纳米自清洁薄膜在光伏电站中的应用

张永伟

(国华巴彦淖尔(乌拉特中旗)风电有限公司，巴彦淖尔 015000)

0 引言

光伏发电由于具有经济性、环保性及安全可靠性的特点，近年来的发展态势迅猛。截至2020年底，我国光伏发电的累计装机容量已达253 GW；2021年，我国光伏发电量有望超过德国，成为世界第一。光伏发电的大规模应用，依赖于我国光伏发电技术的持续进步及光伏发电成本的不断降低。作为光伏电站的核心部件，光伏组件的价格自2014年以来持续下降，截至2020年5月，国内光伏组件的出口价格已降至23美分/W。

在光伏电站的财务模型中，光伏发电系统的发电量在前3年共递减约5%，20年后其年发电量将递减到设计年发电量的80%。光伏组件的输出功率是影响光伏发电系统发电量最核心的因素，而在所有影响光伏组件输出功率的因素中，光伏组件表面的积灰是第一影响因素。

积灰对于光伏组件输出功率的影响主要表现为：1)光伏组件表面的积灰会遮蔽照射到光伏组件表面的太阳光线；2)光伏组件表面的积灰会影响光伏组件的散热，严重时会导致光伏组件产生热斑效应，造成光伏组件的寿命缩减甚至损坏光伏组件[1]；3)具备酸碱性的灰尘长时间沉积在光伏组件表面，会侵蚀光伏组件玻璃表面，造成玻璃表面粗糙不平，从而进一步积聚灰尘，同时还会增加太阳光线的漫反射[1]。

光伏组件表面的严重积灰对光伏发电系统发电量的影响非常大，因光伏组件表面积灰造成的光伏发电系统发电量降低5%～10%是国内光伏电站普遍存在的现象，个别光伏电站甚至会因光伏组件表面积灰尘造成光伏发电系统的发电量损失30%以上。而且由于不同地区的光伏电站中光伏组件表面积灰的来源、清洗方式、清洗频次等千差万别，给光伏电站的运维带来了挑战。

21世纪初，以纳米级TiO2光催化为主体的新材料技术在日本及欧洲得到了广泛的应用探索，主要被应用于空气净化、水净化、抗菌、杀菌、防污(自清洁)、防雾等领域。含有纳米级TiO2光催化的自清洁薄膜(下文简称为“纳米自清洁薄膜”)对抗灰尘起到了很好的作用，其在干燥环境下能够有效减少因摩擦、受热等导致的静电吸附，同时还可以减少大片粘结的黏性土粒在其表面层叠堆积[2]；该纳米自清洁薄膜还具有分解有机物的能力，可有效减少有机物连带的灰尘粘结现象[3]；另外，该纳米自清洁薄膜在玻璃表面的纳米尺度上是粗糙的，这种纳米级粗糙度可以使灰尘粒子的接触面积更小，从而减少摩擦力，使灰尘更容易滑落[4]；该纳米自清洁薄膜还具有超强亲水性，可以使水在其表面的延展性更加优良，在玻璃表面形成一层平滑的水膜，进一步降低灰尘与接触面的摩擦系数。

为此，本文针对玻璃表面涂布纳米自清洁薄膜后的性能进行分析，并对采用了该纳米自清洁薄膜的光伏组件进行实验室级别的户外曝晒落灰测试，以及湿冻测试、湿热测试和紫外测试等耐候性测试；然后以我国因气候、地形特征原因导致的典型的灰尘污染严重地区——内蒙古自治区乌拉特中旗川井镇作为实际验证的实验基地，对光伏组件玻璃表面采用纳米自清洁薄膜后的效果进行研究及验证。

1 实验准备及实验流程

本实验采用了一种含有纳米级TiO2光催化的自清洁材料，该材料是一种功能性水基溶液，主要组分为无机氧化物和二氧化钛，其特殊配方成功解决了溶液中有效成分的高效分散机制，在玻璃表面喷涂该溶液，无须经过热处理即可在玻璃表面快速形成无机纳米结构的膜层[5]。

采用FAT200接触角测定仪测试光伏组件用玻璃表面涂布了该纳米自清洁薄膜后的亲水角。

本实验采用的光伏组件为天合光能股份有限公司生产的同型号的多晶硅光伏组件，共6块。

由国家太阳能光伏产品质量监督检验中心对3块未涂布纳米自清洁薄膜的光伏组件(下文简称为“普通光伏组件”)和3块已涂布纳米自清洁薄膜的光伏组件(下文简称为“纳米自清洁光伏组件”)在北京地区进行了户外曝晒落灰测试(15天)，以及湿冻测试、湿热测试和紫外测试等耐候性测试。所有测试的测试流程如图1所示。

图1 所有测试的测试流程图Fig. 1 Test flow chart for all tests

对纳米自清洁光伏组件和普通光伏组件进行了实验室级别的耐候性测试后，以内蒙古自治区乌拉特中旗川井镇作为实际验证的实验基地，对纳米自清洁薄膜对光伏方阵年发电量的影响效果进行实证对比测试及验证。

2 不同粒径粒子在不同纳米级粗糙度表面的摩擦力实验

对不同粒径的粒子在不同纳米级粗糙度表面的摩擦力情况进行分析，结果如图2所示。图中：Rrms为纳米级粗糙度；F为摩擦力；Ftip为纳米级粒子的摩擦力；Fsphere为灰尘粒子的摩擦力。

图2 不同粒径粒子在不同纳米级粗糙度表面的摩擦力[6]Fig. 2 Friction force of particles of different sizes on the surface with different nano-level roughness[6]

从图2可以看出，粒径为微米级以上的灰尘粒子的摩擦力随着表面纳米级粗糙度的增大而减小。

实验选用的纳米自清洁薄膜在进行产品设计时采用的理念是利用纳米金属无机氧化物形成特有的纳米粒子壳核包覆结构(如图3所示)将纳米TiO2包裹，该纳米金属无机氧化物与玻璃基板表面键合形成性能稳定的纳米膜层，该膜层有可控孔隙，能降低纳米自清洁薄膜的折射率，同时，纳米粒子壳核包覆结构增大了纳米自清洁薄膜的比表面积，提高了纳米自清洁薄膜的光催化能力。

图3 纳米自清洁薄膜的纳米粒子壳核包覆结构Fig. 3 Shell-core cladding structure of nanoparticles of nano self-cleaning film

由于纳米自清洁薄膜采用纳米粒子壳核包覆结构的堆叠模式，其表层在纳米尺度上是非封闭性的膜层，纳米粒子的大小决定了孔隙率及表面纳米级粗糙度，因此，通过控制纳米粒子的大小可间接控制灰尘在纳米自清洁薄膜表面的摩擦力。

由于纳米自清洁薄膜表面具有合适的纳米级粗糙度，因此可以有效减少灰尘在其表面的摩擦力。不同玻璃表面形态下灰尘粒子接触面积的情况如图4所示。

图4 不同玻璃表面形态下灰尘粒子的接触面积情况Fig. 4 Situation of dust particle contact area under different glass surface morphology

从图4可以看出，普通玻璃表面平整时，微米级灰尘粒子与纳米级表面的接触面积大(图中虚线圈出的地方)；当纳米自清洁玻璃表面为纳米级粗糙度时，微米级灰尘粒子与纳米自清洁膜层表面的接触面积小(图中虚线圈出的地方)。

相关研究表明[1]，在不考虑极端天气所引起的沙尘暴天气的情况下，针对光伏组件表面积灰而言，主要是考虑粒径在5～50 μm之间的灰尘粒子，因为粒径更小的干燥灰尘粒子会随风飘走，不容易落在光伏组件表面；当干燥的小粒径灰尘粒子叠加后其粒径超过50 μm或重量较大时，则其在风力、自身重力的作用下会从光伏组件表面自动滑落，不会对光伏组件产生较大影响。

3 亲水角测试

涂布了纳米自清洁材料的压花超白光伏组件用玻璃(下文简称为“纳米自清洁玻璃”)与未涂布纳米自清洁材料的压花超白光伏组件用玻璃(下文简称为“普通玻璃”)的亲水角情况如图5所示。

图5 纳米自清洁玻璃与普通玻璃的亲水角情况Fig. 5 Situation of hydrophilic angle of nano self-cleaning glass and ordinary glass

采用JC/T 2168—2013《自洁净镀膜玻璃》中第6.4.2条对纳米自清洁玻璃与普通玻璃进行亲水角对比测试。本实验选取了3块纳米自清洁玻璃(编号为1#～3#)和1块普通玻璃(编号为4#)作为测试样品，每个样品均测试4个角和1个中心点共5个点，然后取5个点的平均值，具体数据表如表1所示。

表1 纳米自清洁玻璃与普通玻璃的亲水角数据表Table 1 Hydrophilic angle data sheet of nano self-cleaning glass and ordinary glass

由表1可知，纳米自清洁玻璃的亲水角较小，说明其具有明显的超亲水特性。

4 纳米自清洁薄膜对光伏组件最大输出功率影响的测试

测量3块普通光伏组件的最大输出功率，将这3块普通光伏组件涂布纳米自清洁材料制备成为纳米自清洁光伏组件后，再次测量其最大输出功率，测试得到的数据如表2所示。表中：Pmax为光伏组件的最大输出功率。

表2 普通光伏组件涂布纳米自清洁材料前、后Pmax的变化情况Table 2 Pmax Power changes before and after coating nano self-cleuning materials on ordinary PV modules

由表2可知，相比于纳米自清洁材料涂布前普通光伏组件的Pmax，纳米自清洁材料涂布后光伏组件的Pmax直接提升了0.50%以上。

由于该普通光伏组件的纳米自清洁材料是采用手动喷涂，导致未能精准控制纳米自清洁薄膜的厚度。经验表明，改用自动化设备进行纳米自清洁材料的喷涂，光伏组件的最大输出功率提升基本在1.0%以上。

5 户外曝晒落灰测试

采用3块普通光伏组件和上一个测试环节中已制备好的3块纳米自清洁光伏组件进行户外曝晒落灰测试，测试时间为15天。测试前后2种光伏组件的Pmax变化情况如表3所示。

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表3 户外曝晒落灰测试前、后2种光伏组件的Pmax变化情况Table 3 Changes of Pmax of two kinds of PV modules before and after outdoor exposure and dust falling test

从表3可以看出，经过15天的户外曝晒落灰测试后，普通光伏组件的输出功率衰减率均值比纳米自清洁光伏组件的高0.96%，由此可反映出纳米自清洁光伏组件的自清洁效果。

6 耐候性测试

在户外曝晒落灰测试后需要对所有光伏组件进行清洗，并待所有光伏组件的性能恢复到满足测试条件后，再进行耐候性测试。耐候性测试包括湿冻测试、湿热测试及紫外测试(测试方式如图1所示)。对普通光伏组件与纳米自清洁光伏组件进行耐候性测试，测试结果如表4所示。

表4 普通光伏组件与纳米自清洁光伏组件的耐候性测试结果Table 4 Weather resistance test results of ordinary PV modules and nano self-cleaning PV modules

从表4中的数据可以看出，纳米自清洁光伏组件的输出功率衰减率不足1%，说明涂布了纳米自清洁薄膜的光伏组件符合IEC 61215:2016中的相关要求规定。经过耐候性测试后，未出现由于纳米自清洁薄膜受环境影响被破坏而造成的光伏组件输出功率衰减率超规的情况，由此可知，纳米自清洁薄膜在光伏组件25年质保期限内不会失效。

7 纳米自清洁薄膜对光伏组件发电量影响的实证

2018年6月上旬，内蒙古自治区乌拉特中旗川井镇实验基地完成了光伏组件纳米自清洁薄膜的涂布作业，施工过程及施工后光伏组件的照片如图6所示。

图6 纳米自清洁薄膜的涂布施工及2种光伏组件的实物对比Fig. 6 Nano self-cleaning film spraying construction and physical comparison of two kinds of PV modules

8-2#逆变器对应的光伏方阵为采用纳米自清洁薄膜的光伏方阵(下文简称为“纳米自清洁光伏方阵”)，10-1#逆变器对应的光伏方阵为未采用纳米自清洁薄膜的普通光伏方阵(下文简称为“普通光伏方阵”)，跟踪记录上述逆变器对应的光伏方阵为期2年(2018年6月16日-2020年6月15日)的发电量数据，然后进行对比分析。

乌拉特中旗深居大陆，远离海洋，地处高原，气候差异很大，具有高原寒暑变化剧烈的特点。其春季干燥、多风、少雨雪；夏季短促、雨量集中；秋季温和凉爽，降雨量少、蒸发量大；冬季漫长、少雨雪，可持续5个月(11月-次年3月)。为便于分析海量数据，先将数据依照乌拉特中旗川井镇的季节特点及跨度时长进行分段。乌拉特中旗川井镇各季节的时间跨度如表5所示。

表5 乌拉特中旗川井镇各季节的时间跨度Table 5 Time span of each seasons in Chuanjing town of Urad Central Banner

将2018年6月16日-2020年6月15日期间纳米自清洁光伏方阵的发电量与普通光伏方阵的发电量情况进行对比，其中，将2018年6月16日-2019年6月15日作为第1年来分析，2019年6月16日-2020年6月15日作为第2年来分析。2年期间纳米自清洁光伏方阵的发电量及其增幅情况如图7所示。

图7 2年期间纳米自清洁光伏方阵的发电量及其增幅Fig. 7 Power generation capacity and proportion of increased power generation capacity of nano self-cleaning PV array during two years

从图7可以看出：

1)由于该地区夏季的气候特点是雨量集中，因此2年期间，夏季时段纳米自清洁光伏方阵的发电量峰值变化量不大，不存在光伏方阵发电量明显衰减问题。从发电量增幅来看，第1年的6月上旬纳米自清洁光伏方阵完成了纳米自清洁薄膜的涂布工作，促使纳米自清洁光伏方阵当年的发电量增幅比第2年的发电量增幅高；整体来看，纳米自清洁光伏方阵第1年和第2年的发电量增幅均维持在3%以上。

2)由于该地区秋季的气候特点是温和凉爽，降雨量少、蒸发量大，因此秋季时段，纳米自清洁光伏方阵在第1年和第2年时的发电量峰值存在一定的差异。因夏季时的发电量峰值差异不明显，秋季时的发电量峰值差异可以认为是由光伏组件表面整体清洁度差异或其他原因(如天气)造成的。从发电量增幅来看，第1年的发电量增幅比第2年的高，第2年的发电量增幅仅稍有增加，但这2年的发电量增幅均维持在3%以上。

3)冬季时段中，部分时段纳米自清洁光伏方阵的发电量峰值较夏季、秋季时的有明显减少，比如11月、12月及1月部分时段的发电量明显偏少。从发电量增幅来看，相较于普通光伏方阵，这2年期间纳米自清洁光伏方阵的发电量均稍有增加，且发电量增幅均维持在3%以上。

4)由于该地区春季干燥、多风、少雨雪，因此春季时段，第1年和第2年纳米自清洁光伏方阵的发电量峰值变化量不大。从发电量增幅来看，相较于普通光伏方阵，这2年期间纳米自清洁光伏方阵的发电量均稍有增加，且发电量增幅均维持在3%以上。

综上所述，根据乌拉特中旗川井镇实验基地的结果来看，我国西部、北部区域，风沙量大、雨量稀少，在实验观测的这2年期间，纳米自清洁薄膜的应用使光伏方阵发电量能够实现3%以上的增幅目标。

8 结论

本文对纳米自清洁薄膜的性能进行了分析，对喷涂了纳米自清洁材料的光伏组件进行了性能测试，并进行了发电量的实际验证，得到以下结论：纳米自清洁光伏组件可为减少光伏电站受灰尘影响而降低发电量的问题提供一种可供选择的解决方案。纳米自清洁薄膜提高了光伏组件的最大输出功率，且自清洁效果及环境可靠性都可以被量化验证。根据乌拉特中旗川井镇实验基地2年的跟踪实验结果来看，在我国风沙量大、雨量稀少的西部、北部区域应用此种薄膜能够实现设定的3%的光伏方阵发电量增幅目标。