光伏板在波浪滑翔器中的应用

木建一 李培正 朱 坤 张宪丞 王炜皋

（中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

波浪滑翔器是一种新型海上无人航行器，它主要分为水面艇体和水下波浪能推进器2 个部分，中间靠脐带缆连接。它的动力来源是波浪能，水面艇体在波浪起伏时带动水下波浪能推进器上下运动，水下波浪能上下运动时产生水平运动分量，最终拖动水面艇体前进。波浪滑翔器的电力来源是太阳能，在水面艇体上安装了光伏板，艇上携带有充电电池，光照好的情况下光伏板为蓄电池充电，在阴雨天或夜晚无光的情况下蓄电池为艇上设备提供电力。

1 波浪滑翔器上光伏板使用环境

为了最大限度地利用波浪能，波浪滑翔器的体积尺寸会受到限制，其长度一般控制在2 m～3 m，高度几乎和海面齐平。图1 为某公司自行研制的波浪滑翔器在海试时的照片，从图中可以看出，即使在海况较好的情况下，波浪滑翔器上的光伏板也会不可避免地接触海水。

图1 海面上的波浪滑翔器

波浪滑翔器执行任务的时间可能长达1 a，需要承受8级海况，由于波浪滑翔器的体积小，当海况较差时就会淹没在水中。图2 为国外波浪滑翔器在海况较差时淹没在水下，由图2 可知，光伏板有可能会浸没在较深的海水里。因此,田应元等研究人员指出波浪滑翔器的研制不仅要考虑其性能参数，还需要结合实际海洋环境，解决高海况、长时间运行等一系列实际工程上的难题[1]。

图2 恶劣海况时光伏板浸没在水下

中电科（宁波）海洋电子研究院作为国内较早研制波浪滑翔器的单位之一，在项目初期对在波浪滑翔器上应用普通光伏板有较大担忧，主要有以下3 个问题：1）由于波浪滑翔器紧贴海面，光伏板经常会浸没在海水中，当光伏板浸没在海水中时，太阳光将被水层阻挡吸收，水层的存在是否会大幅降低光伏板的发电效率？2）一般光伏板是由前板玻璃、热熔胶薄膜、电池和背板组成，如图3 所示[2]，长时间的海水浸泡是否会引起玻璃、光伏电池以及背板的分离脱落？3）海水是否会腐蚀背板，从而导致光伏板失效？

图3 光伏板模型示意图

针对以上3 个问题，课题组咨询了多家光伏板生产厂家和研发单位，得到的信息如下：1）普通光伏板可以保证在暴雨、风雪甚至不严重的冰雹等恶劣天气下不被损坏，但是完全浸没水中是否会被损坏则无法保证。2）玻璃层、光伏层和背板层为黏胶粘接，虽然可以进行短时间冲淋，但无法保证经过长时间浸泡尤其是海水浸泡后相关器件依然粘接牢固。3）一般背板为PET 材料，虽然PET 具有一定的耐腐蚀性，但未进行过长时间的耐海水腐蚀试验。

2 表面水层对光伏板发电效率的影响

一般光伏板是在空气中使用，虽然大雨天气会使光伏板表面出现水膜，但此时光伏板基本不发电，因此不涉及水膜对发电效率的影响。水膜对光伏板影响的研究基本上是从冷却角度出发的，梁宁文等人在对光伏板的冷却技术的研究总结中介绍了水膜冷却。Krauter 首次研究了表面水膜冷却对光伏板性能的影响。如图4 所示[3]，图中使用实验装置对光伏板进行水膜冷却；研究表明，在水流及周围空气的冷却作用下，光伏板最高温降可达22 ℃，全天输出功率可提升 10.3%。ODEH 等人指出采用表面水膜冷却技术可以让系统的输出功率增加4%～10%，其中一半的能效提升归因于水与光伏板之间的对流换热，另一部分是由于太阳光在水膜中发生折射，增加了硅电池表面太阳辐射的强度[2]。考虑水膜厚度对太阳光透射的影响，陈剑波等人研究了太阳能光伏（SPV）系统的表面水降温；研究表明，水的最佳喷淋流量为 0.9 m3/h（水膜厚度为 1.1 mm）时，水膜降温和透光效果最佳[3]。

图4 光伏板表面不同厚度水膜冷却试验

以上研究主要集中在水膜对光伏板的冷却效果，水膜厚度极薄，但是波浪滑翔器在海况较差的时候光伏板上可能覆盖较厚的水层（水层的厚度可能为几毫米到几厘米）；因此课题组针对水层较厚时光伏板的发电效率进行了简单试验，并通过查找相关文献资料对试验结果进行论证。由于波浪滑翔器在航行时光伏板上的水层厚度不均匀且海水浑浊程度不同，为了简化试验，仅测试透明均匀水层对光伏板的影响。实验分别测试了太阳能光伏板在空气中、在水面下1 cm 以及在水面下2 cm 时的发电功率。测试用水由自来水加海水盐调制而成，浓度为3%。试验如图5 所示。

图5 光伏板在水面下的发电功率测试

图中光伏板标称功率为50 W，标称输出电压为24 V，电子载荷型号为BF8511，电子载荷设置为固定电阻100 Ω。当日天气晴朗无云，测试结果见表1。从表1 中可知，清澈的水层即使厚度偏大（2 cm 左右）也不会对光伏板的发电效率造成较大的影响。

表1 光伏板在空气中和水面下的发电效率

事实上，从表1 中可以看出，光伏板d 水面下的效率还略高于在空气中的效率，该现象与一些研究人员提出的水膜降温可以提升发电效率的理论一致。温度对晶体硅光伏板发电效率的影响很大，温度上升将导致效率降低。秦红等人指出晶体硅光伏板在温度为50 ℃和80 ℃的情况下比在温度为25 ℃的效率要下降12.8%和27.8%，因此理论上在太阳辐射最强的中午应该达到最大功率的光伏板由于工作温度上升，其实际上输出电能不升反降[4]。而课题组成员7 月份在宁波地区（中午时间段）测得波浪滑翔器在地面时，光伏板表面温度可达78 ℃。

虽然直接研究光伏板在水下效率问题的文章较少，但研究卤水太阳池的文章较多，卤水太阳池就是利用太阳辐射将热能存储在卤水池中。太阳光谱其实包含了一系列连续光谱（低频段甚至到无线电波，高频段甚至到X 射线），但是到达地面的太阳光能量主要集中在红外线、可见光以及紫外线。葛少成在研究卤水太阳池时提到纯净水体对短波段吸收较少而对长波段吸收较多[5]。表2 为太阳光透过不同深度的纯净水体后各波长段的透射比例[5]，从表中可以看出，水体对不同波长的光线吸收程度不同。波长>1.2 μm 的光经过1 cm 的水层后能量减少90%以上，而波长在0.6 μm～0.9 μm 的光经过1 cm 的水层后能量衰减不到2%。幸运的是光伏板发电所需要的太阳光谱主要集中在1.2 μm 以下。硅光电池能有效吸收波长在 0.40 μm～1.15 μm的光子，并进行光电转换，且只在峰值大约为0.8 μm 时，其光电转换率最大[6]。一方面由于光伏板发电所需要的频段基本可以无障碍穿过水层（几毫米到几厘米）；另一方面处于水下的光伏板的温度基本和水体保持一致，不会有很大的温升，效率可能比空气中更高，因此表1 的试验结果在理论上是可以解释的。

表2 不同波段的辐射能通过一定水深后的能量百分比

3 长时间海水浸泡对光伏板的影响

由于地面光伏电站要占用巨大的土地面积，而将光伏电站建在水塘、水库或者湖泊等淡水水面能有效缓解土地资源日益紧张的问题，在采煤沉陷区以及废弃的湖泊等处将会有较大的应用前景[7]。因此在淡水水域应用光伏发电的研究较多，且起步较早。随着光伏技术的发展和人们对环境保护的重视，太阳能等绿色清洁能源的使用在海上也将越来越广泛，但正如于全虎提到的海洋环境中存在大量高含氯化物等腐蚀性物质的水汽和海风，极度潮湿的海洋环境易于滋生各种霉菌等微生物，会污染、着色、遮蔽和腐蚀太阳能电池板。此外，海水上浪产生的浸没盐蚀、船舶振动等也会对太阳能电池板造成开裂等物理损伤，降低太阳能电池实际的转换效率和可靠性[8]。

因此水面环境尤其是海面虽然比普通陆地环境更为严苛，但是光伏板在水面上工作，与长时间浸泡在水中，特别是浸泡在海水中的情况仍然有所不同。由于波浪滑翔器长时间在海上航行有可能被其他船只发现并破坏或因遭遇恶劣海况而损坏丢失，因此分析真实海洋环境对光伏板长时间的影响较为困难，该文从实际海试和实验室模拟2 个方面入手进行研究。

3.1 实际使用情况

2020 年，课题组使用市面上普通光伏板装配波浪滑翔器，在长达70 d 的海试过程中（期间经历鹦鹉号台风影响）未发现光伏板发电能力有明显下降的现象，光伏板的玻璃层、PET 背板层未出现腐蚀现象。

3.2 实验室试验情况

为了观察更长时间的海水浸泡对普通光伏板的影响，课题组使用调制的海水（自来水加3%的海水盐）对图5 中的光伏板进行长时间的浸泡，浸泡深度约为10 cm，浸泡时间为1 a。浸泡完成后未发现光伏板的玻璃层、PET 背板层有腐蚀现象。从表3 中可以看出，经过1 a 的浸泡，光伏板发电效率的变化不大（浸泡前发电功率为标称的33%，浸泡后发电功率为标称的27.6%）。差异可能是光照强度不同而引起的（由于是露天测试，且测试的时间相隔1 a，虽然2 次测试天气均为晴朗无云，但光照强度仍然可能存在差异），也有可能是光伏板老化或海水浸泡导致效率下降，但是可以认为1 a 左右时间的海水浸泡不会对光伏板造成致命损伤。

表3 海水浸泡1 年对光伏板的影响

由于波浪滑翔器一般的设计使用寿命大约为1 a，因此该文只粗略考察了1 a 海水浸泡对普通光伏板的影响，在要求更高的场合可能需要对光伏板进行特殊处理。王方毓提出，由于潮湿，水面环境光伏组件容易产生PID 效应、绝缘性能下降等电气方面的问题，且在风浪作用下的晃动会引起电池片碎裂等机械方面的问题；因此他也提出了相应的解决办法，例如选择双玻组件提高抗PID 效应性能、选用更严密的封装材料和双85 测试提高防潮性能以及选用机械强度更高的单晶硅片等措施[8]。张天等人将陆地环境中具有较好防腐蚀、疏水性及自洁能力的纳米TiO2涂层应用于船用太阳能电池盖片上，研究结果表明其对太阳能电池盖片的光学性能的影响很小[9]。

4 结论

该文对普通太阳能光伏板在波浪滑翔器真实使用环境和实验室模拟环境下的一些数据进行了分析，结果表明太阳能光伏板在表面附有透明水层（水层厚度≤2 cm，水层清澈不浑浊）时发电效率不会出现明显下降，由于水层的降温作用，效率有可能比空气中的效率更高。普通太阳能板在经过长时间（≥1 a）的海水浸泡后外观没有出现腐蚀情况，发电效率没有明显下降。因此普通光伏板可以直接在波浪滑翔器及其他经常会浸没在浅层海水中的设备上使用，但是更长时间和要求更高的应用场合可能需要对光伏板进行特殊处理。