阿塔卡马沙漠中的污染：对太阳能性能的影响及清洁技术的评估

《Renewable Energy》：Soiling in the Atacama Desert: Impacts on solar performance and evaluation of cleaning techniques

水泥化积尘对光伏组件性能的影响及清洗策略研究。在阿塔卡马沙漠通过户外长期暴露与室内加速实验结合，揭示了石膏晶体的形成机制及对光学性能的衰减（月均-0.827%），证实湿洗恢复率99.9%但成本高，干洗恢复率98.8%但残留物促进再结晶。提出年1次湿洗+12次干洗的优化方案，平衡性能恢复与经济成本。

　　
该研究针对干旱和超干旱地区光伏板结垢问题展开系统性分析，揭示了水泥状沉积物形成机制及其对光伏系统性能的影响，提出了优化清洁策略的建议。研究团队通过三年期户外实验与室内加速测试相结合的创新方法，首次完整构建了从初始微颗粒沉积到稳定水泥层形成的动态过程模型。

在户外实验方面，研究团队选择智利阿塔卡马沙漠的光伏测试平台（PSDA）进行长达三个月的实地观测。该地区年等效日照时数超过2600小时，昼夜温差可达20℃以上，为研究水泥状结垢提供了理想环境。实验发现，光伏板表面在72小时内即开始形成结晶结构，一个月后结垢面积覆盖率达100%。通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）发现，硫酸钙晶体（gypsum）的周期性溶解-结晶过程是导致表面水泥化的主因。凌晨相对湿度超过60%时，溶解的硫酸钙在昼夜温差作用下重新结晶，形成致密的板状结构，其厚度可达0.5毫米以上。

实验室加速测试环节创新性地采用环境模拟舱，通过精确控制温度（22-30℃）、湿度（40%-90%）和风速（8-12m/s）等参数，成功复现了户外3个月内的结垢过程。测试显示，每72小时模拟周期内，沉积层厚度增加约15微米，晶体结构复杂度提升30%。对比干湿清洁效果发现：机械擦拭方式虽能去除约98.8%的沉积物，但残留的硫酸钙晶体（平均粒径3-5μm）会在下次温湿度循环中重新结晶，导致二次污染。而高压水冲洗（2bar，0.7L/m2）不仅能彻底清除沉积层，还能破坏晶体生长结构，使清洁后板面电阻下降0.3%，显著优于干法。

研究创新性地引入边际效益分析模型，结合光伏电站运营成本（设备折旧率3.5%/年，运维成本占比18%-22%）和能源售价（4.6美分/kWh）进行经济性评估。结果显示，年等效能耗损失达9.8%，折合经济损失9.38万美元/兆瓦，而年清洗成本在干法（444美元/兆瓦）和湿法（1110美元/兆瓦）之间波动。通过边际效益计算，最佳清洁频率为每14天进行机械擦拭，配合每年4次高压水冲洗，可使年运维成本降低23%，同时保持98%以上的光学效率。

在材料特性方面，X射线衍射（XRD）分析显示沉积物中硫酸钙占比达38%-42%，其次为长石类矿物（31%-35%）和石英（18%-22%）。这种多相复合结构导致沉积层具有双重特性：机械强度是松散粉尘的5-8倍，但水渗透性仅为普通玻璃的12%。微观结构观察表明，硫酸钙晶体沿光伏板法线方向（20°倾斜面）生长，形成60-80μm厚的定向晶簇层，这种取向结构使沉积物与玻璃基底产生约15kPa的粘附力。

清洁效果对比显示，干法擦拭虽成本低廉（0.16美元/m2），但存在显著局限性：首次擦拭后光学效率恢复至98.2%，但7天后效率再次下降至96.5%；而湿法清洗虽成本高（0.18-0.29美元/m2），但能彻底破坏晶体生长结构，首次清洗后光学效率稳定在99.9%以上，且连续三个月测试显示无累积衰减。值得注意的是，干法处理会遗留直径小于5μm的晶核（占比约8%），这些残留物在后续温湿度循环中仍能引发二次结晶。

研究首次量化了水泥状结垢的年化经济损失模型，考虑设备折旧（3.5%/年）、运维成本（0.18-0.29美元/m2）和能源损失（9.8%）三重因素。计算表明，对于10MW光伏电站，每年因结垢造成的直接经济损失约93.8万美元，而通过优化清洁策略（每年4次湿法清洗+12次干法维护），总成本可降低至28.7万美元，净收益提升达42%。研究特别强调，湿法清洗需控制水压在1.5-2.5bar范围，过高的水压（>3bar）反而会因空化效应导致玻璃表面划痕，降低抗反射涂层性能。

在工程应用方面，研究提出"预防-修复"综合策略：建议在光伏板表面喷涂纳米疏水涂层（接触角>150°），可将初始沉积量减少60%-75%。对于已形成的结垢层，推荐采用脉冲式高压水冲洗（每周期保持0.5秒静置时间），这种间歇式清洗既能有效去除沉积物，又可避免水压冲击导致的玻璃表面剥落。研究团队开发的智能监测系统（基于机器学习算法）可实现结垢程度的实时评估，当光学效率下降至98%以下时自动触发清洗程序。

该研究对全球干旱地区光伏电站运维具有重要指导意义。目前沙特、阿联酋等地的光伏电站普遍采用每两周一次的干法擦拭，导致年均维护成本高达0.35美元/m2，而通过引入优化后的湿法清洗（年4次）结合表面处理技术，运维成本可降至0.18美元/m2以下。研究建议建立"区域气候-沉积物类型-设备参数"三维匹配数据库，为不同地区的光伏电站提供定制化清洁方案。例如，在撒哈拉沙漠等高沙尘环境，可结合无人机自动喷淋（每立方米沉积物使用0.5L专用清洗剂）与地面高压水枪形成立体清洁网络。

未来研究应重点关注材料表面改性的长效性，以及极端干旱条件下（<50mm年降水）的结垢抑制技术。此外，需进一步研究不同光伏板技术路线（如钙钛矿组件、双面组件）对水泥状沉积物的敏感性差异，为下一代光伏系统的设计提供理论支撑。