海洋環境下太陽能電池玻璃表面清潔方案

張 彥，袁成清，張 天，孫玉偉

(武漢理工大學a.能源與動力工程學院可靠性工程研究所;b.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢430063)

海洋環境下太陽能電池玻璃表面清潔方案

張 彥a，b，袁成清a，b，張 天a，b，孫玉偉a，b

(武漢理工大學a.能源與動力工程學院可靠性工程研究所;b.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢430063)

為了有效避免海洋環境下各種污染物長時間與太陽能電池玻璃表面接觸而導致損傷,提出一套自清潔與后清潔相結合的清潔方案,根據光伏電池污染物的特性和損傷過程對玻璃表面進行有針對性清潔,方案結合自檢測和遠程控制,適用于人工維護困難的區域。

海洋環境;太陽能電池;玻璃表面;清潔方法

太陽能作為目前世界上最有發展潛力的清潔能源之一,在海洋環境下,適用于海島設施、海洋平臺、遠洋船舶等長期處于獨立工作狀態的設備［1］。太陽能光伏不僅運用在海洋結構物、海洋航行器等單體設備上,在海島或者近海人工漂浮平臺上構建大型光伏陣列也被廣泛嘗試［2-3］。

在海洋環境下使用太陽能光伏,必須充分考慮苛刻的環境因素。海洋環境相比陸地環境要復雜得多,由于太陽能電池的玻璃表面直接與海洋環境接觸,同時其光譜透過率又制約著太陽能電池的光電轉換效率,可以認為玻璃表面是主要的影響部位。海洋環境因素的綜合作用一方面會通過玻璃表面的遮擋效應,降低透射進入太陽能電池的太陽輻照強度;另一方面會加劇太陽能電池特別是其玻璃表面的腐蝕磨損,降低其可靠性,進而影響電力輸出特性［4-6］。因此,合理清潔,減緩太陽能電池玻璃表面的損傷十分重要。

陸用光伏陣列的清潔手段在海洋環境中的適用性和相關應用目前鮮有報道,同時現有的清潔方式主要是針對灰塵這單一的污染物,而對于減緩多因素作用下太陽能電池玻璃表面損傷的效果則有限。為此,以海洋環境下太陽能電池玻璃表面為研究對象,分析其損傷機理,提出一種針對海洋環境多種污染物的清潔方案。

1 損傷機理

太陽能電池玻璃表面接觸的海洋環境主要是海洋大氣環境,但如果安裝位置接近海平面,也可能會受到海水的影響。海洋大氣環境中的影響因素主要包括溫度、濕度、風速、日照強度、凝露、降雨、氣體污染物(SO2和NOx)及鹽粒,等。除此以外,在海島附近的太陽能電池還可能受到海鳥糞便、樹葉、動物攀爬遺跡等因素的影響。根據這些因素的作用機理,將其分為外界污染物和環境因素兩類。

當海洋空氣中的灰塵、鹽粒或者海鳥糞便、樹葉等外界污染物在電池玻璃表面隨著時間積聚時,會形成非透明覆蓋層,在減少太陽能電池實際被照射面積的同時,還會降低透射進入的太陽輻照強度［7］。而且時間過長,覆蓋層部位會形成熱斑效應,嚴重時會造成整個電池組件的破壞［8］。而氣體污染物、鹽粒等與水混合后會形成酸性或堿性的物質,這些酸堿性物質長期在太陽能電池表面積聚、消散,會對玻璃表面不斷進行侵蝕,再加上溫度變化、干濕交替等環境因素的間接作用,腐蝕磨損會變得異常劇烈,見圖1。

外界污染物和環境因素對于電池玻璃表面的損傷,都是直接或者間接通過與界面接觸產生的,同時影響程度的大小與時間長短存在對應關系。

2 清潔方案的構建原則

根據海洋環境下太陽能電池玻璃表面的損傷機理,電池玻璃表面的清潔實際上就是通過各種方式,阻隔外界因素(主要指的是污染物)與界面的長時間接觸。相對應產生了兩種清潔途徑:自清潔技術和后清潔技術。見圖2。

圖1 電池玻璃表面的損傷機理

圖2 電池玻璃表面的清潔方式

自清潔技術指的是在玻璃表面覆蓋一層涂層,阻隔污染物,避免其直接接觸。同時,所覆蓋的涂層具有自清潔能力,隨著降雨將污染物除去。此種方法適用范圍廣,但是除去污染物的效果欠佳。后清潔技術指的是采用清潔裝置清洗玻璃表面,除去玻璃表面的污染物,避免其長時間接觸。此種方法能夠根除污染物,但是制約因素較多。

構建海洋環境下太陽能電池玻璃表面的清潔方案,要考慮電池運行環境的特殊性。海洋環境下的太陽能電池通常處于人工維護困難的區域,不可能如同陸地一樣,采用清潔車進行大范圍清潔。海洋環境降雨量相對充足,鹽霧與海水對玻璃表面腐蝕嚴重,鹽斑覆蓋與侵蝕交替出現。灰塵、鹽斑、鳥糞等不同污染物在太陽能電池玻璃表面的粘附性強度不同,損傷程度以及作用時間也有區別。

根據海洋環境的具體情況,清潔方案遵循以下原則:①自清潔技術與后清潔技術相結合;②對灰塵顆粒物與海鳥糞便、樹葉、鹽斑等日常清洗難以除去的污染物采取不同的清潔方式;③適用于海洋環境下人工維護困難的區域。

3 清潔方案的關鍵技術

3.1 自清潔涂層

灰塵等顆粒物的影響主要是導致電池輸出能量的減少［9］。同時灰塵等顆粒物的影響具有隨時性。因此,基于海洋環境降水量較多這一情況,將自清潔涂層作為日常清理方式。

在太陽能電池玻璃表面覆蓋一層自清潔涂層,可以阻隔灰塵等顆粒物與電池玻璃表面直接接觸,同時降低其附著力,隨著水流的沖刷,將表面灰塵等顆粒物帶走［10］。同時可避免氣體污染物、鹽粒等與水混合后所形成的酸性或堿性物質直接與電池玻璃表面接觸,減緩其腐蝕磨損度。

需要注意的是,海洋環境下不能使用親水性的自清潔涂層,因為其會在玻璃表面形成均勻的水膜,反而增強了腐蝕。超疏水(水接觸角 ＞150°)自清潔涂層或者基于無機光催化半導體材料的自清潔涂層相對適用,目前可以使用的納米涂料主要有二氧化鈦、氟碳樹脂基等。

為了便于太陽能電池玻璃表面的水流流動,太陽能電池的布置應采用傾斜結構,將其頂部設置成5°～8°傾角。

3.2 移動式清潔裝置

由于自清潔涂層通常難以清除海鳥糞便、樹葉、鹽斑等這類污染物,因此需要結合后清潔技術來提高清潔效果。考慮到海洋環境下人工維護困難,提出了一種移動式的清潔裝置,作為后清潔方式,與自清潔涂層配合使用。

移動式清潔裝置包括主支撐機構、驅動部件、清潔部件、自檢測系統、蓄電池供電系統和控制系統,見圖3。

圖3 移動式清潔裝置底部示意

驅動部件包括直流電機驅動的懸浮式驅動輪和萬向腳輪,設計需要保證即使太陽能電池板表面處于濕潤狀態,其仍能夠在成5°～8°的斜面上行走,同時可以做到越過間隙在50 mm以內,落差在±30 mm以內的太陽能電池板連接處。清潔部件包括刮板、海綿擦和旋轉刷。刮板主要用來清除樹葉等固體污染物;海綿擦主要用來清除灰塵、污垢等污染物;旋轉刷主要用來清除海鳥糞便、鹽斑等污染物。自檢測系統采用攝像頭獲取太陽能電池板玻璃表面圖像,經過圖像處理判別玻璃表面清潔度,從而控制是否繼續對該位置進行清洗。控制系統基于單片機,實現對裝置移動、清潔的控制。

通過無線連接,實現移動式清潔裝置的遠程控制,從而使得裝置具有自動移動和清潔以及人工遙控移動和清潔兩種模式。為了方便移動式清潔裝置在各區域光伏陣列之間運行,可以設置專門的移動通道。

方案中自清潔涂層的選擇結合降雨較多這一實際,同時可避免對于腐蝕的增加。移動式清潔裝置可以有效代替人力清潔,一方面降低人力成本,另一方面對于人力清潔困難區域可有效清潔。

4 結束語

針對海洋環境特殊性所提出的太陽能電池玻璃表面清潔方案能夠適應人工維護困難、鹽霧腐蝕嚴重的實際情況,對于光伏電池的廣泛使用和保證其可靠性具有重要意義。自清潔技術與后清潔技術相結合以及污染物分類清潔不僅適用于海洋環境,還可以用于陸地光伏陣列的清潔。相比原有的單一清潔方式,在提升了清潔效果的同時更加具有靈活性。但是由于灰塵是主要污染物,同時可能存在缺水狀態,因此必須做出相應調整。提出的方案在配合使用自清潔技術和后清潔技術的同時應考慮到經濟性,以及盡量避免兩者之間的不良影響,特別是后清潔裝置與玻璃表面接觸部分對于自清潔涂層的破壞。今后的研究應關注自清潔涂層清潔效果以及耐久性的進一步提升,后清潔裝置自檢測精度的提高以及兩者之間配合性,使清潔方案更具有實際意義。

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［5］袁成清,趙亮亮,孫玉偉,等.船用太陽能電池可靠性分析［J］.船海工程,2010,39(6):129-131.

［6］崔 劍,李 喆,賈沛霖.中國西部大型地面并網光伏電站固定式光伏組件清洗方案［J］.太陽能,2013, 233(21):40-42.

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［8］WENHAM S R,GREEN M A,WATT M E,et al.Applied Photovoltaics［M］.UK&USA:Earthscan,2007.

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［10］居發禮.積灰對光伏發電工程的影響研究［D］.重慶:重慶大學,2010.

Cleaning Method for Glass Surface of Solar Cell Panel under Marine Environment

ZHANG Yana,b,YUAN Cheng-qinga,b,ZHANG Tiana,b,SUN Yu-weia,b
(a.Reliability Engineering Institute,School of Energy and Power Engineering; b.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology,Ministry of Transport, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In order to avoid effectively the damage of the glass surface of solar cell panel caused by the long-term contact with all kinds of pollutants undermarine environment,a novel cleaningmethod which is combined with self-cleaning and passive cleaning is proposed.According to the characteristics of the pollutants of solar cell panel and the damage process,the developed method is the pertinence cleaningway to provide to be better effect.While the techniques of self-testand remote control are used, themethod is suitable for the area hard artificialmaintenance.

marine environment;solar cell panel;glass surface;cleaningmethod

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.018

U665.11

A

1671-7953(2015)03-0075-04

2014-12-06

修回日期:2015-01-04

工信部高技術船舶專項(工信部聯裝［2012］540號)

張 彥(1989-),男,碩士生

研究方向:船舶動力裝置系統性能分析,船舶動力系統新能源技術

E-mail:zhangyant1223@163.com