透明超疏水薄膜制备与提高光伏组件输出效率的研究

作     者：孔美娅 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：超疏水 灰尘 含盐量 光伏特性 发电功率 

摘      要：光伏组件安装在室外,发电效率受外界环境因素的影响较大。组件表面极易沉积灰尘,尤其是自然降雨后,部分灰尘会形成顽固污渍,更难清除。研究表明,六个月以上不清除组件表面的灰尘,组件的发电效率会降低50%左右。此外,灰尘颗粒的遮挡效应也会导致组件形成热斑,缩短光伏组件的使用寿命。因此,本文针对如何缓解光伏组件表面的覆灰问题,围绕透明超疏水薄膜制备方法和提高光伏组件输出效率开展了以下研究:(1)分析了光伏组件的发电原理以及组件的各项输出参数。研究灰尘沉积时光伏组件的光伏特性,通过组件光生电流与光照强度的线性关系,推导了光伏组件表面覆灰情况下开路电压和短路电流的计算公式。研究透光率对组件短路电流的影响。研究了粗糙表面光的散射现象,分析材料疏水性能和透光率之间的关系,选取粒径为20nm的纳米颗粒,并且在制备过程中改变配比控制纳米颗粒含量,从而控制材料的表面粗糙度,确保在可见光波段的透光率。(2)研究了超疏水涂层的制备方法。引入大量氟元素降低物体表面能。在实验室环境下,以聚丙烯酸酯为基材材料,氟化二氧化硅为填充材料,按不同配比制备出超疏水涂层,分别涂覆在光伏组件专用玻璃表面。氟化纳米颗粒含量影响表面凸起的轮廓高度均方根偏差,研究配比对材料表面微观结构和光谱特性的影响。一般地,由于表面粗糙结构的限制,超疏水材料的透光性能和机械强度会有所下降。本文提出以十八胺和硅烷偶联剂制备减反射层提高材料的光谱特性。偶联剂水解后的Si-OH基团与玻璃表面的-OH基团发生反应,形成Si-O-Si共价键提高了材料的耐候性能。结合氟化纳米颗粒构造的疏水层,制备出耐候性能良好的透明超疏水材料。(3)研究了超疏水材料对组件输出特性的影响。分析自然灰尘的成分和粒径、自然灰尘中盐的成分和含量、以及灰尘覆盖率对光伏组件的影响,选取25μm的红土颗粒作为模拟灰尘沉积的尘源,选取氯化钠作为灰尘中的盐,以不同比例与红土颗粒混合。在实验环境中模拟自然尘降,在太阳能模拟器中开展了空白组件和实验组件输出特性的测试。研究不同灰尘沉积下,超疏水材料对组件光伏性能的影响。经过上述实验的开展,本文得到以下结论:(1)超疏水材料可以使组件表面具备自清洁功能。对涂覆材料的组件光谱特性和疏水性能的研究结果表明:涂覆超疏水薄膜后,组件的可见光透光率提升了0.7%。同时组件表面的水接触角从原来的66.2°提高到151.4°,从而使组件具备一定的抗覆灰性能。增加减反射层后,透光率提高了3.7%,耐摩擦实验结果表明:材料疏水角仍能达到130°以上,耐候性能良好。(2)超疏水材料可以提高组件的输出功率、减少组件表面灰尘堆积。覆灰情况下超疏水组件输出特性的实验结果表明:涂覆超疏水材料的组件输出功率大于空白组件,并且随着覆灰率的增加,涂覆材料的组件最大功率下降了3.8%,而空白组件下降了10.9%。该研究成果对缓解组件灰尘沉积问题,提高光伏电站的经济效益具有重要意义。