太陽(yáng)能電池板和侵蝕的基本研究

可再生技術(shù)，如聚光太陽(yáng)能反射鏡、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、生物質(zhì)能、水力渦輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)等，已被證明是全球能源需求增加的可持續(xù)解決方案。2015年，可再生能源占全球能源消耗的19.3%（來(lái)源：21世紀(jì)可再生能源網(wǎng)絡(luò)）。如圖1所示，2016年可再生能源總產(chǎn)量為2017GW，其中太陽(yáng)能光伏（PV）技術(shù)貢獻(xiàn)了303GW的份額，低于風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的487GW。然而，太陽(yáng)能的增長(zhǎng)速度大于風(fēng)能。例如，2016年太陽(yáng)能光伏占可再生能源新基礎(chǔ)設(shè)施的47%。

圖 1.2016年可再生能源生產(chǎn)。

太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能發(fā)電（光伏和太陽(yáng)能反射鏡）以其不足20%的能源效率而聞名。與風(fēng)力渦輪機(jī)相比，太陽(yáng)能技術(shù)的效率較低，但它們被認(rèn)為具有更好的可靠性、無(wú)污染(聲音)和易于維護(hù)。然而，灰塵的積累(污染)和沙粒的重復(fù)沖擊(侵蝕)影響了太陽(yáng)能電池板的性能(圖2)。

圖 2.玻璃板保護(hù)太陽(yáng)能光伏板暴露在灰塵(污染)和固體顆粒侵蝕

玻璃板用于保護(hù)太陽(yáng)能光伏板。光通過(guò)玻璃透射，并在到達(dá)光伏電池之前被玻璃反射。為了改善透光性，使用抗反射涂層，但它們?nèi)菀资艿酱箫L(fēng)攜帶的沙粒的侵蝕。此外，太陽(yáng)能電池板上灰塵的積聚（污染）會(huì)影響光的傳輸，但污染是一個(gè)可逆的過(guò)程。

在聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠中，鏡子被用作反射器來(lái)加熱水和產(chǎn)生蒸汽，以推動(dòng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。由沙粒引起的反射器侵蝕將導(dǎo)致光的擴(kuò)散，降低鏡面反射率，而鏡面反射率是產(chǎn)生蒸汽所必需的(圖3)。然而，這種侵蝕是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的因素，會(huì)降低太陽(yáng)能發(fā)電廠的能源效率。

圖 3.未損壞的鏡子的鏡面反射率（A）和由于侵蝕引起的漫射反射率。

侵蝕

侵蝕是由固體顆粒的沖擊引起的材料逐漸損失而產(chǎn)生的磨損過(guò)程。磨損機(jī)制可分為脆性失效或延展性失效模式。脆性破壞是由斷裂引起的，而延展性失效涉及嚴(yán)重的塑性變形。延展性破壞的表面特征包括犁耕、剪切、波紋和唇行形成。然而，在固體顆粒撞擊引起的脆性破壞后，在表面上觀察到碎裂，表面坑和裂縫。侵蝕，通常表示為每克固體顆粒的重量損失，是材料特性（硬度，流動(dòng)應(yīng)力，韌性，彈性模量）操作參數(shù)（質(zhì)量，尺寸，形狀，顆粒速度，沖擊角度）和環(huán)境條件（濕度和溫度）的函數(shù)。調(diào)查這些因素在侵蝕中的作用有助于更好地了解侵蝕的機(jī)制。

杜康氣固侵蝕測(cè)試儀

鏡子、玻璃和抗反射涂層作為反射器，是暴露于灰塵（或固體顆粒沖擊）的脆性材料。在這種情況下，脆性失效主導(dǎo)了材料的損失。固體顆粒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為塑性變形，磨損和斷裂（圖4）。

圖 4.脆性材料的侵蝕。固體顆粒和基體在90°（A）處的赫茲接觸，由于位錯(cuò)（B），裂紋的擴(kuò)展和切削形成（D），在接觸周圍引發(fā)裂紋。

1978年，Evans等人在單粒子侵蝕研究中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定了引發(fā)裂紋所需的臨界粒子速度。如式1所示，臨界速度(V)與斷裂韌性(K)、顆粒半徑(r)、硬度(H)和顆粒密度(ρ)有關(guān)。

等式 1

其中，k 是常數(shù)，x、y、z 分別是韌性、硬度和密度的冪指數(shù)。

可以假設(shè)，當(dāng)粒子速度低于臨界速度時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

等式2，由Wiederhorn等人給出。在1979年，可用于計(jì)算固體粒子在接觸后攜帶質(zhì)量（m）所施加的力（F）。

等式 2

其中，V 是粒子速度。

這個(gè)力是裂紋擴(kuò)展和剝落的原因。

一般來(lái)說(shuō)，Wiederhorn等人提出的彈塑性理論可以用來(lái)估計(jì)脆性材料的沖蝕磨損率(E)，如公式3所示。

等式 3

其中，k 是常數(shù)，a、b、c、d 和 e 是冪指數(shù)。

在脆性材料中，雖然沖蝕磨損是由斷裂引起的，但由于顆粒在極低角度(如15°)的沖擊下發(fā)生一定程度的塑性變形。這里，侵蝕磨損率可以用Sheldon等人在1972年提出的模型來(lái)估計(jì)，如等式4所示。

等式 4

除了較低的顆粒沖擊角外，從脆性到延展性失效的轉(zhuǎn)變是由顆粒尺寸引起的。顆粒越小，裂紋產(chǎn)生的臨界速度越小，由式1可知。這可能會(huì)在表面造成一定程度的犁耕，這是延性破壞的一種特征。

太陽(yáng)能發(fā)電廠的沖蝕

在太陽(yáng)能發(fā)電廠中，沖蝕程度是通過(guò)太陽(yáng)能反射器的鏡面反射率損失和太陽(yáng)能光伏玻璃及其抗反射涂層的光透射損失來(lái)測(cè)量的。Bouzid等人的一項(xiàng)研究。（J. Eur. Ceram.Soc.， 2000， 20： 481488）已經(jīng)證明，玻璃的侵蝕會(huì)導(dǎo)致其光傳輸損失高達(dá)36%。Karim等人最近的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模沖蝕測(cè)試。（Solar Energy， 2015， 118：520532）已經(jīng)顯示出鏡子的鏡面反射率損失與幾個(gè)沖蝕參數(shù)（如粒子速度、大小、形狀和撞擊角度）之間的關(guān)系。此關(guān)系的摘要如表 1 所示。

表 1.利用實(shí)驗(yàn)室尺度沖蝕測(cè)試儀測(cè)定的鏡面反射率損失與侵蝕試驗(yàn)參數(shù)之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的沖蝕測(cè)試對(duì)于快速篩選耐侵蝕材料至關(guān)重要。用于此目的的測(cè)試儀應(yīng)滿足兩個(gè)基本要求，如下所述：

1.再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)場(chǎng)條件，如溫帶、粒徑、粒速、沖擊角度、通量等。根據(jù)Ducom Instruments的文獻(xiàn)調(diào)查，這些現(xiàn)場(chǎng)條件按表2所述制成表格。

2.精確控制和測(cè)量操作參數(shù)，以獲得可重復(fù)的沖蝕性磨損。

表 2.基于Ducom Instruments文獻(xiàn)調(diào)查，描述影響太陽(yáng)能發(fā)電廠沖蝕的參數(shù)。

單顆粒沖蝕

預(yù)測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電廠中組件的使用壽命對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)和維護(hù)至關(guān)重要。固體顆粒沖擊表面的沖蝕試驗(yàn)是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，難以模擬。然而，單個(gè)顆粒侵蝕測(cè)試，例如在劃痕測(cè)試儀中使用壓頭（圖5）可能更有用，并且可以補(bǔ)充使用沖蝕測(cè)試儀獲得的結(jié)果。

圖 5.固體顆粒在空氣射流沖蝕測(cè)試儀中與基板接觸的隨機(jī)過(guò)程（A）和固體顆粒與劃痕測(cè)試儀（B）中的子行程的系統(tǒng)過(guò)程。

劃痕測(cè)試儀可以更好地控制和測(cè)量單個(gè)顆粒動(dòng)力學(xué)，例如滑動(dòng)速度，滑動(dòng)距離，穿透深度，沖擊力，單個(gè)或多個(gè)劃痕以及與基板接觸的顆粒尺寸/形狀。此外，還可以通過(guò)獲取摩擦力和穿透率來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量基板對(duì)顆粒接觸的響應(yīng)。劃痕測(cè)試儀中的聲發(fā)射傳感功能可用于測(cè)量劃痕過(guò)程中產(chǎn)生的任何裂紋。