光伏玻璃防塵性能研究

目前，用于光伏組件封裝的光伏玻璃以超白壓花鍍膜玻璃為主，其是較為成熟的產(chǎn)品。光伏玻璃的性能主要體現(xiàn)在透光率、耐候性、自清潔性這3方面，其中，光伏玻璃的增透膜工藝已趨于成熟，透光率的提升空間較??；用戶對于耐候性能的追求也趨于理性化。而在光伏組件使用過程中，若清潔維護不到位會導致組件表面污染物附著，長期累積會嚴重影響組件的發(fā)電效率，因此，光伏玻璃的自清潔性是當前的研究重點。風沙和降塵對戶外光伏電站發(fā)電效率的影響由來已久，是電站效益和運維面臨的長期挑戰(zhàn)。由于氣候原因，我國西北地區(qū)的大型地面光伏電站中的光伏組件普遍存在沙塵堆積附著的情況，這一問題亟待解決。

（來源：微信公眾號“太陽能雜志”ID:tynzz1980）

隨著光伏發(fā)電的普及和推廣，越來越多的企業(yè)和科研單位著手解決這一難題。美國3M 公司研發(fā)了自清潔鍍膜液，荷蘭帝斯曼公司也于2017年推出了防塵鍍膜液。以防塵玻璃為代表的自清潔玻璃正成為光伏玻璃的下一個發(fā)展方向，通過在玻璃表面涂敷防塵涂料，可以讓玻璃擁有更高的耐磨性、自清潔性，降低沙塵對組件的影響，從而緩解電站的維保壓力。當前國內(nèi)外尚無相關(guān)測試手段驗證該類產(chǎn)品的可靠性，因此本文選取了原片玻璃及2種光伏玻璃進行沙塵測試，旨在為光伏玻璃防塵性能提供參考。

1 本研究的相關(guān)理論

1.1 玻璃表面的吸附理論

玻璃表面的吸附主要分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是由范德華力和靜電力( 電荷效應)引起的?；瘜W吸附也可看作是玻璃表面的化學反應，普通玻璃的主要成分為二氧化硅，在玻璃成型過程中，硅氧四面體[SiO4] 的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡斷裂，表面形成大量過剩的極性基團，為了保持表面中性和化學計量組成，其會通過吸附大氣中的活性分子來降低表面能。

1.2 光伏玻璃膜層的減反射理論光伏玻璃是在玻璃表面涂一層或多層多孔金屬氧化物或化合物，形成膜層，利用光在光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)中反射光干涉相消的原理降低反射，增加透光率，一般增透率可達2% 以上[2]。

1.3 沙塵的理化特性

沙塵的化學組成和粒徑會對玻璃表面產(chǎn)生不同的影響，結(jié)合玻璃產(chǎn)品的實際使用環(huán)境，應選取合適的沙塵成分配比。其中，大粒徑的沙主要是磨蝕玻璃表面，從而破壞玻璃表面結(jié)構(gòu)和光伏玻璃膜層特性。小粒徑的塵則通過物理和化學吸附，黏附在玻璃表面形成遮擋，從而降低光的透過率。此外，長時間的沙塵粘附能夠引起玻璃表面腐蝕和霉菌生長，從而影響玻璃的理化性能。

結(jié)合實際情況，本研究將沙塵測試分為吹沙、吹塵、降塵3種。這3種測試所用的沙塵分別為：用于吹沙測試的不同粒徑占比的石英砂(見圖3)、用于吹塵測試的粒徑≤149 μm 的石英砂，以及用于降塵測試的粒徑≤105μm的滑石粉這3種。

1.4 沙塵測試的影響因子和參數(shù)選擇通過實際觀察發(fā)現(xiàn)，沙塵的磨蝕和粘附效應與風速、沙塵特性( 種類和濃度)、環(huán)境溫度、相對濕度、樣品安裝角度均存在相關(guān)性。下文就吹沙、吹塵、降塵這3種測試中的風速、沙塵濃度、環(huán)境溫度、相對濕度及樣品安裝角度等因素的選取方式進行了具體分析。

1) 風速：大顆粒沙塵需要18m/s以上的風速才能吹起，而風速>29m/s的陣風在陸地上較為罕見，因而吹沙測試應選取18～29m/s的風速；吹塵測試選取風速為8.9m/s 的典型沙漠風；降塵測試僅采用足以驅(qū)散樣品上面空氣中塵土的風速，樣品處風速不超過0.2m/s。

2) 沙塵濃度：吹沙測試時，石英砂濃度為1.1±0.3g/m3時適用于普通強度的測試，濃度為2.2±0.5g/m3 和5.0±1.5g/m3分別適用于較嚴苛和嚴苛強度的測試；吹塵測試時，石英砂的濃度控制在10.6±7g/m3；無特殊情況時，降塵測試時的降塵速率為6±1g/m2/d。

3) 環(huán)境溫度：吹沙、吹塵測試的環(huán)境溫度控制在20～60℃之間，降塵測試的環(huán)境溫度為23±2℃。溫度升高能夠激發(fā)光伏玻璃膜層的活性，降低其表面硬度，加速分子和微塵的布朗運動，加劇沙塵對樣品的磨蝕、粘附和腐蝕。

4) 相對濕度：對于吹沙和吹塵測試，相對濕度應保持在30%以下，過高的濕度會使沙塵黏連、變質(zhì)。高濕度與吹沙、吹塵測試不匹配，因為高濕度環(huán)境會使沙塵失去活力。降塵測試對于濕度較為敏感，相對濕度選取15%，尤其是城市中存在化學性侵蝕灰塵時，暖濕的環(huán)境會加速光伏玻璃膜層的腐蝕和霉變。

5) 樣品安裝角度：樣品安裝角度會影響到沙塵與樣品的接觸角度、沙塵自由沉積時樣品的受塵面積及自然風的清潔效果。所以測試時應結(jié)合實際環(huán)境的太陽高度角、風向、主要污染物等因素進行綜合考慮。

2 3 種樣品的沙塵測試本研究選取原片玻璃和2 種光伏玻璃——普通減反射涂層(AR) 玻璃、防塵(Anti-Soiling，AS)玻璃這3種樣品，分別進行沙塵測試。

2.1 吹沙測試吹沙測試主要考察光伏玻璃膜層的抗風沙磨蝕能力，由于實際環(huán)境中影響因素較多，本研究采用了最具代表性的參數(shù)，即石英砂濃度為2.2g/m3、風速為24 m/s、環(huán)境溫度為50 ℃、相對濕度為30%、樣品安裝角度為45°。設(shè)定好以上參數(shù)后，分別進行60、120、180、300、480及960 min 的吹沙測試；測試完成后取出樣品，用去離子水清洗樣品，在自然環(huán)境下晾干后分別測試樣品透光率，并計算樣品測試前后的透光率衰減( 即“實驗前透光率- 實驗后透光率”) 情況，結(jié)果如表1所示。

圖4、圖5 分別為普通AR 玻璃、AS 玻璃吹沙測試前，以及300 min、960 min 吹沙測試后膜層的截面外觀形貌圖。

由圖4、圖5可以看出，沙塵通過磨蝕玻璃表面，破壞了光伏玻璃膜層的橫截面形貌( 厚度和孔隙結(jié)構(gòu))，導致光伏玻璃膜層失效，失去減反射效果。在其他參數(shù)一定的情況下，測試時間與磨蝕效應成正比，沙塵對原片玻璃的磨蝕效應最??；對普通AR玻璃的影響最大，長時間的作用甚至會造成光伏玻璃膜層脫落，失去減反射效果；對AS玻璃的影響介于上述者之間，AS玻璃在一定的使用期內(nèi)可以保持較好的抗沙塵磨蝕作用。

2.2 吹塵測試吹塵測試主要考察光伏玻璃膜層的抗風沙粘附能力，由吹塵和高溫貯存2個測試階段組成。吹塵時，參數(shù)設(shè)置為：石英砂濃度為10.6g/m3、風速為8.9m/s、環(huán)境溫度為23 ℃；高溫貯存時，環(huán)境溫度為50 ℃；2個測試階段的相對濕度均為15%、樣品安裝角度均為45°、測試時間均為6 h。設(shè)定好以上參數(shù)后進行吹塵測試，測試完成取出樣品后不作任何處理，直接測試其透光率；然后用8.0 m/s的風速，以45°角搖擺吹掃樣品表面60s，再次測試樣品透光率；最后用去離子水清洗，在自然環(huán)境下晾干后測試樣品透光率。具體測試結(jié)果如表2所示。

吹塵時，沙塵會對樣品產(chǎn)生粘附，由于物理和化學的粘附作用，玻璃表面粘附著不同層次的、具有不同粘附功和理化性質(zhì)的灰塵和污染物。由表2可知，吹塵測試結(jié)束后，不同處理方式對測試后樣品透光率的影響的區(qū)別較大。由于吹塵測試所用風的方向是固定的，高濃度沙塵同方向吹掃，在樣品表面會形成層次性的積塵；若以8.0m/s風速45°角搖擺吹掃來模擬自然風的無定向形態(tài)，可以吹去樣品表面未形成牢固粘附的積塵和污染物，此方式處理后的透光率相對于測試后未經(jīng)過其他處理時的略有提高；而經(jīng)過去離子水清洗晾干后，樣品的透光率進一步提高。

吹塵測試后普通AR 玻璃與AS玻璃未處理時、以8.0m/s風速45角搖擺吹掃60s后，以及去離子水清洗晾干后2 種玻璃的外觀圖，如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7中可以看出，表面塵土對光伏玻璃透光率的影響相當嚴重，凸顯了組件清洗的重要性，但頻繁的清洗會造成光伏玻璃表面膜層損傷。AS玻璃在未清洗狀態(tài)下比普通AR 玻璃擁有更好的防塵性能，其依靠自然風的吹掃即可擁有不錯的自清潔性能。對于缺水和清洗不便的地區(qū)，AS玻璃能夠有效降低清洗次數(shù)，以保證光伏組件的效率和壽命。

2.3 降塵測試降塵測試主要考察光伏玻璃膜層的防風沙粘附和防腐蝕能力。該測試不僅適用于多風沙地區(qū)，在南方城市的工業(yè)區(qū)同樣適用。若光伏玻璃表面長時間的微塵沉積，再加上濕氣和有機物的存在，易滋生微生物，產(chǎn)生霉變，造成光伏玻璃膜層的腐蝕。降塵測試的參數(shù)設(shè)定為：滑石粉下降速率為6g/m2/d、環(huán)境溫度為23 ℃、相對濕度為15%、樣品安裝角度為45°。按照上述參數(shù)完成降塵測試后，取出樣品觀察其外觀，然后用8.0 m/s的風速，以45°角搖擺吹掃樣品表面60s，再測試樣品的透光率；最后用去離子水清洗，在自然環(huán)境下晾干，再次測試透光率，測試結(jié)果如表3所示。圖8為降塵測試后以8.0m/s風速45°角搖擺吹掃60s后普通AR玻璃和AS 玻璃的外觀圖。

由表3可知，AS玻璃在以8.0 m/s的風速45°角搖擺吹掃60s后，擁有優(yōu)秀的自清潔性能，圖8也很好地說明了這一點；而且AS 玻璃在防風沙粘附和防腐蝕方面比普通AR 玻璃擁有更好的優(yōu)勢。

2.4 小結(jié)上述測試中，與原片玻璃、普通AR 玻璃相比，AS玻璃都表現(xiàn)出了良好的性能優(yōu)勢，其耐沙塵效果得到了很好的驗證。然而在實際應用環(huán)境中，可能會面對更復雜的環(huán)境因素。因而在實際中對光伏玻璃的防塵性能進行測試時，可以將吹沙、吹塵、降塵測試中的環(huán)境溫度、相對濕度、產(chǎn)品安裝角度等參數(shù)靈活搭配，根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境，找到最適宜的測試方案。

3 結(jié)論

本文通過對原片玻璃、普通AR 玻璃、AS 玻璃進行吹沙、吹塵、降塵測試，很好地驗證了AS玻璃的耐沙塵效果。希望通過本研究能為測試光伏玻璃的防塵性能提供一個有效的解決方案。

原標題:光伏玻璃防塵性能研究