張 彥,馬梓焱,袁成清,李秉坤

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063； 2. 武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430063； 3. 武漢理工大學(xué) 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

由于化石燃料的大量消耗、全球氣候變暖，“改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)地球”成為了全球的呼聲，獲得了各國政府的廣泛關(guān)注。因具有清潔無污染、可再生、轉(zhuǎn)換效率相對較高等特點(diǎn)，太陽能光伏發(fā)電作為最主要的清潔能源利用形式之一，在工程上得到一定應(yīng)用[1]。

光伏組件是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其可靠性直接影響系統(tǒng)整體的發(fā)電效率和使用壽命。光伏組件直接與環(huán)境接觸，苛刻的環(huán)境條件會對其產(chǎn)生不同程度的損傷[2-3]，因此采取合理的防護(hù)措施十分必要。目前，針對光伏組件損傷的研究主要集中于單一因素的機(jī)理分析，且以灰塵為主，研究成果內(nèi)容繁雜，缺少給予相關(guān)研究人員參考的綜述類文章。而針對光伏組件防護(hù)的研究主要偏重于自清潔涂層的開發(fā)，且已有部分綜述類論文，但這些論文主要集中于涂層制備的論述，對于光伏組件損傷的防護(hù)效果涉及較少。

本工作根據(jù)光伏組件具體應(yīng)用區(qū)域的不同，對環(huán)境影響因素進(jìn)行了劃分，分類闡述了各環(huán)境因素對光伏組件的損傷機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)有光伏組件防護(hù)手段的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對未來發(fā)展做出展望，以期為光伏組件的高效使用提供借鑒。

1 光伏組件的結(jié)構(gòu)

太陽能電池通常指利用太陽輻照直接產(chǎn)生電能的器件，半導(dǎo)體P-N結(jié)的光伏效應(yīng)是太陽能電池的工作核心。一個(gè)P-N結(jié)構(gòu)成一個(gè)單體太陽能電池，將若干個(gè)單體太陽能電池根據(jù)需要串、并聯(lián)組成最小的供電單元并進(jìn)行封裝后成為光伏組件。

當(dāng)下最主要的光伏組件仍是硅基剛性光伏組件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，其結(jié)構(gòu)由上至下包括：玻璃蓋板(主要選用低鐵鋼化壓花玻璃)、上層乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，EVA)材料、電池基體、下層EVA材料和背膜(常用聚氟乙烯復(fù)合膜)[4]。玻璃蓋板位于光伏組件正面的最外層，直接與環(huán)境接觸，受到各環(huán)境因素的影響。EVA是一種熱熔黏接膠膜，常溫下無黏性甚至具有抗黏連性，但經(jīng)熱壓會發(fā)生熔融黏接與交聯(lián)固化，將電池“上蓋下墊”包封。背膜通常具有很低的熱阻、良好的阻水性、可靠的絕緣性和耐老化性，從而對光伏組件底部起到保護(hù)和支撐作用。從光伏組件的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素對光伏組件損傷的最主要部位是玻璃表面，它會影響發(fā)電效率與使用壽命[5]。

圖1 光伏組件結(jié)構(gòu)

2 環(huán)境因素對光伏組件表面的損傷機(jī)理

在研究外部環(huán)境因素對光伏組件表面損傷機(jī)理方面，國內(nèi)外學(xué)者通常根據(jù)光伏組件應(yīng)用區(qū)域的不同進(jìn)行因素劃分，主要分為陸地環(huán)境因素、空間環(huán)境因素和海洋環(huán)境因素。

2.1 陸地環(huán)境因素

在陸地環(huán)境中，灰塵是被研究的主要環(huán)境因素[6-7]。目前，對于灰塵影響光伏組件可靠性的研究十分全面，涉及灰塵物理性質(zhì)、影響方式以及形成規(guī)律等多方面。SKOPLAKI等[8-9]認(rèn)為灰塵的物理性質(zhì)有很多，與光伏工程緊密聯(lián)系的有灰塵粒徑、導(dǎo)熱系數(shù)、化學(xué)性質(zhì)與附著狀態(tài)?；诨覊m的物理性質(zhì)對其進(jìn)行分類認(rèn)知，是探求其影響光伏組件可靠性的重要前提。按粒徑大小，灰塵可以分為粗灰塵和細(xì)灰塵；按導(dǎo)熱系數(shù)，灰塵可以分為強(qiáng)導(dǎo)熱灰塵和弱導(dǎo)熱灰塵；灰塵中的飄塵顆粒多，粒徑小，表面積非常大，因此吸附能力強(qiáng)，可以將空氣中的有害物質(zhì)吸附在它們表面，而呈酸性或堿性，因此按化學(xué)性質(zhì)，可以將灰塵分為酸性灰塵、中性灰塵和堿性灰塵；灰塵在光伏組件表面的附著狀態(tài)對灰塵吹除的難易程度與對光線的遮擋程度都有影響，因此從灰塵附著形態(tài)，灰塵可以分為干松灰塵和黏結(jié)灰塵[10]?，F(xiàn)有研究重點(diǎn)圍繞灰塵單一物理性質(zhì)對光伏組件的特性影響開展分析，而在實(shí)際工作中，光伏組件受到的影響是灰塵幾種物理性質(zhì)的疊加效應(yīng)。

灰塵對光伏組件的影響可以概括為產(chǎn)生陰影、提高溫度以及腐蝕玻璃蓋板等。ADINOYI等[11-12]認(rèn)為灰塵附著于光伏組件玻璃表面導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)生陰影是灰塵對光伏組件最主要的影響方式，產(chǎn)生的陰影會顯著降低光伏組件表面玻璃的透光率，從而降低光伏組件的總體輸出量。HEGAZY等[13]研究了灰塵沉積與透光率降低的關(guān)系。JIANG等[14]在室內(nèi)模擬自然灰塵，研究了灰塵沉積對不同封裝材料光伏組件性能的影響，得出能量輸出減少率與積灰含量成線性關(guān)系的結(jié)論。而在實(shí)際工作中，由于灰塵覆蓋形式多樣，多數(shù)情況下產(chǎn)生的陰影是不規(guī)則的，這使得光伏組件的實(shí)際輸出情況變得異常多樣與復(fù)雜[15-16]。灰塵降落到光伏組件表面后，不僅會產(chǎn)生遮擋，還會導(dǎo)致光伏組件的傳熱形式發(fā)生變化。居發(fā)禮[17]研究了受灰塵影響的光伏組件溫度與光伏發(fā)電效率及發(fā)電量的內(nèi)在關(guān)系，提出了灰塵作用下的光伏組件運(yùn)行溫度的方程式。在實(shí)際工作中，當(dāng)光伏組件表面有灰塵時(shí)，光伏組件部分區(qū)域受到遮擋無法工作，在陽光的持續(xù)照射下，這部分區(qū)域的升溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未被遮蓋區(qū)域的，最終由于溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑，也可能導(dǎo)致整個(gè)光伏組件損壞，造成損失。降落到光伏組件表面的灰塵，吸附了空氣中的污染物，與雨水混合后形成酸堿性物質(zhì)，會對玻璃表面產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，但是目前對于腐蝕程度隨時(shí)間變化關(guān)系還不能用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)?；覊m對光伏組件同時(shí)存在多種形式的影響，結(jié)合相關(guān)研究可以對其影響程度進(jìn)行合理判定。MEKHILEF等[18-19]認(rèn)為灰塵形成受到空氣清潔度、時(shí)間等的影響，與濕度、風(fēng)速等因素對光伏組件性能的影響具有耦合性。劉莉敏等[20]研究了光伏組件安裝方位角與灰塵累積程度和累計(jì)發(fā)電量之間的關(guān)系。

通過灰塵形成規(guī)律及其影響程度的數(shù)值擬合公式，可以開展合理的光伏組件壽命預(yù)估，對于大型光伏電站的建立具有重大工程價(jià)值。

2.2 海洋環(huán)境因素

在海洋環(huán)境中，光伏組件主要應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶、航行器或者各種海洋工程裝備。海洋環(huán)境中含有大量的鹽、水氣及海風(fēng)中夾雜的酸堿性物質(zhì)，這些物質(zhì)會直接作用于光伏組件的表面[21-24]。雖然大多數(shù)光伏組件玻璃蓋板使用的低鐵鋼化壓花玻璃具有較好的耐蝕性，但長期處于鹽含量高、溫差大、濕度高的環(huán)境中也容易受到污染，發(fā)生磨損、著色和腐蝕，使得光伏組件對太陽輻照的利用率下降，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率下降[25]。

海洋環(huán)境復(fù)雜、苛刻，海水腐蝕對光伏組件表面造成的損傷是光伏組件在海洋環(huán)境中的研究重點(diǎn)。YUAN等[26-28]提出：在干濕交替作用下，光伏組件表面易形成鹽斑，使玻璃蓋板的透射率降低，造成局部陰影；同時(shí)，在海水腐蝕下，光伏組件的玻璃表面易形成黑色腐蝕斑點(diǎn)，進(jìn)一步降低透射率，甚至造成不可挽回的物理損傷。AGEEV等[29]的研究表明，海洋污染對光伏組件的發(fā)電能力影響較大，會形成不易清除的覆蓋層，但可以通過在鋼化玻璃表面涂覆防污涂料來處理。

由于光伏組件在海洋環(huán)境中的應(yīng)用不如在陸地環(huán)境中那樣普遍，因此相關(guān)研究仍停留在損傷機(jī)理的定性描述，需進(jìn)一步深入，重點(diǎn)在于得出有實(shí)際價(jià)值的通用性擬合公式，從而有利于開展合理的可靠性評估。

2.3 空間環(huán)境因素

光伏組件是衛(wèi)星等航天器的主要供電源。在空間環(huán)境中，國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)圍繞空間高能粒子輻射(質(zhì)子和電子等帶電粒子)對光伏組件表面的影響開展研究。

ZHANG等[30]和KLAUMüNZER[31]研究發(fā)現(xiàn)不同能級的質(zhì)子輻照對光伏組件玻璃表面會產(chǎn)生不同的影響。對于低能質(zhì)子(30～170 keV)輻照，在輻照能量相同時(shí)，輻照注量的增加會引起光伏組件玻璃蓋板光學(xué)性能的降低；在輻照注量相同時(shí)，輻照能量的增加會加快玻璃蓋板光學(xué)性能的退化；由高能質(zhì)子輻照引起的光伏組件玻璃蓋板光學(xué)性能下降比由低能質(zhì)子輻照引起的弱。JENSEN等[32]研究認(rèn)為不同能級的電子輻照也會引起光伏組件玻璃蓋板光學(xué)性能的不同變化：對于低能電子輻照，輻照注量增加導(dǎo)致玻璃蓋板光學(xué)性能透過率下降的現(xiàn)象只發(fā)生在光學(xué)帶隙附近；對于高能電子輻照，其吸收光譜有別于低能電子，會出現(xiàn)窄的、基本對稱的吸收峰，并且吸收峰的峰值也明顯小于低能電子輻照的；同時(shí)，質(zhì)子和電子的綜合輻照對于吸收光譜吸收率的影響并不等同于單獨(dú)輻照時(shí)吸收光譜的簡單相加，而是會出現(xiàn)明顯的協(xié)同效應(yīng)。

在空間環(huán)境中,光伏組件損傷機(jī)理的相關(guān)規(guī)律對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評估十分重要，關(guān)系著航天器的使用壽命。

2.4 光伏組件的損傷機(jī)理

光伏組件應(yīng)用區(qū)域不同會導(dǎo)致具體環(huán)境因素有所區(qū)別，但是環(huán)境因素對于光伏組件的損傷主要體現(xiàn)在對表面玻璃蓋板的損傷。而環(huán)境因素對于光伏組件玻璃表面的損傷形式主要包括兩個(gè)方面[33]：一方面，外界污染物例如灰塵、鹽?；蛘邉游锏募S便、樹葉等，在玻璃表面隨著時(shí)間積聚形成非透明覆蓋層，這不僅減少光伏組件實(shí)際被照射面積，而且降低了透射進(jìn)入的太陽輻照強(qiáng)度，另外由于散熱性的改變，覆蓋部位會逐漸形成熱斑，嚴(yán)重時(shí)會造成整個(gè)光伏組件的破壞；另一方面，氣體污染物、鹽粒等與水混合后形成的酸性或堿性物質(zhì)，空間高能粒子輻射等，在光伏組件表面積聚、消散，長期作用下會對玻璃表面不斷侵蝕，引起光伏組件玻璃蓋板光學(xué)性能的降低。

3 光伏組件的防護(hù)技術(shù)

根據(jù)環(huán)境因素對光伏組件的損傷機(jī)理，光伏組件的防護(hù)就是阻隔環(huán)境因素(主要指污染物)與玻璃表面的長時(shí)間接觸。目前，光伏組件的防護(hù)技術(shù)主要有兩種：自防護(hù)技術(shù)和后防護(hù)技術(shù)。

3.1 自防護(hù)技術(shù)

自防護(hù)技術(shù)指的是在光伏組件玻璃表面覆蓋一層涂料，阻隔污染物，避免其直接接觸；同時(shí)，所覆蓋的涂料具有自清潔能力，隨著降雨會自行將污染物除去。自防護(hù)技術(shù)具有操作便捷、適用范圍廣、全方位防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。涂料的自清潔原理通常包括親水性和疏水性。親水性涂料主要依靠材料表面對水的親和性，使水滴在材料表面的接觸角趨于零，當(dāng)水滴接觸材料時(shí)，迅速在其表面鋪展形成均勻的水膜[34]，水膜通過重力作用下落去除污漬，從而達(dá)到自清潔效果。疏水性涂料的自清潔是基于“荷葉效應(yīng)”[35-36]，其表面具有由空氣層、乳頭狀突起和蠟質(zhì)層共同組成的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這種粗糙的細(xì)微結(jié)構(gòu)可以提高水滴在材料表面的接觸角，使水滴極容易滾落，水滴在材料表面滾動時(shí)會帶走灰塵和污染物，從而達(dá)到自清潔的效果。在光伏組件表面使用涂料，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，有針對性地選用親水性或疏水性涂料，達(dá)到防污清潔的目的。例如，海洋環(huán)境中應(yīng)避免使用親水性的自清潔涂料，因?yàn)橛H水性涂料在玻璃表面形成均勻水膜，會提高海水腐蝕的可能。

自清潔涂料的常用材料包括二氧化鈦(TiO2)與二氧化硅(SiO2)。TiO2[34,37]因具有光致催化性、光致超親水性、成本低廉等特點(diǎn)而被廣泛用作自清潔材料，特別是納米級粉末和薄膜的發(fā)展，使TiO2的應(yīng)用得到了進(jìn)一步推廣。SiO2具有低折射率、低價(jià)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸堿腐蝕性等優(yōu)良性能，因此得到了較多關(guān)注[38]?；谶@兩種材料，眾多科研工作者圍繞自清潔涂料制備與性能測試開展了大量研究，并取得了一定的成果。

MU等[39]采用水熱法在玻璃表面制備了TiO2納米棒結(jié)構(gòu)薄膜，該薄膜具有很好的減反性和親水性。KEMMITT等[40]采用溶膠-凝膠法制備得到多孔的透明TiO2薄膜。MIN等[41]采用旋涂法和刻蝕技術(shù)制備出了有序微凸六角柱顆粒陣列結(jié)構(gòu)的SiO2薄膜，通過刻蝕時(shí)間控制其接觸角，使其具備疏水性。YAMASHITA等[42-44]采用溶膠-凝膠法在石英板表面制備了透明的SiO2薄膜，該薄膜在無紫外線照射下表現(xiàn)出很強(qiáng)的親水性，經(jīng)紫外線照射后，接觸角更小，表現(xiàn)出超親水性。相關(guān)研究成果為TiO2和SiO2自清潔涂料的工業(yè)化制備與應(yīng)用提供了可能。

除TiO2與SiO2以外，袁成清等[45-46]嘗試?yán)梅紭渲?，GEREIGE等[47-48]嘗試?yán)肸nO，開發(fā)可應(yīng)用于光伏組件表面的疏水性防污涂料，增加了自清潔涂料的選材種類。

雖然目前已經(jīng)存在多種制備親水性或疏水性自清潔涂料的方法，但相關(guān)成果大多局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段[49]，離大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)仍有一定距離，且這些親水性或疏水性的自清潔涂料普遍存在機(jī)械性差、成本高、規(guī)模小等問題，無法在光伏領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。

3.2 后防護(hù)技術(shù)

后防護(hù)技術(shù)指的是采用清潔裝置定期清潔光伏組件玻璃表面，去除附著的污染物，避免其長時(shí)間接觸。后防護(hù)技術(shù)具有污染物去除徹底、防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的后防護(hù)技術(shù)是人工清洗，主要通過高壓水槍沖洗、噴灑清洗等方式進(jìn)行，通常效率低下，耗費(fèi)大量人力、物力，且粗暴的作業(yè)模式會對光伏組件造成不可逆的損傷。

近年來隨著機(jī)械化清理的逐漸發(fā)展，眾多國內(nèi)外高校和企業(yè)加快了對光伏組件清潔裝置的研究進(jìn)程[50-51]。日本的未來機(jī)械公司和香川大學(xué)研究合作研制出全球首個(gè)光伏組件免水清掃機(jī)器人，如圖2(a)所示。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)近似長方體，依靠蓄電池供電，最長可連續(xù)工作2 h，期間可對約380 m2的光伏組件進(jìn)行清潔，由于該機(jī)器人的清掃過程不需要水，十分適用于中東等干旱缺水地區(qū)。日本Sinfonia Technology公司開發(fā)出一款自動行走式光伏組件清掃機(jī)器人，如圖2(b)所示。該清掃機(jī)器人由蓄電池供電，清掃能力為100 m2/h，其在移動的同時(shí)向外噴灑清洗液，隨之使用旋轉(zhuǎn)刷和刮板對目標(biāo)板塊進(jìn)行清掃，還配備了多種傳感器，無需鋪設(shè)軌道，可在光伏組件上自由移動。國內(nèi)的思拓光伏科技公司研發(fā)出配置移動框架的光伏組件清掃機(jī)器人，如圖2(c)所示。該機(jī)器人在框架上完成清掃作業(yè)，在清掃過程中，電機(jī)和傳動部分向清掃單元和行走單元提供動力，導(dǎo)向單元用于限制行走單元的行走軌跡，智能控制系統(tǒng)控制電機(jī)的啟停，供電單元與電機(jī)和智能控制系統(tǒng)相連接，且自帶離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)用來對整個(gè)清掃裝置供電。蘇州科沃斯公司自主研發(fā)了自動升縮式無水清潔機(jī)器人RAYBOT，如圖2(d)所示。該機(jī)器人在作業(yè)期間能夠按照規(guī)劃的路線自主行走、自主清潔，行走時(shí)可以跨越最大30 mm的間隙，底部吸盤設(shè)計(jì)能使機(jī)器人安全地附著在最大安裝角度70°的光伏組件上，該機(jī)器人還配有吸塵裝置，可即時(shí)回收從光伏組件上脫落的浮塵，從而避免二次積灰。青島昱臣智能機(jī)器人企業(yè)研發(fā)的機(jī)械臂式無水光伏組件清污機(jī)器人，如圖2(e)所示。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能控制與手動操控切換，清潔能力為8 000 m2/h。各光伏組件清潔裝置在外形結(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制、清掃方式等方面各有特點(diǎn)，可以根據(jù)光伏組件的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境選取適宜的裝置。雖然隨著光伏組件清潔裝置逐步智能化，其清潔效率顯著提高，但是在防護(hù)方面相比自清潔涂料還是存在運(yùn)維成本高、可靠性低、制約因素多等缺點(diǎn)。

(a) 免水清掃機(jī)器人 (b) 自動行走式清掃機(jī)器人

(c) 移動框架清掃機(jī)器人 (d) 自動升縮式無水清掃機(jī)器人 (e) 機(jī)械臂式無水清掃機(jī)器人

4 結(jié)束語

光伏組件表面的玻璃蓋板直接與環(huán)境接觸，苛刻的環(huán)境因素會對其產(chǎn)生不同程度的損傷，從而影響整個(gè)光伏組件的可靠性。環(huán)境區(qū)域不同，其主要影響因素也有所不同，但損傷形式均集中于形成覆蓋層與侵蝕損傷，由此形成了自防護(hù)技術(shù)與后防護(hù)技術(shù)兩種防護(hù)途徑。根據(jù)光伏組件具體應(yīng)用區(qū)域?qū)Νh(huán)境影響因素進(jìn)行了劃分，從而針對性論述了環(huán)境因素的損傷機(jī)理，并有效論述了防護(hù)手段的優(yōu)劣性和防護(hù)效果，從而能夠?yàn)楣夥M件實(shí)地應(yīng)用的可靠性評估與壽命預(yù)測提供支撐，并為防護(hù)手段的選擇提供參考。

探索環(huán)境因素對光伏組件損傷機(jī)理，可以為防護(hù)措施的發(fā)展提供支持，在后期的發(fā)展中，應(yīng)結(jié)合具體環(huán)境影響因素的自身特點(diǎn)，選用一種或組合兩種防護(hù)措施，來提高光伏組件的可靠性。

開展光伏組件損傷防護(hù)對于整個(gè)太陽能光伏系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義，無論是自防護(hù)技術(shù)還是后防護(hù)技術(shù)，都被逐漸應(yīng)用于各光伏領(lǐng)域，但是相關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn)又制約著光伏技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用與推廣。對于自防護(hù)技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)圍繞新材料的開發(fā)與涂料制備等新技術(shù)的研發(fā)，利用現(xiàn)在先進(jìn)的分析手段、工具和理論計(jì)算水平，更多地探索揭示涂料組分、結(jié)構(gòu)與表面特性間的關(guān)系，以及成膜機(jī)制的構(gòu)建，使涂料具有高強(qiáng)度和耐用性；通過設(shè)備、工藝等技術(shù)升級，縮短涂料制備周期，提高產(chǎn)量，降低成本，從而形成規(guī)模化生產(chǎn)。對于后防護(hù)技術(shù)，應(yīng)基于人工智能技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)清潔設(shè)備的自檢測、自修復(fù)，提高可靠性與智能化，使得清潔設(shè)備能夠自主適應(yīng)各種環(huán)境，發(fā)展新材料在清潔裝置上的應(yīng)用，提高機(jī)動性，降低故障率。