光伏板在波浪滑翔器中的應(yīng)用

木建一 李培正 朱 坤 張憲丞 王煒皋

（中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

波浪滑翔器是一種新型海上無人航行器，它主要分為水面艇體和水下波浪能推進器2 個部分，中間靠臍帶纜連接。它的動力來源是波浪能，水面艇體在波浪起伏時帶動水下波浪能推進器上下運動，水下波浪能上下運動時產(chǎn)生水平運動分量，最終拖動水面艇體前進。波浪滑翔器的電力來源是太陽能，在水面艇體上安裝了光伏板，艇上攜帶有充電電池，光照好的情況下光伏板為蓄電池充電，在陰雨天或夜晚無光的情況下蓄電池為艇上設(shè)備提供電力。

1 波浪滑翔器上光伏板使用環(huán)境

為了最大限度地利用波浪能，波浪滑翔器的體積尺寸會受到限制，其長度一般控制在2 m～3 m，高度幾乎和海面齊平。圖1 為某公司自行研制的波浪滑翔器在海試時的照片，從圖中可以看出，即使在海況較好的情況下，波浪滑翔器上的光伏板也會不可避免地接觸海水。

圖1 海面上的波浪滑翔器

波浪滑翔器執(zhí)行任務(wù)的時間可能長達1 a，需要承受8級海況，由于波浪滑翔器的體積小，當海況較差時就會淹沒在水中。圖2 為國外波浪滑翔器在海況較差時淹沒在水下，由圖2 可知，光伏板有可能會浸沒在較深的海水里。因此,田應(yīng)元等研究人員指出波浪滑翔器的研制不僅要考慮其性能參數(shù)，還需要結(jié)合實際海洋環(huán)境，解決高海況、長時間運行等一系列實際工程上的難題[1]。

圖2 惡劣海況時光伏板浸沒在水下

中電科（寧波）海洋電子研究院作為國內(nèi)較早研制波浪滑翔器的單位之一，在項目初期對在波浪滑翔器上應(yīng)用普通光伏板有較大擔憂，主要有以下3 個問題：1）由于波浪滑翔器緊貼海面，光伏板經(jīng)常會浸沒在海水中，當光伏板浸沒在海水中時，太陽光將被水層阻擋吸收，水層的存在是否會大幅降低光伏板的發(fā)電效率？2）一般光伏板是由前板玻璃、熱熔膠薄膜、電池和背板組成，如圖3 所示[2]，長時間的海水浸泡是否會引起玻璃、光伏電池以及背板的分離脫落？3）海水是否會腐蝕背板，從而導致光伏板失效？

圖3 光伏板模型示意圖

針對以上3 個問題，課題組咨詢了多家光伏板生產(chǎn)廠家和研發(fā)單位，得到的信息如下：1）普通光伏板可以保證在暴雨、風雪甚至不嚴重的冰雹等惡劣天氣下不被損壞，但是完全浸沒水中是否會被損壞則無法保證。2）玻璃層、光伏層和背板層為黏膠粘接，雖然可以進行短時間沖淋，但無法保證經(jīng)過長時間浸泡尤其是海水浸泡后相關(guān)器件依然粘接牢固。3）一般背板為PET 材料，雖然PET 具有一定的耐腐蝕性，但未進行過長時間的耐海水腐蝕試驗。

2 表面水層對光伏板發(fā)電效率的影響

一般光伏板是在空氣中使用，雖然大雨天氣會使光伏板表面出現(xiàn)水膜，但此時光伏板基本不發(fā)電，因此不涉及水膜對發(fā)電效率的影響。水膜對光伏板影響的研究基本上是從冷卻角度出發(fā)的，梁寧文等人在對光伏板的冷卻技術(shù)的研究總結(jié)中介紹了水膜冷卻。Krauter 首次研究了表面水膜冷卻對光伏板性能的影響。如圖4 所示[3]，圖中使用實驗裝置對光伏板進行水膜冷卻；研究表明，在水流及周圍空氣的冷卻作用下，光伏板最高溫降可達22 ℃，全天輸出功率可提升 10.3%。ODEH 等人指出采用表面水膜冷卻技術(shù)可以讓系統(tǒng)的輸出功率增加4%～10%，其中一半的能效提升歸因于水與光伏板之間的對流換熱，另一部分是由于太陽光在水膜中發(fā)生折射，增加了硅電池表面太陽輻射的強度[2]。考慮水膜厚度對太陽光透射的影響，陳劍波等人研究了太陽能光伏（SPV）系統(tǒng)的表面水降溫；研究表明，水的最佳噴淋流量為 0.9 m3/h（水膜厚度為 1.1 mm）時，水膜降溫和透光效果最佳[3]。

圖4 光伏板表面不同厚度水膜冷卻試驗

以上研究主要集中在水膜對光伏板的冷卻效果，水膜厚度極薄，但是波浪滑翔器在海況較差的時候光伏板上可能覆蓋較厚的水層（水層的厚度可能為幾毫米到幾厘米）；因此課題組針對水層較厚時光伏板的發(fā)電效率進行了簡單試驗，并通過查找相關(guān)文獻資料對試驗結(jié)果進行論證。由于波浪滑翔器在航行時光伏板上的水層厚度不均勻且海水渾濁程度不同，為了簡化試驗，僅測試透明均勻水層對光伏板的影響。實驗分別測試了太陽能光伏板在空氣中、在水面下1 cm 以及在水面下2 cm 時的發(fā)電功率。測試用水由自來水加海水鹽調(diào)制而成，濃度為3%。試驗如圖5 所示。

圖5 光伏板在水面下的發(fā)電功率測試

圖中光伏板標稱功率為50 W，標稱輸出電壓為24 V，電子載荷型號為BF8511，電子載荷設(shè)置為固定電阻100 Ω。當日天氣晴朗無云，測試結(jié)果見表1。從表1 中可知，清澈的水層即使厚度偏大（2 cm 左右）也不會對光伏板的發(fā)電效率造成較大的影響。

表1 光伏板在空氣中和水面下的發(fā)電效率

事實上，從表1 中可以看出，光伏板d 水面下的效率還略高于在空氣中的效率，該現(xiàn)象與一些研究人員提出的水膜降溫可以提升發(fā)電效率的理論一致。溫度對晶體硅光伏板發(fā)電效率的影響很大，溫度上升將導致效率降低。秦紅等人指出晶體硅光伏板在溫度為50 ℃和80 ℃的情況下比在溫度為25 ℃的效率要下降12.8%和27.8%，因此理論上在太陽輻射最強的中午應(yīng)該達到最大功率的光伏板由于工作溫度上升，其實際上輸出電能不升反降[4]。而課題組成員7 月份在寧波地區(qū)（中午時間段）測得波浪滑翔器在地面時，光伏板表面溫度可達78 ℃。

雖然直接研究光伏板在水下效率問題的文章較少，但研究鹵水太陽池的文章較多，鹵水太陽池就是利用太陽輻射將熱能存儲在鹵水池中。太陽光譜其實包含了一系列連續(xù)光譜（低頻段甚至到無線電波，高頻段甚至到X 射線），但是到達地面的太陽光能量主要集中在紅外線、可見光以及紫外線。葛少成在研究鹵水太陽池時提到純凈水體對短波段吸收較少而對長波段吸收較多[5]。表2 為太陽光透過不同深度的純凈水體后各波長段的透射比例[5]，從表中可以看出，水體對不同波長的光線吸收程度不同。波長>1.2 μm 的光經(jīng)過1 cm 的水層后能量減少90%以上，而波長在0.6 μm～0.9 μm 的光經(jīng)過1 cm 的水層后能量衰減不到2%。幸運的是光伏板發(fā)電所需要的太陽光譜主要集中在1.2 μm 以下。硅光電池能有效吸收波長在 0.40 μm～1.15 μm的光子，并進行光電轉(zhuǎn)換，且只在峰值大約為0.8 μm 時，其光電轉(zhuǎn)換率最大[6]。一方面由于光伏板發(fā)電所需要的頻段基本可以無障礙穿過水層（幾毫米到幾厘米）；另一方面處于水下的光伏板的溫度基本和水體保持一致，不會有很大的溫升，效率可能比空氣中更高，因此表1 的試驗結(jié)果在理論上是可以解釋的。

表2 不同波段的輻射能通過一定水深后的能量百分比

3 長時間海水浸泡對光伏板的影響

由于地面光伏電站要占用巨大的土地面積，而將光伏電站建在水塘、水庫或者湖泊等淡水水面能有效緩解土地資源日益緊張的問題，在采煤沉陷區(qū)以及廢棄的湖泊等處將會有較大的應(yīng)用前景[7]。因此在淡水水域應(yīng)用光伏發(fā)電的研究較多，且起步較早。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展和人們對環(huán)境保護的重視，太陽能等綠色清潔能源的使用在海上也將越來越廣泛，但正如于全虎提到的海洋環(huán)境中存在大量高含氯化物等腐蝕性物質(zhì)的水汽和海風，極度潮濕的海洋環(huán)境易于滋生各種霉菌等微生物，會污染、著色、遮蔽和腐蝕太陽能電池板。此外，海水上浪產(chǎn)生的浸沒鹽蝕、船舶振動等也會對太陽能電池板造成開裂等物理損傷，降低太陽能電池實際的轉(zhuǎn)換效率和可靠性[8]。

因此水面環(huán)境尤其是海面雖然比普通陸地環(huán)境更為嚴苛，但是光伏板在水面上工作，與長時間浸泡在水中，特別是浸泡在海水中的情況仍然有所不同。由于波浪滑翔器長時間在海上航行有可能被其他船只發(fā)現(xiàn)并破壞或因遭遇惡劣海況而損壞丟失，因此分析真實海洋環(huán)境對光伏板長時間的影響較為困難，該文從實際海試和實驗室模擬2 個方面入手進行研究。

3.1 實際使用情況

2020 年，課題組使用市面上普通光伏板裝配波浪滑翔器，在長達70 d 的海試過程中（期間經(jīng)歷鸚鵡號臺風影響）未發(fā)現(xiàn)光伏板發(fā)電能力有明顯下降的現(xiàn)象，光伏板的玻璃層、PET 背板層未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

3.2 實驗室試驗情況

為了觀察更長時間的海水浸泡對普通光伏板的影響，課題組使用調(diào)制的海水（自來水加3%的海水鹽）對圖5 中的光伏板進行長時間的浸泡，浸泡深度約為10 cm，浸泡時間為1 a。浸泡完成后未發(fā)現(xiàn)光伏板的玻璃層、PET 背板層有腐蝕現(xiàn)象。從表3 中可以看出，經(jīng)過1 a 的浸泡，光伏板發(fā)電效率的變化不大（浸泡前發(fā)電功率為標稱的33%，浸泡后發(fā)電功率為標稱的27.6%）。差異可能是光照強度不同而引起的（由于是露天測試，且測試的時間相隔1 a，雖然2 次測試天氣均為晴朗無云，但光照強度仍然可能存在差異），也有可能是光伏板老化或海水浸泡導致效率下降，但是可以認為1 a 左右時間的海水浸泡不會對光伏板造成致命損傷。

表3 海水浸泡1 年對光伏板的影響

由于波浪滑翔器一般的設(shè)計使用壽命大約為1 a，因此該文只粗略考察了1 a 海水浸泡對普通光伏板的影響，在要求更高的場合可能需要對光伏板進行特殊處理。王方毓提出，由于潮濕，水面環(huán)境光伏組件容易產(chǎn)生PID 效應(yīng)、絕緣性能下降等電氣方面的問題，且在風浪作用下的晃動會引起電池片碎裂等機械方面的問題；因此他也提出了相應(yīng)的解決辦法，例如選擇雙玻組件提高抗PID 效應(yīng)性能、選用更嚴密的封裝材料和雙85 測試提高防潮性能以及選用機械強度更高的單晶硅片等措施[8]。張?zhí)斓热藢㈥懙丨h(huán)境中具有較好防腐蝕、疏水性及自潔能力的納米TiO2涂層應(yīng)用于船用太陽能電池蓋片上，研究結(jié)果表明其對太陽能電池蓋片的光學性能的影響很小[9]。

4 結(jié)論

該文對普通太陽能光伏板在波浪滑翔器真實使用環(huán)境和實驗室模擬環(huán)境下的一些數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果表明太陽能光伏板在表面附有透明水層（水層厚度≤2 cm，水層清澈不渾濁）時發(fā)電效率不會出現(xiàn)明顯下降，由于水層的降溫作用，效率有可能比空氣中的效率更高。普通太陽能板在經(jīng)過長時間（≥1 a）的海水浸泡后外觀沒有出現(xiàn)腐蝕情況，發(fā)電效率沒有明顯下降。因此普通光伏板可以直接在波浪滑翔器及其他經(jīng)常會浸沒在淺層海水中的設(shè)備上使用，但是更長時間和要求更高的應(yīng)用場合可能需要對光伏板進行特殊處理。