納米鍍膜技術(shù)在光伏組件自清潔中的應(yīng)用

楊子建，王越超，陳思遠，陳 濤

（1.北京京能高安屯燃氣熱電有限責(zé)任公司，北京 100024；2.北京源深能源科技有限責(zé)任公司，北京 100036）

1 引言

隨著環(huán)保理念普及和可再生能源廣泛應(yīng)用，光伏發(fā)電作為清潔能源受到關(guān)注。但光伏組件表面污染制約其效率和壽命。納米鍍膜技術(shù)可形成均勻致密的納米膜，保護和清潔光伏組件，提高發(fā)電效率和穩(wěn)定性。在光伏組件自清潔中應(yīng)用具重要意義。

2 納米鍍膜技術(shù)概述

2.1 定義及特點

納米鍍膜技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用的表面涂層技術(shù)，利用納米材料的特性形成高純度的納米玻璃覆蓋膜，有效防止物體表面的污染和積灰。納米材料具有較大的比表面積和特殊的表面活性，在光伏組件自清潔方面具有廣泛的應(yīng)用，且對光電轉(zhuǎn)換效率影響較小。

2.2 基本原理

納米鍍膜技術(shù)的原理是利用電氣化學(xué)反應(yīng)，在物體表面形成納米級的玻璃覆蓋膜。通過噴涂特殊的納米材料電鍍液，可以使物體表面形成厚度20～60 nm的納米玻璃覆蓋膜。這種覆蓋膜具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，可以有效地防止組件表面的污染和積灰。相比于傳統(tǒng)的有機材料，納米鍍膜技術(shù)具有更高的穩(wěn)定性和較低的光損失率，具有更長的使用壽命和更好的效果。

2.3 優(yōu)勢

在光伏組件自清潔方面，納米鍍膜技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢。首先，納米鍍膜技術(shù)的應(yīng)用可以在很大程度上提高光伏組件的自清潔效果。傳統(tǒng)的有機材料會在長時間的使用中發(fā)生劣化和老化，會引起聚水性、透光率等問題，而納米鍍膜技術(shù)可以有效地避免這些問題的出現(xiàn)。納米鍍膜覆蓋膜具有優(yōu)異的抗污染和防塵性能，可以減少組件表面的粉塵和污染物的沉積，從而提高組件的光電轉(zhuǎn)換效率；其次，納米鍍膜技術(shù)采用無機材料制成的覆蓋膜，具有優(yōu)異的耐候性和耐腐蝕性。無機材料不會發(fā)生劣化和老化，因此可以保證覆蓋膜在長期使用中的性能穩(wěn)定。這種耐久性和穩(wěn)定性可以保證組件長期有效地抵御風(fēng)雨和污染物侵蝕，從而延長組件的使用壽命和維護周期；最后，納米鍍膜技術(shù)的施工工藝相對簡單，成本較低。由于這種技術(shù)是通過電氣化學(xué)反應(yīng)生成納米粒子電鍍液噴灑在組件表面形成覆蓋膜，因此施工過程簡單快捷。與傳統(tǒng)的有機材料相比，納米鍍膜技術(shù)的成本更低，適用于大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

3 材料與方法

3.1 納米鍍膜材料選擇

硅酸鈦是一種無機材料，具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的光學(xué)性能。在納米鍍膜技術(shù)中，硅酸鈦可以作為主要材料用于制備納米玻璃覆蓋膜。其優(yōu)點在于，硅酸鈦具有較高的透光率，可以有效減少光伏組件的光損失率，提高發(fā)電效率。此外，硅酸鈦具有較高的穩(wěn)定性和親水性，能夠有效防止污染物在光伏組件表面的附著，從而保持組件表面的清潔度，提高組件的長期穩(wěn)定性和使用壽命。同時，硅酸鈦還具有良好的耐腐蝕性和耐候性，能夠在各種復(fù)雜的氣候條件下保持其優(yōu)異的性能。因此，在納米鍍膜技術(shù)中，選擇硅酸鈦作為主要材料具有重要的意義和應(yīng)用價值。

3.2 納米鍍膜制備方法

文章采用的納米鍍膜制備方法主要包括材料準(zhǔn)備、分散處理、添加附著劑和噴涂制備四個步驟。首先將硅酸鈦粉末與去離子水混合形成10 wt%的漿料，乙醇和丙烯酸酯的添加提高涂層的附著力。然后通過超聲分散確保納米顆粒均勻分散在溶液中，提高涂層的均勻性和質(zhì)量。最后采用噴涂法在光伏組件表面涂覆納米鍍膜，通過調(diào)整噴涂參數(shù)使涂層均勻覆蓋在組件表面，形成厚度約為40 nm 的納米鍍膜層。

3.3 光伏組件的納米鍍膜處理

在該研究中，對20 片光伏組件進行納米鍍膜處理。在處理前，首先需要對組件表面進行清潔處理，以確保表面無污染物影響后續(xù)的處理效果。通常選擇晴朗無風(fēng)的天氣，可以使用清洗劑或去離子水進行清洗。清洗后，在無風(fēng)無塵環(huán)境中使組件表面干燥，以加速涂層干燥和附著。接下來，將納米鍍膜液通過噴涂法或滾涂法均勻地噴灑在組件表面，確保涂層厚度均勻且覆蓋全面。噴涂完成后，將組件放置在干燥24 h，使涂層完全固化和附著。通過這樣的處理方式，可以使光伏組件表面形成一層厚度約為40 nm 的納米玻璃覆蓋層，有效防止污染物在表面附著，提高組件的自清潔性能。

3.4 自清潔性能測試與評價方法

在本研究中，為了評估納米鍍膜對光伏組件自清潔性能的影響，采用了對比試驗的方法。具體步驟如下：

（1）選擇相同類型和規(guī)格的光伏組件，分為兩組，其中一組作為實驗組，另一組作為對照組。

（2）對實驗組的光伏組件進行納米鍍膜處理，采用噴涂法在組件表面涂覆約40 nm 厚的硅酸鈦（TiSiO3）納米鍍膜。對照組的光伏組件不進行任何處理。

（3）將兩組光伏組件暴露于自然環(huán)境中，每隔15 d 記錄組件表面的污染程度，包括污垢、灰塵、霧霾等。使用顯微鏡等設(shè)備對污染程度進行定量評估。

（4）測量兩組光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率和透光率，以評估納米鍍膜對組件性能的影響。這里的光電轉(zhuǎn)換效率是指光伏組件從光能到電能的轉(zhuǎn)換效率，也是評估組件性能的重要指標(biāo)之一。透光率是指組件表面的透光性能，也是光伏組件的一個重要性能指標(biāo)。

（5）對比兩組組件在不同污染程度下的光電性能，評估納米鍍膜在提高光伏組件自清潔性能方面的作用。可以通過統(tǒng)計學(xué)方法對數(shù)據(jù)進行分析，以得出結(jié)論。

4 納米鍍膜對光伏組件自清潔性能的影響

4.1 納米鍍膜對光伏組件表面污染的抑制作用

為了進一步研究納米鍍膜對光伏組件自清潔性能的影響，對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進行了收集。兩組光伏組件在運行期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1 和表2 所示，包括污染指數(shù)、光電轉(zhuǎn)換效率和透光率。

表1 污染程度對比表

表2 污染程度對比表

從表1 中可以看出，納米鍍膜組件在實驗期間的污染指數(shù)均略低于未處理組件。在實驗的第60 天，未處理組件污染指數(shù)達到56，而納米鍍膜組件污染指數(shù)為50。這說明納米鍍膜能夠抑制光伏組件表面的污染，可以維持組件的清潔度和光學(xué)性能。

4.2 納米鍍膜對光伏組件性能的影響

為了評估納米鍍膜對光伏組件性能的影響，同時對未處理組件和納米鍍膜組件的光電轉(zhuǎn)換效率和透光率進行了測量。表2 是兩組光伏組件在光電轉(zhuǎn)換效率和透光率方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

從表2 中可以看出，納米鍍膜組件在整個實驗期間的光電轉(zhuǎn)換效率和透光率均高于未處理組件。在實驗的第60 天，未處理組件光電轉(zhuǎn)換效率為13.5%，而納米鍍膜組件光電轉(zhuǎn)換效率為14.0%。同時，未處理組件透光率為85%，而納米鍍膜組件透光率為91%。這說明納米鍍膜能夠提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率和透光率，進而提高光伏組件的發(fā)電性能和整體效益。

通過此次試驗表明納米鍍膜可以降低光伏組件表面污染指數(shù)，提高組件的光電轉(zhuǎn)換效率和透光率，從而提高組件的發(fā)電性能和整體效益。

4.3 納米鍍膜對光伏組件壽命的影響

根據(jù)上述現(xiàn)場數(shù)據(jù)，納米鍍膜可以顯著降低光伏組件表面污染程度，提高光電轉(zhuǎn)換效率和透光率，從而間接延長組件的使用壽命。具體而言，納米鍍膜對光伏組件的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下方面：

（1）降低表面污染：納米鍍膜組件的表面污染指數(shù)較低，這有助于減少因表面污染而引起的性能下降，進而延長組件壽命。

（2）提高光電轉(zhuǎn)換效率：納米鍍膜組件的光電轉(zhuǎn)換效率高于未處理組件，這有利于提高組件的整體性能，進而延長組件使用壽命。

（3）提高透光率：納米鍍膜組件的透光率較高，這有助于光線更有效地穿透玻璃表面，提高光電轉(zhuǎn)換效率，從而延長組件使用壽命。雖然以上數(shù)據(jù)顯示納米鍍膜技術(shù)對光伏組件性能和壽命具有積極影響，但本研究時間有限，未能觀察到納米鍍膜對光伏組件長期使用壽命的影響。因此，為了更深入地了解納米鍍膜對光伏組件壽命的影響，建議進行長期現(xiàn)場運行監(jiān)測分析，系統(tǒng)分析納米鍍膜在光伏組件壽命方面的優(yōu)勢和潛在問題，為光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更有力的支持。

5 納米鍍膜技術(shù)在光伏組件自清潔中的應(yīng)用優(yōu)化

5.1 優(yōu)化納米鍍膜材料選擇

在光伏組件自清潔方面，納米鍍膜材料的選擇是至關(guān)重要的。目前常用的納米材料包括有機物、金屬氧化物、石墨烯等。在選擇材料時需要考慮以下因素：

（1）穩(wěn)定性：材料的穩(wěn)定性是選擇的關(guān)鍵因素之一。鍍膜材料需要能夠在長時間的使用中保持穩(wěn)定性，不易受到外界環(huán)境因素的影響，例如氧化、腐蝕等。因此，選擇具有較高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的材料是十分必要的。

（2）成本：納米材料的成本也是選擇的一個重要因素。需要選擇具有較低成本、易獲取的材料，以確保應(yīng)用的經(jīng)濟效益。

（3）對光電轉(zhuǎn)換效率的影響：納米鍍膜的材料會對光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響，需要選擇對光電轉(zhuǎn)換效率影響較小的材料。例如，一些材料在鍍膜后會增加光伏組件的吸收能力，提高其光電轉(zhuǎn)換效率。

5.2 優(yōu)化納米鍍膜制備方法

不同制備方法對納米鍍膜的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都有著不同的影響。優(yōu)化制備方法可以提高納米鍍膜的性能，提高其在光伏組件自清潔中的應(yīng)用效果。物理氣相沉積是一種常用的納米鍍膜制備方法，其制備過程需要高溫、真空條件。化學(xué)氣相沉積是另一種制備方法，通過化學(xué)反應(yīng)在光伏組件表面生成納米薄膜。溶液法則是在水或其他有機溶劑中溶解納米顆粒，再將其沉積在光伏組件表面。在制備方法的選擇上，需要綜合考慮成本、效率、穩(wěn)定性等因素。

優(yōu)化納米鍍膜制備方法的具體方法包括調(diào)整制備工藝參數(shù)、改進設(shè)備設(shè)計和優(yōu)化反應(yīng)條件等。例如，在物理氣相沉積方法中，可以優(yōu)化氣氛流量、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度等參數(shù)，以控制納米顆粒的大小和分布，從而影響鍍層的性質(zhì)。在化學(xué)氣相沉積方法中，可以改變反應(yīng)氣體、反應(yīng)條件和反應(yīng)時間等因素，優(yōu)化反應(yīng)條件和反應(yīng)速率。通過優(yōu)化納米鍍膜制備方法，可以提高鍍層的致密性、均勻性和附著力，從而提高其在光伏組件自清潔中的應(yīng)用效果。

5.3 優(yōu)化納米鍍膜處理工藝

在納米鍍膜處理工藝中，表面處理是一項重要的工藝。在光伏組件的表面處理中，可以采用噴砂、刻蝕、化學(xué)處理等方式進行表面粗化處理，以提高鍍層的附著力和表面能。同時，在納米鍍膜處理中，熱處理和壓力處理也是常見的優(yōu)化工藝。熱處理可以提高鍍層的致密性和抗氧化性，而壓力處理則可以提高鍍層的硬度和耐磨性。

在優(yōu)化納米鍍膜處理工藝的過程中，需要充分考慮鍍層的性質(zhì)和應(yīng)用環(huán)境。不同的工藝處理會對鍍層的性能產(chǎn)生不同的影響，因此需要根據(jù)具體情況進行選擇和優(yōu)化。例如，在應(yīng)用于光伏組件中時，需要考慮鍍層的光電轉(zhuǎn)換效率和抗污染性等因素。因此，在選擇和優(yōu)化處理工藝時，需要綜合考慮不同因素的影響，并尋找最優(yōu)的處理方式，以提高納米鍍膜技術(shù)在光伏組件自清潔中的應(yīng)用效果。

6 結(jié)語

總體而言之，納米鍍膜技術(shù)是一種有效的光伏組件自清潔方法，具有顯著的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。優(yōu)化納米鍍膜材料選擇、制備方法和處理工藝可以進一步提高其自清潔效果和使用壽命。納米鍍膜技術(shù)在光伏組件自清潔中的應(yīng)用，為提高光伏發(fā)電效率和減少光伏組件的維護成本提供了一種新的解決方案，進而為光伏組件的高效運行創(chuàng)造有利條件。