干旱沿海环境中尘埃成分对光伏性能影响的实验与建模研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Experimental and Modeling Study of Dust Composition Impact on Photovoltaic Performance in Arid Coastal Environments

效率下降与粉尘密度、成分及环境湿度、空气质量指数（AQI）显著相关，提出改进的Kaldellis-Kapsali模型（R2>0.95）预测效率损失，建立4.0 g/m2的维护阈值，建议采用疏水涂层和耐热材料应对沙特阿拉伯Jubail地区复合型环境挑战。

　　在沙特阿拉伯的朱拜尔，一个典型的干旱沿海地区，研究人员开展了一项研究，探讨了尘土成分、湿度和空气质量对光伏（PV）系统性能的影响。这项研究对四种尘土类型（蒙脱石、高岭土、膨润土和天然尘土）进行了系统性的沉积实验，并在不同表面密度（1.0至7.0 g/m2）下，于2025年9月在受控的户外条件下进行了测试。同时，研究人员持续监测了大气参数，如相对湿度、空气质量指数（AQI）和表面温度。研究结果表明，天然尘土对光伏系统造成了最大的功率损失（在6 g/m2时达到48%），而蒙脱石则产生了最高的热应力（表面温度达到40.4°C）。湿度超过60%时，进一步加剧了效率损失（15–30%），因为增强了尘土附着和湿度引起的导电路径。改进后的Kaldellis–Kapsali指数模型（R2 > 0.95）准确预测了效率随尘土密度和成分的非线性下降。日变化分析显示，尘土在低湿度的早晨时段（8:00–12:00）生成最为显著，下午效率下降20–25%是由于湿度和AQI增加导致的。相关性分析指出，AQI（R = ?0.83）是性能退化的更强预测因子，比湿度（R = ?0.77）更为重要。这些发现确立了关键的维护阈值（4.0 g/m2尘土密度），并支持了定制化的缓解策略的开发，包括疏水涂层和热阻材料，以实现在恶劣沙漠气候下的可持续光伏运行。

光伏系统作为全球可再生能源战略的重要组成部分，直接将阳光转化为电能，提供了一种可持续的替代化石燃料的方式。其在高太阳能辐射地区，如干旱和半干旱地区，得到了广泛应用，因为这些地区阳光充足且稳定。然而，这些地区也带来了独特的环境挑战，显著影响了光伏系统的性能。其中，尘土堆积、湿度和空气质量波动是关键因素，它们导致效率下降并减少系统的寿命。太阳能的潜力巨大，地球每年接收约3,400,000 EJ的太阳能，而到达地球表面的总太阳通量约为1.08 × 10? W，太阳常数则为1,367 W/m2。

尽管已有大量研究探讨了单一压力因素的影响，但在像沙特阿拉伯朱拜尔这样的沿海干旱环境中，这些因素的协同效应仍缺乏深入研究。本研究通过回顾过去关于光伏性能退化的文献，识别了研究中的知识空白，并概述了当前研究的目标，以解决这些不足。向太阳能的转型受到其在缓解气候变化和满足日益增长的能源需求方面的潜力的推动。

从2005年到2018年，全球温室气体排放增加了23%，导致了诸如地表温度上升等环境问题。因此，许多国家开始转向安装后无排放的可再生能源。到2022年，全球太阳能装机容量已超过1太瓦（TW），中东、北非和亚洲的沙漠地区成为大规模安装的首选，因为这些地区具有高太阳能潜力。然而，干旱和沿海环境虽然阳光充足，但也使光伏系统面临严酷的条件。尘土风暴、高湿度和温度极端现象频繁出现，形成了一种悖论：最佳的太阳能资源与环境压力因素共存，这些压力因素显著降低了能源输出。例如，在沙特阿拉伯，尘土沉积可以在几周内使光伏效率降低20–40%。湿度超过60%时，会加剧尘土附着，使损失更加严重。沙特阿拉伯拥有丰富的太阳能资源，代表了这一太阳能潜力的典型例子。该国在不同地区每年的直接正常辐照度（DNI）值范围在1,900到2,500 kWh/m2/年之间。该国的“2030愿景”计划设定了雄心勃勃的可再生能源目标，计划到2030年通过可再生能源生产50%的电力，太阳能在这一转型中发挥着关键作用。

太阳能在提供可持续和可再生的能源解决方案中扮演着重要角色，减少对化石燃料的依赖，并有助于环境保护。早期的研究表明，尘土的组成，如二氧化硅、碳酸钙或有机物，对光的透射率有不同的影响。例如，碳酸钙（CaCO?）会反射紫外线，而氧化铁（Fe?O?）会吸收红外辐射，提高面板温度。这些发现得到了Sarver等人的证实，他们将尘土分为“反射性”（如二氧化硅）和“吸收性”（如富含铁的尘土）两种类型，每种类型都有不同的退化机制。在沙漠地区，天然尘土通常含有高比例的二氧化硅（SiO?）和氧化钙（CaO），如阿拉伯半岛的研究所示。这些矿物质在有湿度的环境下形成结合层，产生类似水泥的薄膜，难以去除。例如，Al-Hasan等人报告称，在科威特，富含钙的尘土因具有吸湿性而使光伏效率降低了35%。类似地，在亚利桑那州，Sayigh等人发现，二氧化硅为主的尘土在六周内使输出下降了50%。这些研究突出了在开发缓解策略时分析尘土矿物学的重要性。湿度通过作为结合剂加剧了尘土相关的退化。当相对湿度超过60%时，尘土颗粒与光伏表面之间的毛细作用增强，形成耐用的层，抵抗风或手动清洁。这种现象被Maghami等人量化，他们在马来西亚观察到，湿度超过70%时，尘土附着增加了30%，导致功率输出下降25%。尘土成分与湿度的相互作用进一步复杂化了这一问题。例如，膨润土——在干旱地区常见的尘土成分——在潮湿条件下会膨胀，增加其遮光能力。此外，吸附在光伏表面的水分子会形成寄生电气路径，减少电荷载体的迁移并增加复合率。在印度沿海地区的一项研究显示，湿度引起的表面水分减少了开路电压（Voc）12%，与尘土沉积无关。这些发现突出了湿度的双重作用：它增强了尘土附着，并直接损害了电气性能。

空气质量，通常通过空气质量指数（AQI）进行测量，通过光散射和污染影响光伏效率。高浓度的PM2.5和PM10颗粒——常见于工业活动频繁或尘土风暴多发的地区——在到达面板表面之前减弱了入射的太阳辐射。在研究中，Anna等人对北京进行了建模，发现PM2.5浓度超过150 μg/m3时，辐照度减少了18%，这与光伏输出的15%下降相关。同样，在开罗，Elminir等人发现，来自城市污染的空气颗粒与尘土相关损失叠加，导致年度能量产量减少22%。尘土沉积和空气颗粒的共同影响为光伏系统带来了“双重惩罚”。例如，在一项结合实验和计算方法的研究中，Darwish等人展示了在迪拜，尘土和气溶胶散射协同作用使效率减少了35%。这些结果强调了将空气质量监测纳入光伏性能评估的重要性。

干旱和沿海环境虽然阳光充足，但也使光伏系统面临严酷的条件。尘土风暴、高湿度和温度极端现象频繁出现，形成了一种悖论：最佳的太阳能资源与环境压力因素共存，这些压力因素显著降低了能源输出。例如，虽然Javed等人研究了湿度在尘土附着中的作用，但他们没有考虑特定尘土矿物行为如何与季节性湿度变化相互作用。第二，区域尘土成分——如沙特阿拉伯常见的富含铁的蒙脱石——很少被分析其独特的热和光学影响。第三，很少有研究提供可操作的维护阈值，如清洁变得关键的尘土密度（如最近的研究建议的4.0 g/m2）。本研究通过探讨四种尘土类型（蒙脱石、高岭土、膨润土和天然尘土）在朱拜尔的湿度和空气质量波动下对光伏性能的影响，填补了这些空白。通过使用SEM/EDX分析、受控沉积实验和环境监测，我们旨在：

1. 量化特定尘土矿物成分导致的效率损失。
2. 识别湿度和尘土密度的阈值，触发非线性退化。
3. 将空气质量（AQI）与辐照度减弱和功率损失相关联。
4. 提出基于尘土矿物学和气候模式的区域特定缓解策略。

本研究的发现对优化干旱沿海地区的光伏维护具有实际意义。通过将尘土成分与退化机制联系起来，利益相关者可以优先安排清洁时间或选择适合主导矿物的涂层。例如，疏水涂层可能缓解钙丰富环境中的湿度驱动附着，而铁丰富地区可能从热阻材料中受益。后续章节详细介绍了朱拜尔的实验设置，包括尘土特征分析、沉积方法和环境监测协议。结果通过过去文献的视角进行分析，讨论重点强调矿物学、湿度和空气质量之间的相互作用。结论将这些见解综合为可操作的建议，推进了在环境脆弱地区可持续太阳能的目标。

实验部分的设置采用了四种不同的尘土样本：蒙脱石、高岭土、膨润土和天然尘土。这些尘土样本用于评估其对光伏性能的影响。蒙脱石、高岭土和膨润土黏土从Bata印度有限公司的Patnagar工厂采购，作为工业和学术研究中常见的矿物粉末。每种样本都经过认证，确保纯度≥99%，并被筛至≤45 μm的颗粒大小，以实现均匀的应用。天然尘土样本是从朱拜尔的玻璃表面手动收集的，以代表干旱城市环境中真实的颗粒沉积。尘土质量每单位面积被精确控制，使用高精度电子天平，灵敏度为±0.001 g。经过灭菌的石英玻璃板（尺寸：75 × 25 × 1 mm）被用作热测量的测试基板。所有尘土的均匀性和粒度通过SEM成像确认，确保所有测试阶段中代表性且可重复的表面覆盖。

实验设置在朱拜尔，沙特阿拉伯——一个干旱、尘土多的沿海城市——进行，该地区频繁经历风尘、高湿度和温度波动，这些环境因素影响光伏系统。研究在两个主要地点进行，其中一个是在朱拜尔工业城，地理坐标为27°00'N和49°40'E，海拔6米，根据K?ppen气候分类为BWh（热沙漠气候）。该地点具有沿海城市的特点，经常经历尘土事件，这对研究环境条件具有重要意义。选择了一个20W的多晶硅光伏板进行户外性能测试，并安装在屋顶，固定倾斜30度，面向南方，以最大化太阳辐射暴露。研究在两个不同的时间段进行：2025年9月15日至29日和9月9日至24日，以捕捉大气条件的变化。光伏板暴露在无遮挡的开放天空条件下，以反映现实世界的操作场景。这一地点允许自然尘土沉积和与阳光、环境温度和湿度的直接相互作用。目标是模拟在该地区常见的光伏系统，并评估自然发生的环境条件如何随时间退化效率，特别关注空气质量对能量生产的影。

研究在2025年9月15日至29日和9月9日至24日这两个不同的时间段内，分别对尘土沉积和空气质量的变化进行分析。研究发现，光伏板在清洁条件下达到最高的效率（11.57%），而在尘土密度增加至6 g/m2时，效率显著下降。这种趋势表明，尘土沉积会随着其成分和环境条件的变化而产生不同的影响。例如，天然尘土因其高含量的二氧化硅和氧化钙，表现出较高的光散射潜力，从而在较低的沉积密度下导致更显著的效率下降。相比之下，蒙脱石因含有较高的铁含量（62.67%），导致表面温度升高，这在实验中得到了证实。研究通过 SEM/EDX 分析、受控沉积实验和环境监测，揭示了不同尘土类型对光伏性能的具体影响。实验结果表明，尽管所有尘土类型都会导致效率下降，但天然尘土的影响最为显著，尤其是在高沉积密度下。这一发现强调了了解地区尘土成分对于评估和维护光伏系统效率的重要性。

通过使用 SEM/EDX 技术，研究人员能够详细分析尘土样本的物理和化学特性。蒙脱石、高岭土、膨润土和天然尘土样本被准备并安装在铝制托架上，使用碳粘合剂固定。SEM 成像提供了表面形貌和颗粒大小的信息，而 EDX 分析揭示了元素组成。结果表明，天然尘土富含二氧化硅（SiO?）、氧化钙（CaO）和少量铁（Fe），表明其具有较高的光散射潜力。相比之下，蒙脱石表现出较高的铁含量（62.67% Fe），表明其热吸收能力增强。这些成分差异有助于解释每种尘土类型在沉积在光伏表面时的光学和热性能变化。了解这些特性对于将空气中颗粒物的物理特征与它们对光伏板效率的影响相关联至关重要。

实验结果还表明，高湿度条件下光伏效率下降更为显著，尤其是在相对湿度超过60%时。这种湿度水平增强了尘土附着，导致效率损失增加。通过使用红外测温仪和 lux 计，研究人员能够精确测量光伏板的表面温度和光强度。研究发现，尽管所有尘土类型都会导致效率下降，但天然尘土的影响最大，其导致的效率下降率显著高于其他类型。这种差异可能与天然尘土的成分多样性有关，如颗粒大小和组成的变化，这使得其在实际运行中成为主要的威胁。因此，了解区域尘土成分对于评估和维护光伏系统效率至关重要。

研究还发现，湿度和空气质量指数（AQI）对光伏效率的影响具有协同效应。在某些情况下，AQI的升高可能比湿度的升高对效率的影响更为显著。例如，当AQI超过160时，光散射和表面污染共同作用，使转换效率下降至10%以下，即使在中等尘土沉积密度下。这表明空气质量对光伏效率的影响具有双重机制：一方面，大气中的颗粒物减弱了入射的太阳辐射，另一方面，这些颗粒物沉积在光伏板表面，进一步阻碍了光的传输。研究还表明，尽管湿度和AQI都会导致效率下降，但AQI的影响更为显著，这与全球范围内的实验分析一致。

研究还探讨了不同尘土类型对光伏板温度的影响。通过使用红外测温仪，研究人员发现，蒙脱石因含有较高的铁含量，导致其吸收太阳辐射的能力增强，从而使光伏板的温度上升。而高岭土虽然在前表面温度升高（40.3°C），但其后表面温度相对较低（39.1°C），表明其热传导能力较弱。膨润土和天然尘土则表现出相对平衡的热行为，前表面和后表面的温度分别接近39.9°C和39.2°C，以及39.8°C和39.7°C。这些温度差异可能与尘土的化学和物理特性有关，如颜色、吸收能力、矿物含量和颗粒大小。尘土覆盖的表面温度取决于太阳辐射的强度，而温度变化又受到空气温度、湿度、反照率、土壤颜色和土壤比热容等因素的影响。土壤具有中等比热容，这使其能够吸收和储存热能。高岭土和蒙脱石薄膜表现出较高的温度，表明富含黏土的尘土可能比其他类型的尘土更具有吸收热能的能力。相比之下，天然尘土和膨润土表现出相对温和的温度升高，这可能与其成分多样性有关，这使得其对直接能量吸收的减少。尘土的成分通过EDX分析确定，结果在表格中呈现。

研究还分析了尘土和湿度对光伏性能的比较影响。实验结果表明，天然尘土沉积导致了高达48%的光伏板效率下降。这一发现与Al-Sharafi等人在利雅得的类似研究结果一致，他们报告称，在类似的沉积条件下，二氧化硅丰富的尘土导致了45-50%的效率损失。研究结果还显示，高湿度条件（>60% RH）下光伏效率下降了15-30%，这超过了Javed等人在内陆沙漠地区研究的10-20%范围。这种差异可能源于朱拜尔的沿海环境，其中海洋气溶胶与吸湿性尘土成分（特别是氧化钙）的结合，导致更强的水分吸附和水泥化效应。通过EDX分析确定的天然尘土样本中的氯化物离子（5.16 wt%）进一步支持了这种沿海特定的行为，因为这些盐分已知会增强水分吸附。此外，研究还发现，蒙脱石在高温下的热效应显著，但朱拜尔的沿海风（平均4.2 m/s的海风）提供了额外的对流冷却，这在内陆地区并不存在。这种热调节效应虽然对光伏效率有益，但也可能被盐载风引起的尘土附着所抵消。

研究的结论指出，尘土成分、湿度和空气质量在干旱沿海环境中对光伏性能的退化起着关键作用。通过SEM-EDX分析，研究确定了不同的尘土成分与性能退化之间的直接关联。天然尘土，由于其高含量的二氧化硅和氧化钙，被证明是最有害的污染物，通过光散射和吸湿性水泥化作用，在6 g/m2的沉积密度下导致了48%的功率损失。钙丰富成分在沿海环境中尤为突出，因为高环境湿度将松散颗粒转化为难以去除的附着层。相比之下，蒙脱石的高铁含量主要通过热退化机制表现出来，这使得光伏板表面温度上升至40.4°C，从而通过增强电子-空穴复合率降低了开路电压。湿度被证明是一个关键的放大因素，而不是独立的压力源，当相对湿度超过60%时，效率下降15-30%。这一阈值标志着从可逆污染到水泥化附着的转变，其中毛细作用足以使尘土颗粒与光伏板表面结合，抵抗风驱动的去除。日变化分析表明，最佳的功率生成发生在低湿度的早晨时段（8:00–11:30 AM，效率约为12-13%），而下午时段由于湿度增加，导致效率下降20-25%，这表明湿度和水分引起的寄生电气路径通过表面凝结加剧了效率损失。这种时间模式突出了需要与日常湿度周期同步的适应性清洁策略的重要性。

空气质量评估显示，空气污染对性能退化有显著影响，AQI与效率之间的相关性（R ≈ ?0.86）比湿度（R ≈ ?0.78）更强。当AQI超过160时，空气颗粒的光散射和表面污染共同作用，使转换效率下降至10%以下，即使在中等尘土沉积密度（3–4 g/m2）下。这一发现突出了“双重惩罚”机制，即大气颗粒物在到达光伏板表面之前减弱了入射的太阳辐射，同时作为污染层进一步阻碍了传输。综合分析表明，尽管湿度和空气污染都会对光伏效率产生负面影响，但AQI的影响更为显著，因为它通过大气衰减和光伏板表面的物理污染起作用。这些结果支持了全球研究结果，强调了通过定期清洁和监测环境空气质量来减轻输出损失并提高长期系统可靠性的必要性。