10001979_我国三种典型气候环境条件下晶硅组件用AR玻璃的积灰

1 我国三种典型气候环境条件下晶体硅光伏组件用 AR 玻璃的 积灰实证对比研究 杨帆 1,2，胡晓阳 1,2，宴鑫鹏 1,2，张可佳 1,2，田磊 1,2 （1.国家太阳能光伏（电）产品质量监督检验中心，北京 100024 2.中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024） 摘要：本文选择海南、北京和吐鲁番 3 地作为中国光伏产品典型应用环境——湿热、城市及干热砂尘环境 的实证晒场，分别对晶体硅光伏组件用 AR 玻璃进行最长周期为 1 年的户外老化试验，结合试验前后试样 太阳光有效透射比衰减数据、试样表面积尘化学成分及 AR 膜层亲疏水性能等试验结果，对导致在上述 3 种自然环境中使用的晶体硅光伏组件用 AR 玻璃太阳光有效透射比衰减的关键因子进行梳理并确定不同环 境中 AR 玻璃透射比衰减机理。研究成果可以对中国湿热环境、温和气候下城市环境及干热砂尘环境中光 伏电站的建设与运维提供有效参考和指导。 关键词：中国典型气候 户外实证 AR 玻璃 积灰 一、 研究背景及内容 1.1 研究背景 太阳能光伏组件在户外环境中使用时的实际发电量作为政府、投资方、电站业主及组件生 产企业衡量电站质量以及组件性能的重要参考依据在光伏领域已经受到越来越广泛地关注。因 此，对光伏电站发电量损耗因素的研究具有非常重要的意义，在众多因素中，光伏组件表面积 尘对电量的影响尤其不容忽视。由于各地区气候环境的不同以往研究结果存在差异：有学者发 现电站灰尘造成的年平均发电效率的损失高达 6%（北京智阳科技有限公司， 2016） ；赤道地区 表面灰尘可降低组件输出功率最高达 18%（Shaharin A. Sulaiman，etc.，2011） ；干燥少雨地区 积尘引起的组件输出功率的年损失可达 15%（M. Piliougine，etc.，2008） ；组件表面灰尘导致的 辐照量日平均衰减约 4.4%（J.Zorrilla-Casanova ，etc. ，2011） 。但是现有研究缺少针对中国典型 气候环境积尘引起的光伏系统发电量损耗的探讨；同时，研究成果也未能对中国湿热环境、温 和气候下城市环境及干热砂尘环境中光伏电站的建设与运维提供有效参考和指导。 1.2 核心内容 本文采集、整理、分析湿热环境、温和气候下城市环境及干热砂尘环境 3 种中国光伏产品 应用的典型气候条件的气象数据；对导致在上述 3 种自然环境中使用的晶体硅光伏组件用 AR 玻璃太阳光有效透射比衰减的关键因子进行梳理并确定不同环境中 AR 玻璃透射比衰减机理。 2 二、 过程简述 2.1 样品制备 本次研究收集 3 种不同型号规格为 300mm×300mm×3.2mm 的 AR 玻璃样品共计 36 块，从 2015 年 7 月开始进行户外老化试验，老化周期分别为 3 个月、6 个月、9 个月和 12 个月。各型 号样品分别在 3 个典型晒场投放 12 块，每 3 个月从各晒场取回不同型号的 3 块样品测试。 为了模拟 AR 玻璃的真实使用情况，减少环境因素引起非镀膜面的腐蚀，制备样品时将 AR 玻璃非镀膜面用密封胶封装在相同尺寸的平板玻璃上制成双层试样（图 1a） ，并放入定量的分 子筛防止水汽渗入，老化试验过程中将镀膜面朝向太阳光入射的方向放置（图 1b） 。 注： 1-光伏玻璃； 2-平板玻璃； 3-间隔胶条； 4-边部密封胶； 5-3A分子筛。 图 1a 样品侧面 图 1b 样品正面 2.2 晒场选址 本次研究分别选择海南定安、北京、新疆吐鲁番（图 2）作为湿热环境、温和气候下城市 环境及干热砂尘环境户外老化晒场，同时采集、监控 3 地的温度、相对湿度、日照时数、辐照 量、风速风向等气象数据，晒场信息见表 1。 表 1 晒场信息表 晒场 地理坐标 气候特征 样品安装角度 海南 19°N，110°E 湿热 15° 北京 40°N，116°E 温和气候下城市 37° 吐鲁番 42°N，89°E 干热砂尘 42° 3 图 2 试验地点 2.3 试验项目 本次研究试验项目包括：依据行业标准 JC/T 2170—2013《太阳能光伏组件用减反射膜玻璃》 对定期老化后样品在清洗前后分别进行 380nm~1100nm 波段的太阳光有效透射比测试；对样品 表面附着的固体沉积物进行化学成分全分析；使用光学显微镜测量试样表面积尘粒度；通过对 水接触角试验测试不同膜层的亲疏水性能；使用扫描电镜对老化试验前后样品的膜层厚度进行 测量。 三、 结果与讨论 3.1 气象数据分析 湿热环境特征：全年高温、高湿、无风或少风，最冷月平均气温 15℃以上，气温年较差小， 一般为 1℃～6℃，年降水量 1000mm 以上，且降水量大于蒸发量，年平均相对湿度 60%以上。 温和气候下城市环境特征：春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季寒冷干燥，四 季分明。年平均气温 8℃~15℃，年平均降水量 500mm 左右。 干热砂尘环境特征：全年高温、干燥、无雨或少雨、少云、多风沙，最冷月平均气温 15℃ 以上，气温日较差大，可达 35℃以上，年降水量 400mm 以下，且降水量小于蒸发量。 由于本次老化试验分 4 个周期进行，因此对 3 地气象数据的分析也分为 4 个阶段：8 月~10 4 月为第一阶段、11 月~次年 1 月为第二阶段、2 月~4 月为第三阶段、5 月~7 月为第四阶段（表 2） 。 表 2 晒场气象数据表（2015 年 8 月~2016 年 7 月） 晒场地址 老化周期 大气温度平均值/℃ 相对湿度平均值/％ 风速平均值/（m/s ） 8 月~10 月 27.57 69.87 2.74 11 月~次年 1 月 17.22 73.10 3.23 2 月~4 月 18.52 74.67 3.12海南 5 月~7 月 28.52 75.87 3.28 8 月~10 月 20.19 62.58 3.15 11 月~次年 1 月 -1.11 58.56 3.95 2 月~4 月 7.78 38.97 3.92北京 5 月~7 月 24.07 58.07 3.47 8 月~10 月 13.52 38.53 3.87 11 月~次年 1 月 -3.71 25.65 4.63 2 月~4 月 5.18 47.38 4.80吐鲁番 5 月~7 月 15.74 38.35 4.16 3.2 AR 玻璃太阳光有效透射比分析 晶体硅光伏组件用 AR 玻璃通过在超白压花玻璃表面涂覆膜层来降低玻璃表面的反射率， 提高透过率，使尽可能多的光线到达电池片表面，从而有效提高光伏组件输出功率。以往研究 显示单层减反射镀膜通常能够使宽光谱范围内的玻璃透光率增加 3%及以上，使组件的输出功 率提高 2%（黄华义，2008） 。本次测试的 36 块样品老化试验前的初始透射比值在 93.5%~94.0%之 间也印证了上述观点（表 3、图 3） 。 表 3 样品初始透射比值（%） 预投放晒场 样品编号 海南 北京 吐鲁番 1-1 93.6 93.5 93.7 1-2 93.6 93.6 93.6 1-3 93.7 93.6 93.7 1-4 93.7 93.6 93.7 2-1 93.8 93.9 93.9 2-2 93.8 93.9 94.0 2-3 93.9 94.0 93.9 2-4 93.9 94.0 94.0 3-1 93.7 93.5 93.6 3-2 93.7 93.6 93.6 3-3 93.7 93.7 93.6 3-4 93.8 93.5 93.6 注 1：样品编号原则，第一个数字代表样品型号；第二个数字代表该型号样品老化的周期数，1 个周期为 3 个月，如 1- 1 指 1#样品预计老化 1 个周期。 5 注 2：测试数据来源于国家安全玻璃及石英玻璃质量监督检验中心。 380 480 580 680 780 880 980 1080 0.00;[Re30](0.00) 0.00;[Re30](0.00) 0.00;[Re31](0.00) 0.00;[Re31](0.00) 0.00;[Re1](0.00) 0.00;[Re1](0.00) 0.00;[Re2](0.00) 0.00;[Re2](0.00) 0.00;[Re3](0.00) 0.00;[Re3](0.00) 0.00;[Re4](0.00) 1#初 始 值 2#初 始 值 3#初 始 值 光 谱 范 围/nm 太 阳 光 有 效 透 射 比/% 图 3 老化试验前试样太阳光有效透射比 在 3 个晒场经受定期老化后的样品外观发生了不同变化：其中老化 3 个月后 3 地样品外观 与初始安装时相比均无明显变化；老化 6 个月后北京样品表面附着的灰尘最多（图 8） ，9 个月、 12 个月后北京样品表面附着物越来越少，到 12 个月时北京样品表面已经收集不到尘土样品 （图 12、图 13） ，对水接触角测试结果显示（表 4、图 4、图 5）1#和 3#样品 AR 膜属于亲水型 膜层，亲水膜的特点是污染物质在膜表面易聚结，通过清洗聚结物很容易从膜表面脱离，分析 认为第二个老化周期开始（11 月）北京进入冬春多风期（图 6） ，而第三个周期是北京的雨季， 这些气候因素有效的清理了附着在试样表面的灰尘；6 个月时海南样品表面形成大量苔藓状微 生物（图 9） ，随着老化时间的增加这种微生物数量也呈现增加的趋势，原因是从 2 月开始海南 地区温度回升，湿度增加，形成了苔藓类植物的生长环境，而雨水并不能有效的将试样表面的 微生物冲刷掉；老化 6 个月后吐鲁番样品表面附着少量砂尘（图 10） ，9 个月时样品表面出现雨 滴干涸后的泥土印迹（图 11） ，这种现象的出现是由于吐鲁番地区全年降水量较少且气候干燥 （图 7） ，当雨水降落在试样表面时，来不及流到试样底部就已经蒸发，因此全年无充沛雨水冲 洗的吐鲁番试样表面附着的灰尘会越积越多；3 地所有样品清洗后均未出现膜层脱落、剥离或 起皱等现象。 6 图 4 1#样品对水接触角 图 5 3#样品对水接触角 8月~10 月 11月~ 次 年1 月 2月~4 月 5月~7 月 0 1 2 3 4 5 海 南 北 京 吐 鲁 番平均 风 速m/s 8月~10 月 11月~ 次 年1 月 2月~4 月 5月~7 月 0 10 20 30 40 50 60 70 80 海 南 北 京 吐 鲁 番 相 对 湿 度/% 图 6 晒场平均风速 图 7 晒场相对湿度 表 4 对水接触角测试结果 样品编号 测试点 1 测试点 2 测试点 3 测试点 4 测试点 5 平均值 1# 55.90 53.46 58.56 54.72 58.44 56.22 3# 38.40 41.53 45.62 45.15 45.60 43.26 注：测试数据来源于国家安全玻璃及石英玻璃质量监督检验中心。 通过测试发现，样品老化后清洗前的透射比衰减与外观变化存在一定关系，即表面积尘越 多透射比衰减越大。在湿热环境、城市环境及干热砂尘环境中老化 6 个月后的样品清洗前透射 比衰减率分别为 7.3%~24.4%、 24.2%~28.5%、4.4%~5.6% ，尤其是在可见光部分发生显著衰减 （图 14~图 16） ，其中北京样品衰减最明显（图 17） ；老化 9 个月后未清洗样品 3 地衰减率分别 为 31.3%~41.2%、6.7%~8.5%、8.6%~12.9% ，其中海南样品衰减显著（图 18） ；北京样品经过 8 月~次年 1 月两个老化周期以后清洗前衰减剧烈，3 块样品均超过 20%（图 19） ，值得注意的 是第二个周期的时间与北京地区雾霾多发期重合；吐鲁番样品在第三个老化周期即 2 月~4 月时 与前两个周期相比衰减最严重，所有样品清洗前衰减都达到 8%以上（图 20） ，第三个老化周期 吐鲁番地区刚好进入风大力强的春季。 7 图 8 老化 6 个月后 3 个晒场内样品外观 图 9 老化 9 个月后海南晒场内样品外观 图 10 老化 6 个月后吐鲁番晒场内样品外观 图 11 老化 9 个月后吐鲁番晒场内样品外观 图 12 老化 12 个月后 1#样品外观 图 13 老化 12 个月后 3#样品外观 8 图 14 老化 6 个月后的海南样品清洗前透射比衰减率 图 15 老化 6 个月后的北京样品清洗前透射比衰减率 9 图 16 老化 6 个月后的吐鲁番样品清洗前透射比衰减率 1-2 2-2 3-2 0.0;[Re30](0.0) 0.0;[Re9](0.0) 0.0;[Re19](0.0) 0.0;[Re29](0.0) 海 南 北 京 吐 鲁 番 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 1-3 2-3 3-3 0.0_ 20.0_ 40.0_ 60.0_ 海 南 北 京 吐 鲁 番 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 图 17 老化 6 个月后的样品清洗前透射比衰减率 图 18 老化 9 个月后的样品清洗前透射比衰减率 1# 2# 3# 0.0;[Re30](0.0) 0.0;[Re9](0.0) 0.0;[Re19](0.0) 0.0;[Re29](0.0) 3个 月 6个 月 9个 月 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 1# 2# 3# 0.0;[Re30](0.0) 0.0;[Re4](0.0) 0.0;[Re9](0.0) 0.0;[Re14](0.0) 3个 月 6个 月 9个 月 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 图 19 北京样品清洗前透射比衰减率 图 20 吐鲁番样品清洗前透射比衰减率 3 个月清洗后的海南、北京、吐鲁番样品衰减率分别为 0.3%~0.5%、0.2%~0.3、0.1%~0.5%，均未超过 1%；6 个月清洗后的 3 地样品衰减率分别为 0.1%~0.5%、1.1%~1.4%、0.5%~0.6% ；9 个月清洗后的 3 地样品衰减率分别为 0.1%~0.8%、0.4%~1.4%、0.5%~0.6% 。对比 3 地样品清洗前后透射比衰减率的变化发现， 6 个 10 月时北京样品清洗前后衰减率变化最明显（图 21~图 23） ；9 个月时海南样品清洗前后衰减率变 化最明显（图 24~图 26） ，但是清洗后老化 6 个月的北京样品 3 块衰减率均超过 1%，9 个月也 有 2 块衰减超过 1%；而海南老化 6 个月、9 个月的样品清洗后衰减率有 4 块≤0.4% ，1 块为 0.5%，1 块为 0.8%。由此认为城市环境中 AR 玻璃的膜层可能被腐蚀，基于上述判断，本次研 究分别采集 3 地样品表面固体沉积物进行化学成分全分析测试。 1-23-2 0.0;[Re30](0.0) 0.0;[Re4](0.0) 0.0;[Re9](0.0) 0.0;[Re14](0.0) 0.0;[Re19](0.0) 0.0;[Re24](0.0) 0.0;[Re29](0.0) 清 洗 前 清 洗 后 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 1-2 3-2 0.0;[Re30](0.0) 0.0;[Re4](0.0) 0.0;[Re9](0.0) 0.0;[Re14](0.0) 0.0;[Re19](0.0) 0.0;[Re24](0.0) 0.0;[Re29](0.0) 清 洗 前 清 洗 后 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 图 21 6 个月海南样品清洗前后透射比衰减率 图 22 6 个月北京样品清洗前后透射比衰减率 1-23-2 0.0;[Re30](0.0) 0.0;[Re4](0.0) 0.0;[Re9](0.0) 0.0;[Re14](0.0) 0.0;[Re19](0.0) 0.0;[Re24](0.0) 0.0;[Re29](0.0) 清 洗 前 清 洗 后 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 1-3 2-3 3-3 0.0_ 15.0_ 30.0_ 45.0_ 清 洗 前 清 洗 后 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 图 23 6 个月吐鲁番样品清洗前后透射比衰减率 图 24 9 个月海南样品清洗前后透射比衰减率 1-3 2-3 3-3 0.0_ 15.0_ 30.0_ 45.0_ 清 洗 前 清 洗 后 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 1-3 2-3 3-3 0.0_ 15.0_ 30.0_ 45.0_ 清 洗 前 清 洗 后 样 品 编 号 衰 减 率 （%） 图 25 9 个月北京样品清洗前后透射比衰减率 图 26 9 个月吐鲁番样品清洗前后透射比衰减率 3.3 表面积尘化学成分全分析 研究分别采集引起透射比显著衰减的典型老化周期的试样表面积尘进行化学全分析、微量 元素含量分析，包括海南 12 个月、北京 6 个月和吐鲁番 12 个月老化试样表面附着物（表 5、 11 图 27、图 28） 。海南、北京和吐鲁番三个样品基本碎屑物质为粘土矿物粉尘，粉尘粒度 1μm～10μm（图 29~图 32） ，且附着在样品表面的尘土粒径小于集砂器内沉积物的粒径，粘土 矿物矿物化学成分存在明显差异。三个样品基本化学成分 Al2O3、ZrO 2、Cr 2O3 含量接近，北京 和吐鲁番样品较海南样品 TiO2、NiO 略低，北京样品较海南样品 Fe2O3、Na 2O、 K2O、BaO、SrO、MnO、P 2O5 略高，而北京与吐鲁番样品 CaO、MgO 明显高于 海南样品，而北京样品 SO3 远远高于海南和吐鲁番。分析三地样品成分不同的原因如下： 1) 原区物质成分不同，北京地区粉尘主要来自西北黄土高原及内蒙古草原区。原区是重要 煤炭产区，矿区粉尘被漂移到北京地区导致粉尘中 SO3、Fe 2O3、CaO、MgO 等成分升 高。 2) 华北地区是重要工业经济区，城市能源消耗和建筑业所消耗材料导致空气粉尘吸附大气 中排放物，使粉尘成分中 CaO、MgO 、SO 3、Fe 2O3 成分增高。城市建筑用水泥成分是 CaO 加上泥质成分，水泥固结要吸收 CO2 变成 CaCO3，降低城市大气中 CO2 含量。因 此，北京和吐鲁番城市 C 含量降低可能是建筑工地开工过多造成的。 结合 AR 玻璃太阳光有效透射比衰减数据及膜层扫描电镜微观样貌分析认为（图 33~图 38） ， 微生物等成分的沉积物使用水清洗后透射比可以得到显著恢复；但是大量含 S 的附着物在使用 水清洗时，会与水发生化学反应生成酸可能腐蚀膜层，造成永久性损伤；干热砂尘区域样品的 膜层磨损以物理磨蚀为主，并且其磨损情况较城市环境更严重。 表 5 积尘化学成分分析 检测项目 （海南 12 个月）含量% （北京 6 个月）含量% （吐鲁番 12 个月）含量% Al2O3 9.23 8.78 10.17 ZrO2 0.012 0.013 0.0071 Fe2O3 5.11 5.57 4.93 TiO2 1.00 0.54 0.52 CaO 3.20 9.69 11.24 Na2O 0.94 2.47 3.58 MgO 1.54 3.66 3.33 K2O 1.18 1.45 1.94 BaO 0.022 0.076 0.046 SrO 0.015 0.036 0.035 MnO 0.042 0.10 0.10 P2O5 0.24 0.30 0.21 SO3 0.25 5.38 1.40 CuO 0.0038 0.018 0.0063 ZnO 0.020 0.060 0.060 Cr2O3 0.016 0.015 0.012 NiO 0.052 0.0070 0.0042 C 12.90 7.74 5.54 12 注：测试数据来源于国家建材测试中心。 Al2O3ZrO2Fe2O3TiO2 CaONa2OMgOK2O BaO SrO MnOP2O5SO3 CuO ZnOCr2O3NiO C 0 5 10 15 20 25 30 海 南 北 京 吐 鲁 番 wB/% 图 27 粉尘附着物化学成分比较图 0.00_ 10.00_ 20.00_ 30.00_ 40.00_ 50.00_ Al2O3 ZrO2 Fe2O3 TiO2 CaO Na2O MgO K2O BaO SrO MnO P2O5 SO3 CuO ZnO Cr2O3 NiO C 北 京/ 海 南 0.95_ 1.08_ 1.09_ 0.54_ 3.03_ 2.63_ 2.38_ 1.23_ 3.45_ 2.40_ 2.38_ 1.25_ 21.52_ 4.74_ 3.00_ 0.94_ 0.13_ 0.60_ 吐 鲁 番/ 海 南 1.10_ 0.59_ 0.96_ 0.52_ 3.51_ 3.81_ 2.16_ 1.64_ 2.09_ 2.33_ 2.38_ 0.88_ 5.60_ 1.66_ 3.00_ 0.75_ 0.08_ 0.43_ 图 28 粉尘附着物化学成分比较图 图 29 海南试样表面灰尘颗粒微观形貌 图 30 北京试样表面灰尘颗粒微观形貌 图 31 吐鲁番试样表面灰尘颗粒微观形貌 图 32 吐鲁番集灰器内灰尘颗粒微观形貌 13 图 33 1#样品老化 1 年后北京样品膜层表面镜像 图 34 1#样品老化 1 年后北京样品膜层断面镜像 图 35 1#样品老化 1 年后海南样品膜层表面镜像 图 36 1#样品老化 1 年后海南样品膜层断面镜像 图 37 1#样品老化 1 年后吐鲁番样品膜层表面镜像 图 38 1#样品老化 1 年后吐鲁番样品膜层断面镜像 注：测试结果来源于中国建筑材料科学研究总院。 四、 结论 1.气候的季节性变化影响空气中的固体颗粒物浓度，尤其是城市环境中冬季出现的雾霾天 气、干热砂尘地区的春季大风天气，导致应用在该地区组件表面积尘量增多，直接减少太阳光 透过率，本次研究发现 9 个月未清洗的 AR 玻璃表面积尘引起的透射比衰减高达 41.2%，因此， 建议根据组件实际使用的自然环境缩短组件清洗的周期。 14 2.风雨等气候因素作用下的砂尘会磨蚀 AR 膜层，不同环境中使用的 AR 玻璃其膜层磨蚀机 理不同，灰尘中的含 S 成分在一定的条件下还会腐蚀膜层，多风沙区域样品的膜层磨损以物理 磨蚀为主，因此，不同环境中运行的电站应采用不同的维护方式，如用水清洗或风机吹尘。 参考文献 [1] Shaharin A. Sulaiman, Haizatul H. Hussain, Nik Siti H. Nik Leh, and Mohd S. I. Razali. Effects of Dust on the Performance of PV Panels, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering,2011,pp.2028-2033. [2] M. Piliougine, J. Carretero, M. Sidrach-de-Cardona, D. Montiel, P. Sánchez-Friera. Comparative analysis of the dust losses in photovoltaic modules with different cover glasses. Proceedings of 23rd European Solar Energy Conference, 2008, pp. 2698-2700. [3] J. Zorrilla-Casanova, M. Piliougine, J. Carretero, P. Bernaola, P. Carpena, L. Mora-López, M. Sidrach-de-Cardona. Analysis of dust losses in photovoltaic modules, Proceedings of World Renewable Energy Congress ,2011,pp.2985-2992. [4]浅析光伏电站发电量与光伏组件衰减的关系,来自光伏太阳能网. [5]北京智阳科技有限公司,积尘对光伏系统发电的影响研究综述,2016.