纳米自清洁涂层在光伏电站的应用研究

杨建卫，王忠明

（1.中电华创电力技术研究有限公司，上海 200080；2.国家电力投资集团有限公司海南分公司，海南 海口 570100）

0 引言

随着国民经济的快速发展及对绿色环保能源的需求，我国的太阳能光伏发电站建设与运营逐步进入了发展高峰期。光伏发电的光电转换率已经接近理论转换值，其他环境等外在因素对组件发电效率和电站发电量的影响逐渐凸显，灰尘及污物的聚集对组件功率输出的影响成为光伏电站提质增效工作的研究重点[1]。随着光伏发电国家财政补贴的取消，平价上网成为主流，使得各场站开始寻求更先进的技术、更高效实用的运维手段以提升电站效益，光伏组件的自清洁技术就在此背景下应运而生。

灰尘在光伏组件上的沉积对于一个大型的地面光伏电站来讲，造成的电量损失是巨大的。国内外的研究表明，光伏组件表面的灰尘沉积从0到22 g/m2时，相应的太阳能输出效率会减少0到26%。太阳能光伏发电板的污染来源广泛，种类繁多，由于各地环境差异，污染有明显的地区差异性[2]。一般来说，为维持光伏发电板的发电效率，需要定期人工除污染物，不仅耗水量大、清洁费用高、机械化程度低，而且人工清洗方式操作规范难以统一，可能造成电池片隐裂、组件表面存在残留水渍及清洁工具卡断等问题。另外，在清洗过程中若大量使用有机清洗剂，还会对周围环境造成污染，再加上光伏发电板表面也会较快再次被浮尘等覆盖，削弱清洁效果。本研究将超亲水自清洁涂料应用于在运的光伏电站，利用自清洁涂料的光致超亲水特性和光催化降解有机物特性，通过自然条件自动清除灰尘，通过合理配置，提高光伏电站的发电能力，发电能力整体提升超过3%，经济效益可观。

1 光伏电站自清洁技术概述

自清洁技术一般是指物体具备一定的自我清洁能力，国内外研究最早开展于20世纪70年代，较多以建筑材料为载体进行研究和推广应用[3]。在光伏发电领域，主要是对光伏玻璃面板应用自清洁技术，使光伏玻璃表面发生物理、化学反应，形成特殊的涂层，根据涂层的特性，分为疏水涂层、亲水涂层、电帘等。疏水或亲水涂层利用自然风或雨水的冲刷达到自清洁的目的。电帘则是利用交流电源的平行电机产生电场进行无接触式搬运，光伏板面灰尘根据所带电荷的极性向相应电场移动，从而达到除尘的目的，但成本很高，推广受限[4]。

2 无机纳米超亲水涂料及涂层设计

以有机亲水材料为基体开发的超亲水涂层有着非常优秀的亲水性，亲水角可以轻易达到5°甚至更低[5]，但由于其耐候性、耐老化性较弱，寿命很低，目前较难进行大规模推广。近年来，以二氧化钛作为基础材料开发的超亲水自清洁涂层在太阳能行业中得到相关机构的研究[6-7]，由于其涂层中含有光触媒涂膜，经过紫外线或可见光照射后，产生光催化反应可将有机物质分解成光、水和二氧化碳[8-9]，其以分解油污等有机污渍为主要功能，对于有机污渍的清洁有一定效果[10]。然而光伏电站主要污染源是沙土、硫化物、煤烟等混合污渍，这些污渍无法被光触媒分解，所以光触媒无法达到理想效果[11]。以二氧化硅为主体开发的超亲水涂层，由于其在包括阴天的条件下均不影响其亲水性的独特优势，受到越来越多的瞩目[12]。通过对主要原料成分纳米二氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化锡进行特定官能团化学接枝处理，改性后有效提高了初始纳米粒子的亲水性及与基体的界面结合力，从而进一步提高了亲水自清洁效能和可靠性。

在自清洁亲水涂层的设计时，首先要对光伏面板污渍的种类进行分析，并提出防污的解决方案来进行涂层配方设计。对于光伏面板而言，一般的通用纳米粒子难以构成最佳解决方案，而过多的纳米粒子组合又可能由于百分比浓度的减少会彼此产生功能削弱，因此在原有纳米粒子上进行功能性官能团的化学接枝处理，会很好地对两者进行兼顾。本文所述的自清洁防污防静电超亲水纳米涂层以改性氧化硅、改性氧化锆及改性氧化锡等纳米粒子为主，控制纳米材料成功形成100~200 nm以下的凹凸结构，且不管外界环境有无光源均能发挥超亲水效果，其涂层寿命及去污效果均较普通纳米粒子组合更好。添加的改性材料能大大增强涂层的可靠性，通过第三方实验室的检测表明，涂层寿命一般可达6~10 a。

3 现场试验结果

选用二氧化硅为主要材料的纳米自清洁涂层，应用于山西朔州某50 MW光伏电站和安徽芜湖某20 MW光伏电站。2个电站分别选取一个逆变器单元作为试验方阵，再选择一个对比方阵。试验方阵和对比方阵均首先进行组件清洗，并保证运行维护模式相同，出力无限制，同时要保证巡检、消缺及维护清洗的频率、方式、时间一致。

由于光伏电站发电量受太阳能辐射状况、环境、气候、组件等众多因素影响，方法假定每年的同一时期影响光伏发电的影响因素基本一致，用观测月份对试验方阵和对比方阵发电量比率减去历史同期月份的同一组光伏方阵的发电量比率（即基准值）得到发电量增益。该方法考虑了各种影响因素对光伏方阵发电量的系统影响，以减少组件衰变、外部环境影响等因素对发电量增益计算结果的影响。

图1为朔州某电站2020年4月至10月的发电量增益数据，图2为芜湖某电站2020年4月至10月的发电量增益数据。

图1 朔州某电站发电量增益数据

图2 芜湖某电站发电量增益数据

这2个电站的试验结果表明，应用自清洁涂料后，逆变器单元的发电量都得到提升，平均提升了3.07%和3.31%。

4 经济性分析

根据现场实测数据，在应用自清洁涂料后，2个电站发电量增益均在3%以上。此外，应用自清洁涂料后电站清洗频次大幅度减少，显著地减少了清洗成本。

涂料的材料成本可降至0.01元/W，施工费约合0.04元/W。以芜湖20 MW电站为例，总的材料成本仅20万元，施工费约80万元，合计100万元。电站整年发电量约2 100万（kW·h），按照发电量提升3%来计算，每年可提升发电量63万（kW·h），按电站0.77元/（kW·h）电价计算，每年可增加利润48.5万元，2.06 a即可收回成本。涂层寿命按6 a计算，总共可增收利润191万元；涂层寿命按10 a计算，总共可增收利润385万元。

以朔州50 MW电站为例，材料成本50万元，施工费200万元。电站年发电量约8 700万（kW·h），每年可提升发电量261万（kW·h），按0.95元/（kW·h）电价计算，1 a即可收回成本。涂层寿命按6 a计算，总共可增收利润1 237万元；涂层寿命按10 a计算，总共可增收利润2 230万元。

5 结论

纳米自清洁涂料的应用可显著提高光伏电站的发电量，发电增益可达到3%以上，且膜层寿命可达6~10 a。不同电站的投入产出比跟电站发电量、电价、施工难度、材料成本等有关，一般1~3 a收回成本，具有可观的经济效益。