太阳能照明灯光伏板CO2 雪清洗方法的探讨

朱　润，管雪松

(南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京　210037)



太阳能照明灯光伏板CO2雪清洗方法的探讨

朱润，管雪松

(南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京210037)

摘要：在对目前常用的光伏板清洗方法分析的基础上，通过对国际上公认的四种环保型二氧化碳清洗技术的比较，提出采用CO2 雪技术对太阳能照明灯光伏板进行清洗的方法，并对该方法的清洗机理进行了分析。CO2 雪清洗用于太阳能照明灯光伏板的清洗，能够大大提高照明系统的效率，使其发挥应有的价值。

关键词：太阳能；路灯；景观灯；光伏板；CO2雪清洗

引言

太阳能路灯和景观灯的开发和应用在照明行业里得到了广泛的重视，国内已有不少单位开展了这方面的研究工作[1-2]。但太阳能路灯和景观灯在长期使用过程中，光伏板表面会被灰尘、水渍、油渍，甚至鸟粪等污染，污染后不但使得光伏板的热转换效率大大降低，而且由于被污染遮挡的部分无法正常工作，致使温度过高出现烧坏的暗斑，造成整个太阳能电池组件损坏[3]。根据文献[3]的研究，10MW光电发电站，5天不清洗损失电量为12.3 MW·h，15天不清洗损失电量达到32.7 MW·h。由此可见，光伏板清洗对光电发电效率存在很大的影响。因此，如何清洗灰尘，让太阳能照明发挥它应有的价值显得非常重要。而我国目前在这方面的研究投入，相对于太阳能路灯系统的开发[4-5]，显得相对滞后，相关的研究报道也不多。本文将根据太阳能路灯和景观灯的特点，对目前各种清洗方法进行分析比较，提出采用成本低、绿色环保、效果好和效率高的CO2雪清洗方法，并对其清洗机理进行分析，为太阳能路灯和景观灯的高质量清洗提供参考。

1太阳能照明灯光伏板常用清洗方法

通常太阳能照明系统由太阳能光伏板、充放电控制器、蓄电池组、光源、灯杆等部分构成[6]，如图1所示。在长期的使用过程中，仰面向上的太阳能光伏板上会聚集各种灰尘。灰尘主要有颗粒状的灰尘和粘性灰尘[7]，颗粒状的灰尘又大致分为两类：一类是颗粒直径非常细小的，如直径小于20μm，这类灰尘很容易吸附在光伏板上，这些细灰尘不容易被风吹掉；另一类是直径比较大的颗粒尘埃，这类粗尘埃部分可以被大风吹走。粘性灰尘主要包括道路交通车辆的尾气、煤烟颗粒、工业产生的烟雾颗粒等，甚至还有各种飞行鸟类的排泄物等。这些灰尘掉在光伏板上，在雨水(包括露水)的作用下，形成图2所示具有较强吸附性的积灰[7]，严重影响光伏电池的发电效率。

图1　太阳能路灯Fig.1　Solar lamp

图2　被污染的光伏板Fig.2　PV panel Polluted

目前太阳能路灯和景观灯常用的清洗方法主要有自然清洗和人工清洗[8]。自然清洗就是利用自然刮风和降雨等自然因素来清洁太阳能光伏板表面的灰尘和污渍，这种方法受自然条件的限制，而且清洗效果不理想。人工清洗通常有两种方法：一种是用高压气体对光伏板表面灰尘施加冲击，当固体颗粒较大时，气流的冲击力可以超过颗粒与光伏板表面间的黏附力(包括范德华力、毛细管作用力、偶极吸附力等)，灰尘颗粒可以被除去。但当灰尘颗粒较小时，如小于20μm，由于空气动力的冲击大小与颗粒直径的平方成正比，当颗粒直径很小时，空气动力下降的很快，因此，高压气体无法清除图2所示的细小颗粒灰尘[7]，而光伏板表面需要清理的恰恰是这种由细小颗粒长期积累形成的污染；另一种人工清洗的方法是用高压水，配合化学洗涤剂，通过高压水枪对光伏板表面进行喷洗。这种方法由于采用了高压水和化学洗涤剂，清洗效果比高压气体好。但这种方法浪费了大量水资源，而且因采用了化学洗涤剂，对环境带来很大的影响。为此，针对这一问题，本文提出采用CO2雪对太阳能路灯和景观灯进行清洗。CO2雪清洗具有成本低、绿色环保、效果好和效率高的特点，能够大大提高光伏板的清洗效果。

2CO2清洗介绍

基于 CO2的清洗方法主要有四种[9-10]：干冰清洗、液态CO2清洗、超临界CO2清洗和CO2雪清洗。干冰清洗是利用高速喷嘴将干冰喷射于被污染表面，在极短的时间内，从固态直接升华为气态，在此变化过程中，通过热冲击效应和“微爆”效应，使得表面的污染物与基材的结合键断裂，达到清洗的目的，这种方法是利用干冰小球体对基体表面的高速冲击来清除污垢的，通常用于模具、汽车、飞机等行业，不适合用于太阳能光伏板。液态CO2清洗主要利用处于高压下的液态CO2，具有较好的溶解能力以及渗透力，从而将污渍溶解并冲洗出来，主要应用在衣物的清洗方面。液体CO2清洗需要一个高压腔(5个大气压左右)保证CO2处于液体状态，显然不适合用来对室外的太阳能路灯和景观灯的光伏板进行清洗。

超临界CO2是指CO2所处的压力和温度分别高于其临界压力和临界温度的状态(图3中的A点)。CO2临界温度为31.1℃，临界压力为7.38MPa[11]。处于超临界态的CO2，其密度与液态相近，具有很强的溶解能力，能够溶解基体表面的有机污染物和一些无机污染物。其黏度高于气态，但远远低于液态，扩散系数达到液态的100倍，从而对物质具有较好的渗透性。根据这一特点，超临界CO2主要用于具有深孔、多孔、细缝、微槽和大深宽比等复杂形状器件的清洗，如集成电路板等[11]。超临界CO2清洗系统需要精确的压力和温度检测和控制单元，系统过于复杂，成本较高，不适合太阳能路灯和景观灯的光伏板清洗。

图3　CO2相态变化图Fig.3　CO2 P-T curve

CO2雪清洗是装在高压钢瓶中的液态或气态二氧化碳，通过一种特殊设计的文丘里喷枪，产生出含有固体二氧化碳微粒的高速二氧化碳气流，类似于雪花状的混合流体，这也是CO2雪清洗名称的由来。从文丘里喷枪出来的CO2雪既可以去除各种直径的颗粒污垢，又能除去有机污染物[9]。与CO2其他几种清洗方法相比，CO2雪清洗结构简单，运输携带方便，非常适合于室外太阳能路灯和景观灯的光伏板清洗，另外成本低和清洗效果好，也是CO2雪清洗的主要优点。这一技术在国外大型天文望远镜光学玻璃镜子清洗和硅片清洗等方面得到了广泛的应用[12-14]。

3CO2雪清洗机理

CO2雪清洗有两种原料：一种是气态的高压二氧化碳，另一种是液态的高压二氧化碳。由于使用液态二氧化碳为原料时，通过文丘里喷枪后产生的二氧化碳固体颗粒含量为45%，而相同情况下，气态二氧化碳原料产生的二氧化碳固体颗粒含量只有6%[9]。固体二氧化碳颗粒含量越高，清洗效果越好，且清洗效率也越高。因此，对于太阳能路灯和景观灯光伏板的清洗，用液态的二氧化碳进行清洗比较好。当液态二氧化碳从常温高压钢瓶(50大气压左右)，通过特殊的文丘里喷嘴喷射时，开口处压力下降，部分液体二氧化碳开始气化，同时剩下的二氧化碳液体转变成固体，即发生了二氧化碳由液相转变成固-气两相共存的相变过程，形成了微小颗粒固体二氧化碳和气体二氧化碳的混合物。当这样的混合物作用于被污染的太阳能路灯和景观灯光伏板时，通过动力学、热力学、化学反应等因素的综合作用，实现光伏板表面污染物的清洗效果。

3.1固体颗粒污染物清洗原理

利用文丘里喷枪产生的二氧化碳固体和气体混合物，称之为CO2雪，按45°方向喷向受污染的光伏板表面后，高速运动的固体二氧化碳小颗粒在冲击固体污染物颗粒时，发生了动量的转移[15-16]，如图4所示。由这种动量转移所产生的力量能够克服污染物固体颗粒与基体之间粘结力，如范德华力，一旦污染物固体颗粒脱离了基体表面，很快就被高速二氧化碳气体带走。因此，CO2雪清洗污染物固体颗粒时，与单纯的高压气体除尘有着本质上的区别，CO2雪除尘与污染物颗粒的大小无关，可以除去各种尺寸的污染颗粒物，最小的可以到0.03微米[16]。因此，对太阳能路灯和景观灯光伏板表面的清洗非常有好处。

图4　固体污染物清洗原理图Fig.4　Schematic of solid part cleaning

3.2有机污染物清洗机理

从文丘里喷枪出来的CO2固体和气体混合物，在高压的作用下，CO2固体与基体表面发生强烈的碰撞，在碰撞过程中，当CO2固体颗粒受到的压力超过了屈服应力和三相点压力(5.3大气压)的时候，固体二氧化碳颗粒便开始液化，此时的CO2雪形成了固体、液体、气体二氧化碳三相共存的混合物，如图5所示。液态二氧化碳是有机污渍的最好溶剂，因此，基体表面的有机污渍就溶解在液态的二氧化碳中。当二氧化碳固体颗粒开始离开基体表面时，随着界面上的压力下降，原先处于液相状态的二氧化碳就会重新发生固化，并与先前溶解于其中的有机污渍形成新的固体颗粒，被高速二氧化碳气体吹离基体表面[16]，如图6所示，从而实现了有机污渍的清洗工作。

图5　有机污渍清洗原理图Fig.5　Schematic of organic dirty cleaning

图6　有机污渍清洗局部放大图Fig.6　Scaled of organic dirty cleaning

4注意事项

在用CO2雪对太阳能路灯和景观灯的光伏板进行清洗的时候，需要注意以下的几个方面：

1)CO2雪清洗系统的一个重要组成部分是文丘里喷枪，文丘里喷嘴通常设计成不对称结构。因为这种结构能在较长时间内保持等焓条件，使得喷射过程能在焓值恒定的情况下发生膨涨，从而产生更多的CO2雪，保证气流速度最大并保证气流更加集中，大大提高清洗质量和清洗效率。

2)在清洗过程中，需要控制好喷射压力。如果喷射压力过低，喷射出的混合物中固体二氧化碳的含量就会降低，流速也会下降，这些都会影响清洗效果和清洗效率。

3)CO2雪清洗是在高压高速气流中进行的，虽然对太阳能光伏板表面不会产生损伤，但还是有一定的作用力作用在太阳能路灯或景观灯上，所以相关结构件固定要稳定、牢固，以免物品受到损坏。

4)操作者手持喷枪对光伏板进行清洗的过程中，需要注意自身的保护。因为CO2雪气流的最低温度在零下80℃左右，对操作者的皮肤、眼睛等都有可能造成伤害。因此，操作者应穿好相关的保护服，并佩戴防护眼镜。同时，二氧化碳钢瓶是高压气体容器，在使用过程中每一步都应该操作规范。

5总结

太阳能路灯、景观灯投入使用后，后续的维持保障工作往往被忽视，太阳能光伏板的清洗便是其中之一，而太阳能光伏板的清洗效果对太阳能照明的效率有着非常重要的影响。本文通过对太阳能光伏板常用的清洗方法，以及四种CO2清洗的分析与比较，提出采用CO2雪对太阳能路灯和景观灯的光伏板进行清洗。CO2雪清洗成本低，对环境没有污染，清洗效果好，而且便于操作，能够极大地改进太阳能光伏转换的效率，为太阳能路灯和景观灯的健康发展提供保障。

参考文献

[1] 吴春海，吴贵才. 太阳能在城市照明的应用前景[J].照明工程学报，2005，16(2):31-34.

[2] 陈尚伍，郑晟，翟建勇，等.太阳能照明系统的研究[J].照明工程学报，2005，16(4):60-62.

[3] 黄湘，葛文刚，禹超. 太阳能光伏电站设计影响因素分析[J].华电技术，2013，35(2):79-86.

[4] 傅创业，杨志伟. 太阳能照明一体化路灯设计与应用[J].照明工程学报，2013，24(1):116-119.

[5] 高逸峰，张九根.太阳能LED照明[J].照明工程学报，2007，18(1):60-63.

[6] 李文婷.太阳能照明路灯系统设计[J].青海科技,2010(3):20-21.

[7] 巨发礼.积灰对光伏发电工程的影响研究.2010.

[8] 徐磊，马子瑞.天津文化中心光伏系统电池板清洁与维护研究[J].建筑电气.2013,No.2:24-28.

[9] Robert Sherman. Cleaning with Carbon Dioxide Snow. 2010.

[10] 熊楚才.二氧化碳雪清洗技术[J].洗净技术，2004.2(10):64-70.

[11] 王磊，惠瑜，高超群，景玉鹏.超临界二氧化碳(SCCO2)无损伤清洗[J].维纳电子技术，2010，47(2)：65-79.

[12] Herman Kriel, Ockert Strydom, Charl Du Plessis,et al. Automated CO2cleaning system for the SALT primary mirror. Proc.of SPIE, 2008.7018:70181P-1-12.

[13] Takeshi Noguchi, Tomio Kanzawa, Tomio Kurakami,et al. Coating and cleaning of Subaru Telescope Mirrors. Proc.of SPIE,2000,4003:391-396.

[14] 郭新贺，王磊，景玉鹏.干冰微粒喷射清洗技术[J]. 维纳电子技术，2012，49(4):258-262.

[15] Kim P，Seok J. Dynamic modeling and simulation of a cryogenic carbon dioxide cleaning process. Proc. IMechE, 2010,224:213-221.

[16] Herbert C Bitting. Precision cleaning using carbon dioxide jet spray.Proc. of SPIE, 1994, 2261:347-362.

Study on CO2Snow Cleaning for PV Panel of Solar Power Lamp

Zhu Run, Guan Xuesong

(CollegeofArt&Design,NanjingForestUniversity,Nanjing2100373,China)

Abstract：Based on the analysis of the present cleaning methods, according to the comparison of the different CO2 cleaning, CO2 Snow is selected as a way to clean the PV panel of solar power lamp. With the help of this cleaning technology, the transfer efficiency of PV panel of solar power lamp will be improved greatly.

Key words:solar power; road lamp; landscape lamp; solar PV panel; CO2 Snow cleaning

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.026