污垢类型及环境因素对太阳能光伏板性能影响的实验研究

《Next Energy》：Experimental study of soiling type and environmental effects on the performance of solar photovoltaic panels

　　

本研究通过实验量化了在孟加拉国达卡（Dhaka, Bangladesh）这一热带城市环境（tropical urban environment）中，单晶硅光伏板（monocrystalline silicon photovoltaic panels）在户外现场条件下由污垢（soiling）引起的性能退化（performance degradation）。该环境具有多种污染物类型（contaminant types），这些类型在全球污垢文献中代表性不足。研究人员采用配对面板设计（paired panel design），在141天（2024年12月至2025年4月）内进行实验，并于2025年5月补充了农村污染物评估。研究人员依次评估了五种污垢剂（soiling agents）：自然尘埃（natural dust）、建筑粉尘（construction dust）、生物碎屑（biological debris）、木粉（wood powder）和家禽羽毛（domestic bird feathers）。家禽羽毛造成的平均性能损失最大，为40.70%，这可归因于宏观光学遮挡（macroscopic optical obstruction）以及羽毛角蛋白（keratin）光学密度的吸湿增强（hygroscopic enhancement）。木粉通过形成致密的吸湿层导致平均损失29.00%。自然尘埃、建筑粉尘和生物碎屑造成的损失相当，分别为15.80%、16.20%和16.60%，符合半透明颗粒衰减（semitransparent particulate attenuation）机制。性能退化在29°C至35°C的温度范围和41–70%的相对湿度（relative humidity）区间最为显著，并从12月到4月逐渐加剧。综合测量不确定度为±2.1%（覆盖因子k=2）。这些发现表明，与矿物颗粒（mineral particulates）相比，有机和纤维状污染物（organic and fibrous contaminants）会导致不成比例的严重且具有实际意义的性能损失，为热带南亚光伏部署中差异化、条件响应的维护策略提供了经验基础。

**论文解读：污垢类型及环境因素对太阳能光伏板性能影响的实验研究**

**研究背景**
全球电力行业正经历由脱碳要求和可再生能源成本下降驱动的空前转型。截至2024年，全球太阳能光伏装机容量已超过2200 GW，光伏技术因其可扩展性、经济性和环境友好性而被广泛认可。然而，光伏系统的实际性能受到多种环境因素的制约，其中表面污垢（soiling）是导致性能退化的重要机制之一。污垢通过反射、散射或吸收入射太阳辐射，降低到达半导体表面的辐照度，从而减少电力输出。现有文献表明，在重度污染环境中，灰尘引起的能量损失可超过30%。然而，现有研究主要集中在干旱地区或矿物颗粒（如沙尘、水泥粉尘）上，对热带南亚城市环境中特有的有机和纤维状污染物（如木粉、家禽羽毛）的系统性研究尚属空白。孟加拉国达卡（Dhaka）作为热带城市，其屋顶光伏设施暴露于建筑粉尘、季风湿气、高温和生物源材料的复杂混合物中，但缺乏针对这些特定污染物类型的性能损失量化数据。因此，开展本研究旨在填补这一空白，为热带南亚地区的光伏维护策略提供经验依据。

**研究内容与结论**
本研究在孟加拉国达卡进行了一项为期141天（2024年12月至2025年4月）的户外现场实验，并补充了2025年5月的农村污染物评估。研究人员采用配对面板设计（paired panel design），使用两块标称相同的50 W单晶硅光伏板，一块作为清洁控制板，另一块作为污染测试板。依次评估了五种代表性污垢类型：自然尘埃、建筑粉尘、生物碎屑、木粉和家禽羽毛。主要结论如下：家禽羽毛造成的平均性能损失最高（40.70%），木粉次之（29.00%），自然尘埃、建筑粉尘和生物碎屑损失相当（15.80%、16.20%和16.60%）。性能退化在29–35°C温度范围和41–70%相对湿度区间最为显著，并从12月到4月逐渐加剧。低风速（2.1 ± 0.8 m/s）不足以通过风致清洁减轻性能损失。研究还建立了基于温度和相对湿度的回归模型（R2 = 0.78–0.93），灵敏度分析表明污垢负荷（soiling load）是主导预测因子（灵敏度系数-1.25）。经济分析结合平准化能源成本（Levelized Cost of Energy, LCOE）框架，表明对家禽羽毛污染不加干预时，1 kWp屋顶系统每年可造成约63美元的综合财务与环境损失，超过每周手动清洁的成本，因此频繁维护在经济上是合理的。该论文发表在《Next Energy》。

**主要技术方法**
研究人员采用配对面板实验设计，在孟加拉国达卡（纬度23.78°N，经度90.42°E，海拔约8 m）的屋顶设施上安装两块50 W单晶硅光伏板，朝南倾斜25°±5°。通过数字万用表、钳形电流表、数字温湿度计、非接触红外温度计和风速计，每日四次（08:00、11:00、14:00、17:00）同步测量电压、电流、环境温度、相对湿度、面板表面温度和风速。性能损失定义为污染板与清洁板功率输出的相对差异，以消除环境辐照度和温度变化的影响。采用ISO GUM方法传播测量不确定度，综合扩展不确定度为±2.1%（k=2）。实验样本队列来源为达卡城市和城郊环境。

**研究结果**

**3.1 实验期间环境条件**
实验期间（2024年12月至2025年4月）环境温度从约19°C逐渐升至超过36°C，相对湿度从约36%升至84%以上，平均风速2.1 ± 0.8 m/s，低于典型颗粒再悬浮阈值，确认了污垢的累积性。

**3.2 环境因素影响**
**3.2.1 季节环境条件演变**：清洁板月平均功率从12月约48 W降至4月约38 W，与温度上升呈反比，符合单晶硅的负功率温度系数（β_p = -0.45%/°C）。
**3.2.2 温度对清洁板输出的影响**：通过二次回归拟合，清洁板功率输出随温度升高而下降，在20–30°C时近似线性下降（-0.31 W/°C），更高温度时加速下降，归因于暗饱和电流（I₀）增加和填充因子退化。
**3.2.3 湿度对清洁板输出的影响**：清洁板功率在41–70%相对湿度范围内略低，归因于水蒸气吸收散射和薄水膜引起的菲涅耳反射增加；高于78%时因部分凝结而进一步下降。

**3.3 污垢效应**
**3.3.1 温度与性能损失（自然尘埃、建筑粉尘、生物碎屑）**：在29–35°C范围内，三类污垢均出现性能损失峰值（自然尘埃20–25%，建筑粉尘和生物碎屑达28%），归因于温度加速的胶结效应和分母缩减效应（清洁板参考功率降低）。建筑粉尘热响应最陡，因其水泥颗粒在热湿循环中逐渐粘结。
**3.3.2 湿度与性能损失（自然尘埃、建筑粉尘、生物碎屑）**：在41–70%相对湿度范围内，性能损失达到峰值，归因于吸湿颗粒形成毛细桥增强粘附力；高于78%时损失趋于收敛，因部分溶解和重分布。
**3.3.3 跨季节累积**：从12月到4月，所有污垢类型的性能损失逐月增加，建筑粉尘月际加速最陡，自然尘埃较平缓，生物碎屑呈不规则波动。
**3.3.4 木粉和羽毛的温度与湿度效应**：2025年5月补充实验表明，羽毛污染板功率比清洁板低25–30%，木粉低15–20%。羽毛因三维纤维基质增加光程并抑制对流散热，导致额外热损失（约0.9–1.8%）。在55–75%相对湿度范围内，羽毛损失显著增大，归因于角蛋白的吸湿膨胀（吸湿等温线呈S形）。
**3.3.5 木粉和羽毛的性能损失与温度、湿度关系**：羽毛性能损失在30°C以上急剧增加，最高达44%（38°C）；木粉温度敏感性中等。羽毛在55–75%相对湿度时损失最大，木粉与生物碎屑表现相当。
**3.3.6 所有污垢类型的比较总结**：清洁板平均功率44.2 W；自然尘埃、建筑粉尘、生物碎屑分别降至37.2、37.0、36.8 W（损失15.80%、16.20%、16.60%）；木粉和羽毛降至31.4 W和26.2 W（损失29.00%和40.70%），表明污垢严重性不仅取决于质量负荷，更取决于颗粒形态、吸湿性和空间覆盖几何。
**3.3.7 污垢量增加对功率输出和电效率的影响及缓解路径**：半透明颗粒沉积物功率随质量负荷线性下降（约0.17 W·g?1 m2），而纤维状有机物偏离此趋势，羽毛每克质量负荷损失2.38%，是自然尘埃（0.41%）的5.8倍。建议采用基于污垢类型和特定损失阈值的条件响应清洁策略，并辅以疏水涂层、机器人干刷等预防措施。

**3.4 性能损失回归建模**
建立了各污垢类型关于温度（T）和相对湿度（RH）的二次回归模型，R2介于0.78–0.93。羽毛污染模型拟合度最高（R2 = 0.93和0.88），表明其性能损失可由环境参数最可靠地预测。

**3.5 灵敏度分析**
一次一变量（OAT）灵敏度分析表明，污垢负荷是主导模型参数（灵敏度系数-1.25），超过环境温度（-0.45）和相对湿度（-0.18），确认清洁频率是优化光伏性能最有效的杠杆。

**3.6 经济分析与优化清洁策略**
基于LCOE框架，考虑碳社会成本（70 USD/吨CO?），对羽毛污染不干预时，1 kWp系统每年损失约63 USD，超过每周清洁成本。推荐清洁间隔：自然尘埃每月，建筑粉尘和生物碎屑每两周，木粉和羽毛每周。

**讨论与结论**
讨论部分指出，纤维状有机污染物（羽毛40.70%，木粉29.00%）的性能损失显著高于现有文献中矿物颗粒物（通常10–30%），这是本研究的新颖经验贡献。与文献对比，本研究结果与El-Shobokshy和Hussein [13]等关于吸湿性污染物严重性的结论一致，但纤维状沉积物的三维几何引入了额外的光程因子。研究局限性包括单面板对缺乏重复、缺乏校准日射强度计、以及实验期未覆盖季风季节。未来研究应开展多站点重复实验、实验室光学表征、机器学习污垢检测以及系统级经济模型扩展。

**研究结论部分翻译**：
本研究量化了在孟加拉国达卡的环境和污染条件下，单晶硅光伏板由污垢引起的性能退化。通过为期141天的配对面板户外实验，评估了五种污垢类型。所有报告损失均包含±2.1%的综合扩展不确定度（k=2，95%置信度）。家禽羽毛导致最高平均损失（40.70%），其次为木粉（29.00%）。自然尘埃、建筑粉尘和生物碎屑产生的损失相近，分别为15.80%、16.20%和16.60%。性能退化在29–35°C温度范围和41–70%相对湿度区间达到峰值，并从12月到4月逐渐加剧，其中3月至4月上升最陡。低风速（2.1 ± 0.8 m·s?1）未能减轻性能损失，证实了风致自清洁在此城市条件下无效。羽毛污染和湿度的显著影响归因于三维纤维基质的形成，该结构增加了光程并捕获热边界层，此外角蛋白和纤维素的吸湿吸水也产生额外效应。这些机制与观察到的趋势一致，但未在本研究中独立验证。研究人员为所有五种污垢类型建立了基于温度和湿度的回归模型（R2=0.78–0.93）。灵敏度分析将污垢负荷确定为主导预测因子（-1.25），其影响强于环境温度（-0.45）和相对湿度（-0.18）。还进行了包含环境损害成本的平准化能源成本分析，表明对1 kWp屋顶系统未加干预的羽毛污染可导致每年约63美元的综合财务与环境损失，超过每周手动清洁成本，因此证明靠近禽类污染源时频繁维护在经济上是合理的。对于热带南亚环境中的光伏安装，这些发现强调了需要根据具体地点制定清洁间隔，并指出维护策略应考虑沉积污染物的物理特性，而不仅仅是其质量负荷。