2.1　中国自然环境和适用光伏组件的典型环境

我国绝大部分大型光伏电站都分布在西北地区：一是因为该地区的大气层透过率高，全年晴天多，遮挡少，光照条件充足，为大规模光伏发电提供了有利的条件；另一方面是因为这些地区地广人稀，拥有丰富、成本较低的土地资源。西北地区是我国沙漠和荒漠化最为严重的地区，同时也是沙尘暴比较严重的地区。根据相关文献统计，我国的戈壁、沙漠及荒漠化土地约为17200km2，占我国总陆地面积的17.3%左右[1-4]。荒漠化地域与太阳能资源相对丰富的区域均分布在西北部，除青藏高原外，我国荒漠化的区域与太阳能辐照量丰富的区域大多相互重叠。

太阳能是最重要的可再生能源之一。近年来，光伏组件的性能改善和衰退效应、光伏系统的使用和稳定性成为人们关注的焦点[5-12]。环境条件（如扬尘、沙尘暴、冰雹、风速、空气污染、气温）、安装因素（如倾斜角、安装地点等）都影响着光伏组件的性能和光伏系统的输出功率[13-18]。特殊恶劣的室外砂尘环境，例如在沙漠地区出现的沙尘暴，高速行驶的车辆卷起的砂尘等都会改变光伏电站周围的局部环境，空气和砂尘的流动会对光伏组件产生影响。

近年来，由于光伏系统的发展，大量的研究工作都集中在研究砂尘对光伏组件和系统的影响上。砂尘的积累不仅影响太阳能光伏组件的性能，而且会由于影响太阳辐射强度、表面温度和产生局部遮光从而降低组件的寿命。Salari用数值方法研究了砂尘沉降对光伏电站系统性能的影响[20]。Lu等人用数值方法研究了砂尘粒径、不同释放颗粒量和重力对砂尘沉积速率的影响[21]。Abderrezek等人研究了砂尘粒径类型的沉积对光伏组件的影响[22]。Gholami等人通过总结影响积尘的因素，研究了积尘对光伏组件输出电流的影响[23]。Lorenzo等人在位于卡塔赫纳的一个2MW光伏电站进行了研究，发现由于砂尘的部分阴影，光伏电站的电压损失比短路损失大好几倍[24]。H. Qasem等人研究了倾斜角度对科威特地区太阳电站位置的砂尘浓度和光谱透射率的影响，发现光伏组件的砂尘积累变化较大，为1.4mg/cm2，大部分砂尘沉降到样品底部[25]。

不同的环境条件对砂尘的沉降速率均有影响。砂尘沉降速率取决于砂尘的化学性质、大小、形状和重量。太阳能光伏系统周围的风场十分复杂。Lu等人采用计算流体动力学（CFD）的方法对不同风速对光伏组件性能的影响进行了数值预测和分析[21]。在中国西北部、印度、非洲、中东、南美和北美等沙漠地区，沙尘暴会导致光伏组件运行效率低下。恶劣的环境条件会导致电池片隐裂，甚至玻璃封装也会破裂。在沙漠地区，光伏电站的装机容量每年都有相当大的增长，因此开发能够经受高风速砂尘强烈冲击的光伏组件并为此提供高风速砂尘检测是非常必要的。目前关于强风携带的砂粒对太阳能光伏组件性能影响的报道较少。随着光伏组件减反射膜的应用越来越广泛，砂尘检测可以作为判断涂层质量的标准之一。目前灰尘对光伏组件性能的影响已经有系统的研究，但高风速砂尘对光伏组件性能的影响，由于受到检测条件的限制，尚没有系统的研究。而高风速砂尘颗粒对光伏组件前后表面的刻蚀，是光伏组件保持长期发电性能的最大挑战，特别是在风沙侵蚀严重的中国西北部地区。如何降低砂尘对光伏组件性能的影响，提升光伏组件抗击高风速砂尘刻蚀的能力，是保证光伏组件光电转化效率稳定和延长使用寿命的迫切需求，因此研究高风速砂尘对光伏组件的影响具有重要意义。本章利用砂尘检测设备模拟高风速砂尘对组件的侵蚀作用，该检测也适用于模拟自然条件下的露天粉尘环境。这种砂尘耐久性检测对确定真实户外条件下光伏组件的可靠性和寿命至关重要。

以我国土地荒漠化非常严重的西北地区为例，在这里建设的大型地面光伏电站，遭遇风沙几乎是家常便饭，如图2.1所示。这也意味着沙尘暴对建成的光伏电站发电量有潜在的危害，并对投资回报率产生决定性的影响。积尘对光伏组件发电效率的影响已经得到人们足够的重视，在许多太阳能光伏电站，会对太阳能光伏组件进行清洗。在太阳能丰富的西北地区建设光伏电站，还必须考虑光伏组件耐受高风速砂尘侵袭的能力。当风沙的速度足够快时，风沙摩擦玻璃表面，可能会刻蚀光伏玻璃表面或破坏玻璃表面的减反射膜层，从而降低光伏组件的有效光入射，即使对组件进行了清洗，前光伏玻璃板的透光性也显著下降。风沙摩擦刻蚀背板表面可能会破坏背板的外层表面，使背板安全性能下降甚至失效，无法起到保护电池片的作用。风沙长期袭击组件玻璃板和背板，带来的撞击可能引起电池片破裂，焊带与电池片接触不良等影响，对设计有排气孔的接线盒而言，还会有大量的砂粒累积在接线盒内，影响二极管的性能。

图2.1　沙漠地区的大型光伏电站和沙尘暴