晶体硅光伏组件用AR玻璃在典型气候环境下的透射比衰减机理实证分析

李孟蕾 ，杨 帆 ，胡晓阳 ，张可佳

(1. 国家太阳能光伏(电)产品质量监督检验中心，北京 100024；2. 中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024)

0 引言

光伏组件在户外环境使用时的实际发电量已成为政府、投资方、光伏电站业主及光伏组件生产企业衡量光伏电站质量及组件性能的重要参考依据，这一数据已经受到广泛关注，因此，对影响光伏电站实际发电量的损耗因素进行研究具有重要意义。

在众多影响因素中，光伏组件表面的积尘对光伏组件实际发电量的影响尤其不容忽视，然而由于各地区的气候环境不同，所得到的研究结果也存在差异。比如，有学者发现，积尘对光伏电站造成的年均发电效率损失高达6%[1]；在赤道地区，组件表面积尘可降低组件的输出功率，最高降幅可达18%[2]；在干燥少雨地区，由积尘引起的组件输出功率的年损失可达15%[3]；组件表面灰尘导致组件接收的太阳辐照量的日均衰减约为4.4%[4]。在现有研究中，针对中国典型气候环境下由积尘引起的光伏电站发电量损耗的探讨较少；同时，所得到的研究成果也未能给我国湿热环境、温和气候下城市环境，以及干热砂尘环境中光伏电站的建设与运维提供有效的参考和指导。

基于此，本文采集、整理、分析了湿热环境、温和气候下城市环境，以及干热砂尘环境3种中国光伏产品应用的典型气候环境的气象数据，通过户外老化试验，对导致在这3种典型气候环境中应用的晶体硅光伏组件用AR玻璃的太阳光有效透射比(下文简称“透射比”)衰减的关键因子进行了梳理，并确定了不同典型气候环境中AR玻璃的透射比衰减机理。

1 户外老化试验过程简述

1.1 晒场的选址

本次户外老化试验的晒场分别选择海南省定安县、北京市、新疆维吾尔自治区吐鲁番市3个地区作为中国典型气候环境—— 湿热环境、温和气候下城市环境，以及干热砂尘环境的代表(下文简称“定安晒场”“北京晒场”“吐鲁番晒场”)，试验地点如图1所示。同时，采集并监控3个晒场的温度、相对湿度、日照时数、太阳辐照量、风速、风向等气象数据。3个晒场的具体信息如表1所示。

图1 试验地点Fig. 1 Test sites

表1 3个晒场的信息表Table 1 Information of three demonstration sites

1.2 样品的制备

晶体硅光伏组件用AR玻璃是通过在超白压花玻璃表面涂覆膜层来降低玻璃表面的反射率，以提高太阳光透过率，使尽可能多的光线到达电池表面，从而可有效提高光伏组件的输出功率。

本次研究收集了3种型号(下文分别简称为“1#”“2#”“3#”)的 AR 玻璃样品，规格均为300 mm×300 mm×3.2 mm，每种型号各12块，共计36块。从2015年7月开始进行户外老化试验，老化周期分别为3个月、6个月、9个月和12个月。在3个晒场分别投放12块样品，其中每种型号各投放4块，然后每隔3个月从各晒场取回不同型号的样品各1块进行测试。定安、北京、吐鲁番这3个晒场中样品的安装角度分别为15°、37°和 42°。

为了模拟AR玻璃的真实使用情况，减少由于环境因素引起的非镀膜面的腐蚀，在制备样品时将AR玻璃非镀膜面用密封胶封装在相同尺寸的平板玻璃上制成双层样品，如图2a所示；并放入定量的分子筛防止水汽渗入。在户外老化试验过程中，将镀膜面朝向太阳光入射的方向放置，如图2b所示。

图2 样品示意图Fig. 2 Sample diagram

1.3 试验项目

本次研究的试验项目包括：依据行业标准JC/T 2170-2013《太阳能光伏组件用减反射膜玻璃》，在清洗前、后对定期老化后的样品分别进行380 ～1100 nm波段的透射比测试；对样品表面附着的固体沉积物进行化学成分全分析；使用光学显微镜测量样品表面的积尘粒度；通过对水接触角试验测试样品膜层的亲、疏水性能；使用扫描电镜对老化试验前、后样品的膜层厚度进行测量。

2 试验结果与讨论

2.1 气象数据分析

本试验选定的3个晒场的气候环境特征具体为：

1)湿热环境的特征：全年高温、高湿、无风或少风；最冷月平均气温在15 ℃以上，气温年较差小，一般为1～6 ℃；年降水量在1000 mm以上，且降水量大于蒸发量；年平均相对湿度在60%以上。

2)温和气候下城市环境的特征：春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季凉爽、冬季寒冷干燥，四季分明；年均气温为8～15 ℃；年均降水量约为500 mm。

3)干热砂尘环境的特征：全年高温、干燥、无雨或少雨、少云、多风沙；最冷月平均气温在15 ℃以上，气温日较差大，可达35 ℃以上；年均降水量在400 mm以下，且降水量小于蒸发量。

由于本次老化试验分为4个周期进行，因此对3个晒场的气象数据的分析也分为4个阶段，即：8～10月为第1阶段，11月～次年1月为第2阶段，2～4月为第3阶段，5～7月为第4阶段。采集了3个晒场在2015年8月～2016年7月的气象数据，具体如表2所示，3个晒场的平均风速和平均相对湿度曲线分别如图3、图4所示。

表2 3个晒场的气象数据表Table 2 Meteorological data of three demonstration sites

图3 3个晒场的平均风速Fig. 3 Average wind velocity of three demonstration sites

图4 3个晒场的平均相对湿度Fig. 4 Average relative humidity of three demonstration sites

2.2 AR玻璃的透射比分析

以往的研究显示，单层减反射镀膜通常能够使宽光谱范围内的玻璃的太阳光透过率增加3%以上，达到93%以上，使组件的输出功率提高2%[5]。本次测试的36块AR玻璃样品在老化试验前的初始透射比值均在93.5%～94.0%之间，印证了上述观点。36块样品的初始透射比如表3、图5所示。

表3 样品的初始透射比Table 3 Initial transmittance of the samples

由于1#、3#样品AR玻璃的膜层为亲水型，2#样品AR玻璃的膜层为疏水型，因此，仅对1#、3#样品进行对水接触角测试，5个测试点为随机选取。测试结果如表4、图6所示。

图5 老化试验前样品的初始透射比Fig. 5 Initial transmittance of the samples before aging test

表4 对水接触角测试结果Table 4 Test results of water contact angle[ 单位：(° )]

图6 2种样品的对水接触角Fig. 6 Water contact angle of two kinds of sample

从表4、图6中可以看出，由于1#和3#样品AR玻璃的膜层属于亲水型膜层，其特点是污染物质在膜层表面易聚结，而通过清洗，聚结物很容易从膜层表面脱离。

样品在3个晒场经受定期老化试验后，外观均发生了不同程度的变化，具体为：

1)老化3个月后，3个晒场的样品外观与初始安装时相比，均无明显变化。

2)对于北京晒场而言，老化6个月后，样品表面附着的积尘最多，如图7所示；而老化9个月、12个月后，样品表面附着物越来越少；到老化12个月时，样品表面已经收集不到尘土样品，如图8所示。

通过分析认为，由于从第2个老化周期开始(11月)，北京进入了冬、春季多风期(见图3)，而第3个老化周期是北京的雨季，这些气候因素可使附着在样品表面的积尘得到有效清理。

图7 老化6个月后3个晒场内样品的外观Fig. 7 Appearance of samples on three demonstration sites after six months aging test

图8 老化12个月后3个晒场中样品的外观Fig. 8 Appearance of samples on three demonstration sites after twelve months aging test

3)对于定安晒场来说，老化6个月时，样品表面形成大量苔藓状微生物，如图9所示；随着老化时间的增加，这种微生物的数量也呈现增加的趋势。造成这一现象的原因是从2月开始，定安地区的温度开始回升，湿度增加，形成了利于苔藓类植物生长的环境，而雨水并不能有效地将样品表面的微生物冲刷掉。

图9 老化9个月后定安晒场内样品的外观Fig. 9 Appearance of samples after nine months aging test in Dingan

4)对于吐鲁番晒场而言，老化6个月后，样品的表面附着少量砂尘，如图10a所示。老化9个月后，样品表面出现雨水蒸发后留下的泥土印迹，如图10b所示，出现这种现象是因为吐鲁番地区全年降水量较少且气候干燥(见图4)，当雨水降落在样品表面时，来不及流到样品底部就已经蒸发，因此在全年无充沛雨水冲洗的情况下，吐鲁番晒场内的样品表面附着的灰尘会越积越多。

图10 老化试验后吐鲁番晒场内样品的外观Fig. 10 Appearance of samples after aging test in Turpan

5) 3个晒场的所有样品在清洗后均未出现膜层脱落、剥离或起皱等现象。

通过测试发现，经过老化试验后，未清洗样品的透射比衰减程度与其外观变化之间存在一定关系，即样品表面的积尘越多，透射比衰减越严重。

在湿热环境、温和气候下城市环境及干热砂尘环境中，老化6个月后的未清洗样品的透射比衰减率分别为7.3%～24.4%、24.2%～28.5%、4.4%～5.6%，尤其是在可见光部分，样品的透射比发生了显著衰减；其中，北京晒场的样品的透射比衰减最为明显。老化6个月后，3个晒场中未清洗样品的透射比衰减率如图11所示。

图11 老化6个月后3个晒场中未清洗样品的透射比衰减率Fig. 11 Transmittance attenuation without cleaning of samples on three demonstration sites after six months aging test

老化9个月后，3个晒场中未清洗样品的透射比衰减率分别为31.3%～41.2%、6.7%～8.5%、8.6%～12.9%；其中，定安晒场的样品的透射比衰减最为显著，具体如图12所示。

北京晒场的样品经过8月～次年1月这2个老化周期以后，未清洗样品的透射比衰减剧烈，老化6个月后3种型号的样品的透射比衰减均超过20%。不同老化周期后北京晒场内未清洗样品的透射比衰减情况如图13所示。值得注意的是，第2个老化周期的时间与北京地区雾霾多发期的时间重合。

图12 老化9个月后3个晒场中未清洗样品的透射比衰减率Fig. 12 Transmittance attenuation without cleaning of samples on three demonstration sites after nine months aging test

图13 老化试验后北京晒场内未清洗样品的透射比衰减率Fig. 13 Transmittance attenuation without cleaning of samples after aging test in Beijing

吐鲁番晒场的样品在老化9个月后与前2个老化周期相比，透射比衰减最严重，所有未清洗样品的透射比衰减率都达到了8%以上，如图14所示。造成这一现象的原因在于第3个老化周期时吐鲁番地区刚好进入风力强劲的春季。

图14 老化试验后吐鲁番晒场内未清洗样品的透射比衰减率Fig. 14 Transmittance attenuation without cleaning of samples after aging test in Turpan

老化3个月后，定安、北京、吐鲁番晒场的清洗后样品的透射比衰减率分别为0.3%～0.5%、0.2%～0.3%、0.1%～0.5%，均未超过1%；老化6个月后，3个晒场的清洗后样品的透射比衰减率分别为0.1%～0.5%、1.1%～1.4%、0.5%～0.6%；老化9个月后，3个晒场的清洗后样品的透射比衰减率分别为0.1%～0.8%、0.4%～1.4%、0.5%～0.6%。

老化6个月后3个晒场样品清洗前、后的透射比衰减率的变化情况如图15所示，老化9个月后3个晒场样品清洗前、后的透射比衰减率的变化情况如图16所示。

对比3个晒场的样品清洗前、后的透射比衰减率的变化情况可以发现，老化6个月后，北京晒场的样品清洗前、后的透射比衰减率的变化最为明显；老化9个月后，定安晒场的样品清洗前、后的透射比衰减率的变化最为明显。

图16 老化9个月后3个晒场样品清洗前、后的透射比衰减率的变化情况Fig. 16 Change of transmittance attenuation rate before and after cleaning of samples on three demonstration sites after nine months aging test

但是在北京晒场中，老化6个月后的3块样品清洗后的透射比衰减率均超过了1%，老化9个月后也有2块样品清洗后的透射比衰减率超过了1%；而在定安晒场中，老化6个月、9个月后有4块样品清洗后的透射比衰减率小于等于0.4%，1块为0.5%，1块为0.8%。由此可以认为，在温和气候下城市环境中，AR玻璃的膜层可能会被腐蚀。

2.3 表面积尘化学成分全分析

基于上文判断结果，分别采集3个晒场中引起透射比显著衰减的典型老化周期后样品的表面固体沉积物进行化学成分全分析，包括：老化12个月后定安晒场的样品表面积尘、老化6个月后北京晒场的样品表面积尘和老化12个月后吐鲁番晒场的样品表面积尘。

上述3类样品表面积尘的化学成分分析如表5所示，粉尘附着物化学成分比较图如图17所示。其中，老化12个月后的定安晒场和吐鲁番晒场的样品表面的粉尘附着物化学成分比较图如图18所示。

数据来源：国家建材测试中心

表5 样品表面积尘的化学成分分析Table 5 Chemical composition analysis of dust on sample surface

图17 样品表面的粉尘附着物化学成分比较图Fig. 17 Comparison of chemical composition of dust deposits on sample surface

图18 老化12个月后3个晒场内样品表面的粉尘附着物化学成分对比值Fig. 18 Chemical composition ratio of dust deposits on sample surface in three demonstration sites after twelve months aging test

定安、北京和吐鲁番3个晒场的样品表面积尘的基本碎屑物质为粘土矿物粉尘，粉尘粒度为1～10 µm，如图19～图20所示；且附着在样品表面的尘土粒径小于集灰器内沉积物的粒径，粘土矿物化学成分存在明显差异。

从表5及图17～图18可以看出，3个晒场的样品表面积尘的基本化学成分中，Al2O3、ZrO2、Cr2O3的含量接近；北京和吐鲁番晒场样品表面积尘的化学成分中，TiO2和NiO的含量较定安晒场样品表面积尘的略低；北京晒场样品表面积尘的 Fe2O3、Na2O、K2O、BaO、SrO、MnO、P2O5的含量较定安晒场样品表面积尘的略高，北京与吐鲁番晒场样品表面积尘的CaO和MgO的含量明显高于定安晒场样品表面积尘的，而北京晒场样品表面积尘的SO3的含量远高于定安和吐鲁番晒场样品表面积尘的。

图19 3个晒场中样品表面的灰尘颗粒微观形貌Fig. 19 Microscopic morphology of dust particles on sample surface in three demonstration sites

图20 吐鲁番晒场集灰器内的灰尘颗粒微观形貌Fig. 20 Microscopic morphology of dust particles in dust collector in Turpan

分析3个晒场样品表面积尘的化学成分含量不同的原因，可归纳为以下2点：

1)物质成分不同，北京地区的粉尘主要来自西北黄土高原及内蒙古草原区。上述地区是重要煤炭产区，矿区粉尘被风吹到北京地区，导致粉尘中SO3、Fe2O3、CaO、MgO等成分的含量升高。

2)华北地区是重要工业经济区，城市能源消耗和建筑业所消耗的材料导致空气粉尘成分中的CaO、MgO、SO3、Fe2O3含量增高。城市建筑用水泥的成分是CaO与泥质成分，水泥固结要吸收CO2变成CaCO3，因此可降低城市大气中CO2的含量。因此，推测北京和吐鲁番地区样品表面积尘中C的含量较低可能是由于建筑工地开工过多造成的。

对老化12个月后，3个晒场的1#样品的膜层进行电镜微观样貌扫描，如图21～图23所示；然后结合AR玻璃透射比衰减数据进行分析。

图21 老化12个月后北京晒场的1#样品的膜层表面镜像和断面镜像Fig. 21 Image of AR film surface and cross-section of 1#sample after twelve months aging test in Beijing

图22 老化12个月后定安晒场的1#样品的膜层表面镜像和断面镜像Fig. 22 Image of AR film surface and cross-section of 1#sample after twelve months aging test in Dingan

图23 老化12个月后吐鲁番晒场的1#样品的膜层表面镜像和断面镜像Fig. 23 Image of AR film surface and cross-section of 1#sample after twelve months aging test in Turpan

通过图21～图23中膜层表面镜像可以看出，微生物等成分的沉积物在使用水清洗后，AR玻璃的透射比可以得到显著恢复；但是在使用水清洗时，大量含S的附着物会与水发生化学反应生成酸，可能会腐蚀膜层，造成永久性损伤。干热砂尘环境中样品的膜层磨损以物理磨蚀为主，且其磨损情况较温和气候下城市环境中样品的膜层磨损情况更为严重。

3 结论

本文以定安、北京和吐鲁番3个地区作为中国湿热环境、温和气候下城市环境及干热砂尘环境的典型应用实证晒场，分别对晶体硅光伏组件用AR玻璃分阶段进行了总周期为12个月的户外老化试验，分析了不同老化周期后样品的透射比衰减数据、表面积尘化学成分，以及样品膜层的亲、疏水性能等。研究结果表明：

1)气候的季节性变化会影响空气中的固体颗粒物浓度，尤其是温和气候下城市环境中冬季出现的雾霾天气、干热砂尘环境中春季的大风天气，都会使应用在该气候环境下的光伏组件表面积尘量增多，直接减少了太阳光透过率。本次研究发现，湿热环境下，老化9个月后未清洗的AR玻璃表面积尘引起的透射比衰减率高达41.2%，因此，建议根据组件实际使用的气候环境调整组件的清洗周期。

2)在风、雨等气候因素作用下，积尘会磨蚀AR玻璃的膜层，而不同气候环境中使用的AR玻璃膜层的磨蚀机理不同。比如，积尘中的S成分在一定条件下会腐蚀膜层，多风沙区域样品的膜层磨损以物理磨蚀为主。因此，在不同气候环境中运行的光伏电站应采用不同的维护清洗方式，如用水清洗或用风机吹尘。

需要注意的是，当前光伏组件普遍采用表面织构化(压花)的玻璃以减少反射，压花深度越深，减反射效果越好。但是压花越深的玻璃表面越容易积灰，使透射比衰减变大。因此，在AR玻璃的压花工艺中，要充分考虑积灰对太阳光透过率的影响。积灰对太阳光透过率的影响与太阳光入射角有关。本研究中的AR玻璃太阳光透过率测试采用的光源是垂直入射，而在光伏组件的实际工作条件下，太阳光是斜射透过玻璃的。因此，在实际应用中，光伏玻璃的太阳光透过率和发电量损失会小于本文的测试值。