自清洁纳米太阳电池组件提升发电量的实验与分析

随着欧美相继对国内光伏出口产品的“双反”调查和制裁，光伏产品的出口步履维艰。这也迫使光伏产业调整策略，加大对国内光伏市场的开发力度。近年来，国内百兆瓦级的大型光伏发电站不断的兴建。然而当下环境污染日趋恶化，大气中漂浮颗粒物含量不断提高，晶硅太阳电池组件的面板为钢化玻璃，长期裸露在空中，自然会有大量的有机物及灰尘堆积，导致电池组件表面落灰日益严重。表面落灰遮挡太阳光线，会降低电池组件的输出功率，直接反映在累积发电量（以下简称发电量）降低，因此增加了清洗组件的频次，直接造成大型太阳能光伏电站发电、维护成本提高。

自1997年纳米TiO2薄膜的超亲水性现象被R.Wang报道以来[2]，对纳米TiO2薄膜的研究持续升温[3][4]，而针对纳米TiO2薄膜的光催化和超亲水性的作用机理、表面改性和制作工艺等方面的研究与应用更是大量涌现[5]~[8]。利用纳米TiO2薄膜的超亲水性除去玻璃表面灰尘的自清洁玻璃也早已成为成熟的产品，有效解决了玻璃幕墙积灰和难清洗的问题。自清洁纳米太阳电池组件正是利用纳米材料的超亲水性这一特点，在传统晶硅太阳组件生产的工艺上增加了纳米TiO2薄膜后的一种新型太阳电池组件，可以有效地分解太阳电池表面的有机物，减少灰尘的堆积，增加发电量，减少维护成本。然而在太阳能光伏电站应用纳米自清洁太阳电池组件的实例尚不多见。

本实验在西北某地已运行多年的某15kWp小型并网太阳能电站中，选取了布置位置接近，受光条件相当的三组发电区域，分别采用自清洁纳米太阳电池组件和普通晶硅电池组件，对各区域的发电量情况进行了对比和分析。

1  自清洁纳米组件对发电量的影响

自清洁纳米太阳电池组件对发电量的影响主要是通过减少电池组件表面玻璃的污垢，增加太阳光照射来实现的。

与建筑幕墙自清洁玻璃相似，自清洁纳米太阳电池组件受紫外线照射一段时间后会产生超亲水性，使水珠在玻璃表面平铺，在雨水等作用下还能有效去除电池组件玻璃表面的灰尘；作为一种半导体材料，它还能降低玻璃表面的电阻率，从而降低静电对大气浮尘的吸附[9]。

自清洁纳米太阳电池组件具有非常高的比表面积，在紫外光的激活作用下，会表现出很强的氧化性，能有效分解附着在电池组件玻璃面板上难以洗去的有机物，如鸟粪、油脂等。

另外，在紫外线的长期作用下，太阳电池的晶体硅会慢慢老化，光电转换效率逐渐降低。而纳米TiO2薄膜是一种稳定的紫外线吸收剂[10]，因此对延长太阳电池的寿命也有一定的作用。

太阳能光伏电站占地面积很大，特别是百兆瓦级光伏电站更是动辄占地数千亩，这时纳米薄膜的优势就凸显出来。

2  实验部分

2.1 实验区域

选择电站中地形较好，电池组件四周遮挡较少，布置相邻的三个区域，每个区域含有16块电池组件，分别编号为2区、3区和4区，见图1。

三个区域装机容量（指标称容量）均为3kWp，电池组件类型也相同，均为单晶硅太阳电池，每个区域设置独立的计量设备，实时记录各区的发电情况。

2.2 自清洁纳米太阳电池组件

实验使用的自清洁纳米太阳电池组件是专利产品，在原晶硅组件的钢化玻璃上进行了纳米覆膜工艺处理。

2.3 覆膜工艺区域

2012年7月1日，统一对三个区的所有电池组件进行清洗。完成清洗并干燥后，选取3区为喷覆对象，人工喷覆纳米TiO2薄膜（以下简称覆膜），使原普通晶硅太阳组件变成自清洁纳米太阳电池组件，其他两个区不覆膜。


图1  实验区域

2.4 数据筛选

各区每日的发电量数据由电站的监控系统自动实时完成，利用其历史数据查询功能（见图2），即可获得自清洁纳米太阳电池组件前后各区数据。

对这些数据进行筛选（注1）、汇总、比较和分析后得出实验结论。



图2  监控系统历史报表

注1：因监控系统软件有时运行异常，会导致部分区域、部分时间段内的数据缺失，无法得到完整数据，因此剔除异常的数据。

3  结果与讨论

3.1 发电量结果

统计从5月到10月各区每日的发电量，如图3所示。为了观察清晰，将2区发电量曲线上移15个单位，4区下移15个单位。

可以看出，在天气晴好时，三个区发电量同时出现波峰，反之出现波谷，变化规律呈现出一致性。

资料表明，太阳能光伏系统的发电量取决于太阳辐射强度、温度、阴影和晶体结构[11]。如果没有人为对实验区域作出改动，在同一时刻，三个区域中上述因素基本相同，可以推断各区之间当日发电量的比值基本不变。

 

图3  覆膜前后各区发电量

用3区发电量与2、4区作比，得到一系列的发电量比值：



观察覆膜前的变化，可以看出  变化幅度很小（如图4），处于97~99%之间，这也验证了上述推断。



图4  覆膜前2、3区发电量比值

3.2 发电量比值预测
综上，对发电量比值  作出预测：如不对各区做任何改动，7月1日后，  大部分仍将处于97~99%之间。

3.3 覆膜后实际发电量比值

汇总7月1日后2、3区实际的发电量比值  ，并与预测值做比较，见图5。

  

图5  覆膜后2、3区发电量比值

从图上看到，实际发电量比值只有极少数落入预测区域，大部分超出预测区域1~2个百分点。

实验期间，除对3区覆膜外，各区未有其他改动。据此可充分证明，自清洁纳米太阳电池组件提高了3区的发电量。

进一步统计出采用自清洁纳米太阳电池组件前后2、3区发电量比值的平均值，见表1。可见3区发电量提高了2.66%。

表1  覆膜前后σ1的平均值

覆膜前均值	覆膜后均值	增长率
σ1	97.75%	100.41%	2.66%

采用纳米工艺后，电池组件的发电量确有提高。

按某20MWp大型太阳能光伏电站实际年均发电量2750万千瓦时计算，每年发电量提高约73.15万千瓦时。自清洁纳米太阳电池组件所需的投入和提高发电量所得的收益之间是否平衡，还需做进一步讨论。

3.4 阴影对4区的影响
理论上，3区与2、4区的发电量比值  与的变化趋势应该相似。但实际分析中发现，覆膜前后  的变化趋势并不明显，如图6所示。

 

图6  覆膜前后3、4区发电量比值

通过调查发现，4区在地理位置上非常紧靠附近的光伏应用展厅（图1）。夏季，在15时左右，展厅的阴影就会到达4区。

受阴影影响，4区每日发电量输出规律比较复杂，无法与2、3区进行比对，本报告在分析中，不使用4区发电量数据。

4  结论

通过对自清洁纳米太阳电池组件特性的分析，并设计实验进行比对，得到如下结论：

1）对各区历史发电量数据分析、比对后发现，自清洁纳米太阳电池组件能提高玻璃层压型太阳电池组件的发电量；

2）采用自清洁纳米太阳电池组件的经济性还需做进一步的分析。

3）对4区发电量数据分析后发现，其发电量受临近建筑物影响，与2、3区的受光状态不一致，因此不能作为对比组使用；

参考文献:

[1] 李钟实．太阳能光伏发电系统[M]．北京：人民邮电出版社，2010．

[2] Wang Rong, Hashimoto Kazuhito and Fujishima Akira, et al. Light-induced amphiphilic surfaces. Nature, 388 (1997), pp. 431–432.

[3] 崔晓莉，江志裕．纳米TiO2薄膜的制备方法[J]．化学进展，2002，14(5)：325-331．

[4] 高飞．TiO2薄膜的制备及其光学性能的研究[D]．湖南：中南大学，2007．

[5] 余家国，赵修建，赵青男．TiO2涂层自洁净玻璃的制备及其特性研究[J]．太阳能学报，1999，20(4)：398-402．

[6] 陈喜明．TiO2薄膜光诱导超亲水性的研究[D]．浙江：浙江大学TiO2，2005．

[7] 罗静，李娟，范功端，等．纳米TiO2光催化自洁净玻璃的制备及应用研究进展[J]．微量元素与健康研究，2009，26(2)：61-63．

[8] 王春佳．改性纳米二氧化钛的制备及光催化降解苯酚的研究[D]．河北：燕山大学，2011．

[9] 李玲．Ce3+掺杂对纳米TiO2／SiO2镀膜玻璃性能的影响[J]．中国稀土学报，2005，23(2)：190-194．

[10] 邹博，吴凤清，阮圣平，等．纳米TiO2薄膜的制备及其紫外光吸收性能的研究[J]．功能材料，2004，35(5)：618-620．

[11] 张雪莉，刘其辉，马会萌，等．光伏电站输出功率影响因素分析[J]．电网与清洁能源，2012，28(5)：75-81．

Analysis and test of self-clean nano solar cell module increase the capacity of the power

ZhangYongJiang, Wang feng, Wang bo

(shaanxi photovoltaic industry co., LTD., design department, shaanxi xian 710075)

Abstract： according to the self-clean nano solar cell component characteristics, analyzed the self-clean nano solar cell power generation promotion actual data. And in a 15 KWP small parallel in solar photovoltaic power station design in the contrast experiment, the results show that self-clean nano solar cell module, the total generating capacity increased by 2.66%, for self-clean nano solar cell module application of certain research. In the end, the article explains the reason of one group of experimental area does not appear expected capacity improvement.

Keywords: self-clean; nano solar cell module; Photovoltaic power generation system; TiO2 film; Generating capacity