻璃和2种光伏玻璃——普通减反射涂层(AR)玻璃、防尘(Anti-Soiling，AS)玻璃这3种样品，分别进行沙尘测试。

2.1 吹沙测试

吹沙测试主要考察光伏玻璃膜层的抗风沙磨蚀能力，由于实际环境中影响因素较多，本研究采用了最具代表性的参数，即石英砂浓度为2.2 g/m3、风速为24 m/s、环境温度为50 ℃、相对湿度为30%、样品安装角度为45°。设定好以上参数后，分别进行60、120、180、300、480及960 min的吹沙测试；测试完成后取出样品，用去离子水清洗样品，在自然环境下晾干后分别测试样品透光率，并计算样品测试前后的透光率衰减(即“实验前透光率-实验后透光率”)情况，结果如表1所示。

表1 吹沙测试前后样品的透光率及其衰减情况Table 1 Transmittance and attenuation of samples before and after sand blasting test

图4、图5分别为普通AR玻璃、AS玻璃吹沙测试前，以及300 min、960 min吹沙测试后膜层的截面外观形貌图。

图4 吹沙测试前后普通AR玻璃膜层的截面外观形貌图Fig.4 SEM figures of ordinary AR glass coating before and after sand blasting test

由图4、图5可以看出，沙尘通过磨蚀玻璃表面，破坏了光伏玻璃膜层的横截面形貌(厚度和孔隙结构)，导致光伏玻璃膜层失效，失去减反射效果。在其他参数一定的情况下，测试时间与磨蚀效应成正比，沙尘对原片玻璃的磨蚀效应最小；对普通AR玻璃的影响最大，长时间的作用甚至会造成光伏玻璃膜层脱落，失去减反射效果；对AS玻璃的影响介于上述二者之间，AS玻璃在一定的使用期内可以保持较好的抗沙尘磨蚀作用。

图5 吹沙测试前后AS玻璃膜层的截面外观形貌图Fig.5 SEM figures of AS glass coating before and after sand blasting test

2.2 吹尘测试

吹尘测试主要考察光伏玻璃膜层的抗风沙粘附能力，由吹尘和高温贮存2个测试阶段组成。吹尘时，参数设置为：石英砂浓度为10.6 g/m3、风速为8.9 m/s、环境温度为23 ℃；高温贮存时，环境温度为50 ℃；2个测试阶段的相对湿度均为15%、样品安装角度均为45°、测试时间均为6 h。

设定好以上参数后进行吹尘测试，测试完成取出样品后不作任何处理，直接测试其透光率；然后用8.0 m/s的风速，以45°角摇摆吹扫样品表面60 s，再次测试样品透光率；最后用去离子水清洗，在自然环境下晾干后测试样品透光率。具体测试结果如表2所示。

吹尘时，沙尘会对样品产生粘附，由于物理和化学的粘附作用，玻璃表面粘附着不同层次的、具有不同粘附功和理化性质的灰尘和污染物。由表2可知，吹尘测试结束后，不同处理方式对测试后样品透光率的影响的区别较大。由于吹尘测试所用风的方向是固定的，高浓度沙尘同方向吹扫，在样品表面会形成层次性的积尘；若以8.0 m/s风速45°角摇摆吹扫来模拟自然风的无定向形态，可以吹去样品表面未形成牢固粘附的积尘和污染物，此方式处理后的透光率相对于测试后未经过其他处理时的略有提高；而经过去离子水清洗晾干后，样品的透光率进一步提高。

表2 吹尘测试前及测试后不同处理阶段下的样品透光率情况Table 2 Transmittance of the sample before and after the dust blowing test under different treatment stages

吹尘测试后普通AR玻璃与AS玻璃未处理时、以8.0 m/s风速45°角摇摆吹扫60 s后，以及去离子水清洗晾干后2种玻璃的外观图，如图6、图7所示。

从图6、图7中可以看出，表面尘土对光伏玻璃透光率的影响相当严重，凸显了组件清洗的重要性，但频繁的清洗会造成光伏玻璃表面膜层损伤。AS玻璃在未清洗状态下比普通AR玻璃拥有更好的防尘性能，其依靠自然风的吹扫即可拥有不错的自清洁性能。对于缺水和清洗不便的地区，AS玻璃能够有效降低清洗次数，以保证光伏组件的效率和寿命。

图6 吹尘测试后普通AR玻璃在不同处理阶段下的外观图Fig.6 Appearance of ordinary AR glass under different treatment stages after dust blowing test

图7 吹尘测试后AS玻璃在不同处理阶段下的外观图Fig.7 Appearance of AS glass under different treatment stages after dust blowing test

2.3 降尘测试

降尘测试主要考察光伏玻璃膜层的防风沙粘附和防腐蚀能力。该测试不仅适用于多风沙地区，在南方城市的工业区同样适用。若光伏玻璃表面长时间的微尘沉积，再加上湿气和有机物的存在，易滋生微生物，产生霉变，造成光伏玻璃膜层的腐蚀。

降尘测试的参数设定为：滑石粉下降速率为6 g/m2/d、环境温度为23 ℃、相对湿度为15%、样品安装角度为45°。按照上述参数完成降尘测试后，取出样品观察其外观，然后用8.0 m/s的风速，以45°角摇摆吹扫样品表面60 s，再测试样品的透光率；最后用去离子水清洗，在自然环境下晾干，再次测试透光率，测试结果如表3所示。图8为降尘测试后以8.0 m/s的风速45°角摇摆吹扫60 s后普通AR玻璃和AS玻璃的外观图。

表3 降尘测试前后不同处理阶段下的样品透光率情况Table 3 Transmittance of the sample under different treatment stages before and after the dust reduction test

图8 降尘测试后以8.0 m/s的风速45°角摇摆吹扫60 s后2种光伏玻璃的外观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的风速45°角摇摆吹扫60 s后，拥有优秀的自清洁性能，图8也很好地说明了这一点；而且AS玻璃在防风沙粘附和防腐蚀方面比普通AR玻璃拥有更好的优势。

2.4 小结

上述测试中，与原片玻璃、普通AR玻璃相比，AS玻璃都表现出了良好的性能优势，其耐沙尘效果得到了很好的验证。然而在实际应用环境中，可能会面对更复杂的环境因素。因而在实际中对光伏玻璃的防尘性能进行测试时，可以将吹沙、吹尘、降尘测试中的环境温度、相对湿度、产品安装角度等参数灵活搭配，根据产品的使用环境，找到最适宜的测试方案。

3 结论

本文通过对原片玻璃、普通AR玻璃、AS玻璃进行吹沙、吹尘、降尘测试，很好地验证了AS玻璃的耐沙尘效果。希望通过本研究能为测试光伏玻璃的防尘性能提供一个有效的解决方案。