纳米自清洁薄膜在光伏电站中的应用
光伏发电由于具有经济性、环保性及**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253GW；2021年，我国光伏发电量有望超过德国，成为****。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*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**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、**、**、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。 图片 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。 图片 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。 图片 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。 图片 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5～50μm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50μm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 纳米自清洁薄膜不仅具有光增透作用，其还可有效降解光伏组件表面的有机污染物。纳米自清洁薄膜表面具有超亲水特性，水滴在其表面可以迅速铺展形成水膜，纳米自清洁薄膜表面的脏污在重力作用下可随着水膜一起滑落，从而起到自清洁的效果。因此，纳米自清洁薄膜可减少光伏组件表面的积尘量，从而减少光伏电站中光伏组件的清洗和运维次数。 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。 图片 采用JC/T2168—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。 图片 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*大输出功率影响的测试 测量3块普通光伏组件的*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*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*大输出功率。
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