太阳能电池板和侵蚀的基本研究
发布时间 : 2022/01/26 阅读次数 : 36 推荐产品 : {pboot:content id=}[content:title]{/pboot:content}

太阳能电池板和侵蚀的基本研究



可再生技术,如聚光太阳能反射镜、太阳能光伏发电、生物质能、水力涡轮机、风力涡轮机等,已被证明是全球能源需求增加的可持续解决方案。2015年,可再生能源占全球能源消耗的19.3%(来源:21世纪可再生能源网络)。如图1所示,2016年可再生能源总产量为2017GW,其中太阳能光伏(PV)技术贡献了303GW的份额,低于风力发电产生的487GW。然而,太阳能的增长速度大于风能。例如,2016年太阳能光伏占可再生能源新基础设施的47%。

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图 1.2016年可再生能源生产。


太阳能发电

太阳能发电(光伏和太阳能反射镜)以其不足20%的能源效率而闻名。与风力涡轮机相比,太阳能技术的效率较低,但它们被认为具有更好的可靠性、无污染(声音)和易于维护。然而,灰尘的积累(污染)和沙粒的重复冲击(侵蚀)影响了太阳能电池板的性能(图2)。

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图 2.玻璃板保护太阳能光伏板暴露在灰尘(污染)和固体颗粒侵蚀


玻璃板用于保护太阳能光伏板。光通过玻璃透射,并在到达光伏电池之前被玻璃反射。为了改善透光性,使用抗反射涂层,但它们容易受到大风携带的沙粒的侵蚀。此外,太阳能电池板上灰尘的积聚(污染)会影响光的传输,但污染是一个可逆的过程。


在聚光太阳能发电厂中,镜子被用作反射器来加热水和产生蒸汽,以推动涡轮机进行发电。由沙粒引起的反射器侵蚀将导致光的扩散,降低镜面反射率,而镜面反射率是产生蒸汽所必需的(图3)。然而,这种侵蚀是一个不可逆转的因素,会降低太阳能发电厂的能源效率。


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图 3.未损坏的镜子的镜面反射率(A)和由于侵蚀引起的漫射反射率。




侵蚀

侵蚀是由固体颗粒的冲击引起的材料逐渐损失而产生的磨损过程。磨损机制可分为脆性失效或延展性失效模式。脆性破坏是由断裂引起的,而延展性失效涉及严重的塑性变形。延展性破坏的表面特征包括犁耕、剪切、波纹和唇行形成。然而,在固体颗粒撞击引起的脆性破坏后,在表面上观察到碎裂,表面坑和裂缝。侵蚀,通常表示为每克固体颗粒的重量损失,是材料特性(硬度,流动应力,韧性,弹性模量)操作参数(质量,尺寸,形状,颗粒速度,冲击角度)和环境条件(湿度和温度)的函数。调查这些因素在侵蚀中的作用有助于更好地了解侵蚀的机制。

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杜康气固侵蚀测试仪


镜子、玻璃和抗反射涂层作为反射器,是暴露于灰尘(或固体颗粒冲击)的脆性材料。在这种情况下,脆性失效主导了材料的损失。固体颗粒的动能转化为塑性变形,磨损和断裂(图4)。


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图 4.脆性材料的侵蚀。固体颗粒和基体在90°(A)处的赫兹接触,由于位错(B),裂纹的扩展和切削形成(D),在接触周围引发裂纹。


1978年,Evans等人在单粒子侵蚀研究中根据经验确定了引发裂纹所需的临界粒子速度。如式1所示,临界速度(V)与断裂韧性(K)、颗粒半径(r)、硬度(H)和颗粒密度(ρ)有关。


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等式 1

其中,k 是常数,x、y、z 分别是韧性、硬度和密度的幂指数。

可以假设,当粒子速度低于临界速度时,不会产生裂纹。



等式2,由Wiederhorn等人给出。在1979年,可用于计算固体粒子在接触后携带质量(m)所施加的力(F)。

image.png等式 2

其中,V 是粒子速度。

这个力是裂纹扩展和剥落的原因。

一般来说,Wiederhorn等人提出的弹塑性理论可以用来估计脆性材料的冲蚀磨损率(E),如公式3所示。



image.png等式 3

其中,k 是常数,a、b、c、d 和 e 是幂指数。

在脆性材料中,虽然冲蚀磨损是由断裂引起的,但由于颗粒在极低角度(如15°)的冲击下发生一定程度的塑性变形。这里,侵蚀磨损率可以用Sheldon等人在1972年提出的模型来估计,如等式4所示。



image.png等式 4

除了较低的颗粒冲击角外,从脆性到延展性失效的转变是由颗粒尺寸引起的。颗粒越小,裂纹产生的临界速度越小,由式1可知。这可能会在表面造成一定程度的犁耕,这是延性破坏的一种特征。




太阳能发电厂的冲蚀

在太阳能发电厂中,冲蚀程度是通过太阳能反射器的镜面反射率损失和太阳能光伏玻璃及其抗反射涂层的光透射损失来测量的。Bouzid等人的一项研究。(J. Eur. Ceram.Soc., 2000, 20: 481488)已经证明,玻璃的侵蚀会导致其光传输损失高达36%。Karim等人最近的实验室规模冲蚀测试。(Solar Energy, 2015, 118:520532)已经显示出镜子的镜面反射率损失与几个冲蚀参数(如粒子速度、大小、形状和撞击角度)之间的关系。此关系的摘要如表 1 所示。


表 1.利用实验室尺度冲蚀测试仪测定的镜面反射率损失与侵蚀试验参数之间的关系。image.png


实验室规模的冲蚀测试对于快速筛选耐侵蚀材料至关重要。用于此目的的测试仪应满足两个基本要求,如下所述:


1.再现实验室中的现场条件,如温带、粒径、粒速、冲击角度、通量等。根据Ducom Instruments的文献调查,这些现场条件按表2所述制成表格。


2.精确控制和测量操作参数,以获得可重复的冲蚀性磨损。


表 2.基于Ducom Instruments文献调查,描述影响太阳能发电厂冲蚀的参数。

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单颗粒冲蚀

预测太阳能发电厂中组件的使用寿命对于产品开发和维护至关重要。固体颗粒冲击表面的冲蚀试验是一个随机过程,难以模拟。然而,单个颗粒侵蚀测试,例如在划痕测试仪中使用压头(图5)可能更有用,并且可以补充使用冲蚀测试仪获得的结果。


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图 5.固体颗粒在空气射流冲蚀测试仪中与基板接触的随机过程(A)和固体颗粒与划痕测试仪(B)中的子行程的系统过程。



划痕测试仪可以更好地控制和测量单个颗粒动力学,例如滑动速度,滑动距离,穿透深度,冲击力,单个或多个划痕以及与基板接触的颗粒尺寸/形状。此外,还可以通过获取摩擦力和穿透率来实时测量基板对颗粒接触的响应。划痕测试仪中的声发射传感功能可用于测量划痕过程中产生的任何裂纹。

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