Сегодня установленная мощность солнечных электростанций стремительно растёт, и по прогнозам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) ожидается, что к 2030 году доля производства электроэнергии, получаемой за счёт преобразования солнечного излучения, достигнет 13% в мировом масштабе [1].

Фотоэлектрические модули (ФЭМ) являются ключевым элементом солнечной энергетики, однако их нормальный режим работы в высокой степени зависит от внешних факторов, включая загрязнение поверхности. В регионах с полузасушливым и аридным климатом одной из наиболее распространённых форм загрязнения является осаждение песчаных частиц. Такой вид загрязнения блокирует солнечное излучение, что приводит к увеличению отражательной способности поверхности и нарушению равномерного нагрева как всего модуля, так и локальных участков (ячеек). Все эти последствия в итоге приводят к ускорению процесса деградации модуля, а также снижению генерируемой мощности [2].

Характер влияния песчаных отложений на генерацию ФЭМ определяется не только интенсивностью осаждения, но и физико-химическим составом самих частиц — в первую очередь их минеральным составом и степенью дисперсности (раздробленности). Чем выше степень дисперсности, тем больше удельная поверхность вещества, которая приходится на единицу объёма.

В данной работе рассматриваются два типичных вида песчаных отложений: кварцевый песок, характеризующийся высокой однородностью минерального состава и чистотой, и карьерный песок, представляющий полидисперсную смесь с наличием глинистых примесей и других минералов.

В контексте загрязнения поверхности фотоэлектрического модуля важно проводить разграничение между частицами песка и пылью, поскольку эти категории аэрозольных загрязнителей отличаются по происхождению, свойствам, а самое главное — размеру. В литературе по данному направлению чаще всего рассматривается пылевое осаждение.

Под пылью обычно понимают мелкодисперсные твёрдые частицы с диаметром менее 63 мкм, согласно классификации ГОСТ Р 14688–1-2017 [3]. Пыль может включать в себя различные примеси, такие как минералы глины, органические остатки, сажу и другие компоненты. Из-за малых размеров и электростатических взаимодействий она часто обладает высокой адгезией к поверхности [4].

В последние годы влиянию осаждения пыли на поверхности ФЭМ уделяется всё больше внимания, исследование [5] демонстрирует, что слой пыли в 1 мкм может привести к снижению производительности модуля на 25,5%. Стоит отметить, что активно развиваются фундаментальные исследования по механизмам осаждения ввиду сложности моделирования. Процесс осаждения зависит от множества факторов таких как скорость ветра, влажность, размер и состав частиц, угла наклона ФЭМ и др. [6].

Песчаные частицы, относятся уже к более крупной фракции осадочных отложений, с диаметром от 63 мкм до 2 мм, которые преимущественно имеют минеральное происхождение и характеризуются низкой способностью к удержанию на наклонных поверхностях без внешнего воздействия. По сравнению с пылью, частицы песка вносят вклад в затенение в первую очередь за счёт макроскопического блокирования солнечного света, а не за счёт формирования сплошной плотной плёнки как с пылью.

Стоит отметить, что во многих климатических зонах (включая умеренные и тропические) загрязнение ФЭМ происходит не в сухом виде, а с присутствием влаги, которая сопровождается утренней росой, туманом, дождём с последующим высыханием. Влага в этом случае значительно усиливает адгезию загрязняющих частиц к поверхности модуля, особенно мелкодисперсные фракции [7, 8]. Это приводит к образованию более стойких отложений, которые будет тяжелее удалить естественным (дождь, ветер) или даже механическим способом.

Целью исследования является количественная оценка влияния минерального состава песчаных отложений на электрические параметры поликристаллического ФЭМ в полевых условиях. В частности, проведение сравнительного анализа снижения точки максимальной мощности при загрязнении карьерным и кварцевым песчаным составом, нанесённым на влажную поверхность модуля для выявления связи между типом загрязнителя и параметрами работы ФЭМ.

Методы и ход работы

Для имитации типичных природных условий, при которых осаждение песчаных частиц происходит на влажную поверхность (например, после утренней росы или дождя), образцы массой по 50 г. наносились на предварительно увлажнённую поверхность ФЭМ.

В качестве исследуемого образца использовался поликристаллический фотоэлектрический модуль BSP 32–100 производителя Jingyang PV, параметры которого представлены в табл. 1. Во время всех испытаний модуль устанавливался под углом 55,3° (что соответствует географической широте города Челябинска). Стоит отметить, что электрическая схема рассматриваемого ФЭМ была разделена на две секции по 16 ячеек и для каждой секции поставлен шунтирующий диод с рабочим током до 15 А для имитации работы двух модулей. Температура воздуха составляла 16°C, уровень солнечной инсоляции изменялся в диапазоне 470–480 Вт/м². Скорость ветра была равна нулю.


Рис. 1. Рассматриваемые опытные образцы (а — кварцевый песок, б — карьерный песок)

На рис. 1 представлены два опытных песчаных образца в пятикратном увеличении. Квадратная ячейка соответствует размеру 0,280×0,280 мм. Как видно из рис. 1, карьерный состав отличается наличием глиняной примеси. Размер частиц карьерного песка в среднем составляет 0,284 мм, в то время как кварцевый песок отличается своей чистотой и средним размером частиц, равным 0,211 мм.

Ход работы:

1. Фиксирование контрольной ВАХ.

2. Нанесение первого состава на влажную поверхность по всей площади модуля.

3. Фиксирование ВАХ.

4. Хаотичное (частичное) нанесение состава.

5. Фиксирование ВАХ.

6. Смывание всего состава с поверхности без дополнительных механических средств и ожидание полного высыхания (имитация дождя в полевых условиях).

7. Фиксирование ВАХ.

Все пункты также повторяются и для второго образца.

Результаты

На рис. 2 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) при нанесении карьерного песка для рассматриваемых этапов с указанием точки максимальной мощности (Maximum Power Point, MPP) каждой характеристики. Из рис. 2 видно, что наличие примеси глины влияет на адгезию остаточных частиц к поверхности после полной очистки. Происходит снижение значения точки максимальной мощности с 40,05 Вт (контрольная ВАХ) до 37,5 Вт. Наличие ступени на характеристике при распылении на всю поверхность объясняется тем, что слой неравномерен.


Рис. 2. ВАХ при нанесении карьерного песка на поверхность ФЭМ

На рис. 3 представлена ВАХ с нанесением кварцевого песка. Из рис. 3 видно, что в этой ситуации (кварцевый песок) после полной очистки песка, ввиду отсутствия примесей, выходная мощность снизилась не так существенно (на 0,93 Вт) по сравнению с карьерным песком (на 2,55 Вт).


Рис. 3. ВАХ при нанесении кварцевого песка на поверхность ФЭМ

По форме характеристик с кварцевым песком можно сказать, что благодаря меньшей массе и размеру частиц распределение происходит равномерно, в связи с этим наблюдается сильное снижение значения точки максимальной мощности (на 15,9 Вт) по сравнению с карьерным песком, где оно составило 7,14 Вт при условии нанесения образцов на всю поверхность.

Неоднородность поведения частиц разного состава можно объяснить следующим образом. Кварцевый песок в чистом виде по своему составу гидрофобен, но его поверхность может быть частично гидрофильной из-за микротрещин и наличия различных примесей. В составе карьерного песка, как правило, содержатся глиняные примеси и минералы, которые являются гидрофильными и при увлажнении могут набухать, образовывать плёнки. Полученные параметры фотоэлектрического модуля по ВАХ для двух составов представлены в табл. 2.

Данные результаты могут быть полезны для разработки рекомендаций по составлению планов технического обслуживания ФЭМ на солнечных электростанциях в условиях повышенного накопления песчаных частиц на поверхности модулей, а также для модернизации систем очистки с учётом специфики местных климатических условий.

Заключение

В ходе полевых экспериментов с поликристаллическим ФЭМ при естественном освещении показано, что минеральный состав песчаных отложений оказывает влияние на электрические показатели модуля. При одинаковой массе загрязнения (50 г) и нанесении на влажную поверхность карьерный песок вызвал снижение значения точки максимальной мощности на 17,32%, в то время как кварцевый песок вызывает падение на 35,51% при нанесении на всю поверхность модуля. Полученные результаты подтверждают, что не только количество, но и тип минеральных отложений оказывают различное влияние на электрические показатели ФЭМ.

Отложение песчаных частиц в основном приводит к локальному затенению участков ФЭМ, интенсивность которого зависит от размера и плотности отложений. Также определено, что дисперсность частиц играет важную роль, в данном случае у кварцевого состава она выше, чем у карьерного. При нанесении происходит образование равномерного слоя, который препятствует проникновению солнечных лучей подобно затенению.

Будущие направления исследований могут быть сосредоточены на экспериментах для различных климатических условий по осаждению пылевых / песчаных частиц. Безусловно, проведение реального отбора проб и анализа пыли на поверхности фотоэлектрических панелей в различных регионах и на различных типах ФЭМ в реальных условиях будет иметь большую ценность.