英文原题：
Quantification of the Impact of Fine Particulate Matter on Solar Energy Resources and Energy Performance of Different Photovoltaic Technologies
通讯作者：Zhe Song and Hongxing Yang，香港理工大学建筑环境及能源工程学系;
作者：Zhe Song, Meng Wang, Hongxing Yang
摘要
内容简介
香港理工大学建筑环境及能源工程学系杨洪兴教授团队探究了环境细颗粒物（PM2.5）对地表太阳辐照和不同太阳能光伏电池发电性能的影响，发现在 PM2.5浓度超过33.5 μg/m3的条件下，晶体硅和薄膜光伏系统发电量的平均损失分别达到了7.00%和9.73%。
文章解读
背景
城市空气污染是当前全球最严重的环境问题之一。根据世界卫生组织的统计数据，2019年空气污染造成全球近700万人口早死。在众多污染物中，细颗粒物（PM2.5，环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）是最主要的大气污染物，也是造成城市雾霾的主要原因。另一方面，随着成本的降低和投资的增加，全球太阳能光伏发电装机容量在过去的十年里飞速增长。然而，空气污染对太阳能光伏发电造成的负面影响被证实是一个不可忽视的严重问题。杨洪兴教授领导的研究团队在本篇论文中关注了空气中的 PM2.5 对太阳能光伏发电的影响。除了对公众健康造成破坏性的影响外，空气中的 PM2.5 也降低了大气能见度并影响太阳辐射在低层大气的传输。因此，为更深入地了解与 PM2.5 相关的太阳能光伏资源的变化，作者团队量化了不同 PM2.5 浓度条件下的太阳辐射的衰减，同时揭示了与 PM2.5 相关的不同太阳能光伏技术发电量及系统效率的变化。
文章亮点：
图1. 不同 PM2.5 浓度条件下的光伏倾斜面总辐照与基线水平的对比 （a）0–12.0,（b）12.1–35.4，（c）35.5–55.4 μg/m3和（d）变化趋势。
由于香港亚热带气候潮湿多云的特点，研究人员通过基于相对湿度、散射系数（水平面太阳散射辐射与总辐射之比）和晴空辐射（根据 Ineichen and Perez 模型在 PVLIB-Python 中计算得到）的数据过滤程序排除了云对结果的影响，以确定晴空条件下的数据用于分析和讨论。光伏倾斜面总辐照是入射到光伏平面上的太阳辐射量，是影响光伏系统出力最重要的因素。实验发现，对于没有空气污染的基线情景，高斯拟合曲线表明每日光伏倾斜面总辐照为17.06 kWh/m2（图1）。随着空气中PM2.5浓度的增加，光伏倾斜面总辐照显著减少（图1d）。当 PM2.5 浓度达到35.5–55.4 μg/m3时，相对于基线情景的下降幅度达到了8.33%，此时的每日光伏倾斜面总辐照为15.64 kWh/m2。进一步地，光伏倾斜面总辐照遭受的与 PM2.5 相关的损失也会给在城市区域部署的太阳能光伏发电项目带来严重打击。
图2. 不同 PM2.5 浓度条件下的太阳能光伏系统的交流电能量输出和比功率发电量的比较及其相对基线水平的百分比变化。
针对空气中的 PM2.5 对不同太阳能光伏技术发电性能的影响，研究人员比较了单晶硅（mono-Si）、多晶硅（poly-Si）、非晶硅（a-Si）、铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）光伏系统在不同 PM2.5 浓度条件下的交流电能量输出和比功率发电量（总累积发电量与太阳能光伏的额定功率之比）。如图2所示，尽管个别光伏系统的发电性能在0–12.0 μg/m3的 PM2.5 浓度条件下出现了轻微的提高，但总体而言，五种光伏系统的交流电能量输出和比功率发电量随着 PM2.5 浓度的增加而表现出下降的趋势。与基线情景相比，五种光伏系统在35.5–55.4 μg/m3的 PM2.5 浓度条件下的发电性能出现了6–11%的下降。预计更严重的 PM2.5 污染会带来更大的光伏发电能量损失，从而损害投资者的收益。
实验结果显示不同光伏技术之间与 PM2.5 相关的发电性能的下降存在显著差异。与晶体硅光伏系统（mono-Si 和 poly-Si）相比，几乎所有薄膜光伏系统（a-Si、CIGS 和 CdTe）都显示出更高的比功率发电量。然而，随着空气中的 PM2.5 浓度的增加，薄膜光伏系统的发电性能下降更为明显。具体而言，对于浓度为35.5–55.4 μg/m3的高污染情景，晶体硅光伏系统的比功率发电量（或交流电能量输出）相对于基线情景的平均损失为7%，而薄膜光伏系统的平均相对损失可以达到9.37%。值得注意的是，CdTe 光伏系统的平均相对能量损失最大值超过10%，其次是 a-Si 光伏系统。相比之下，多晶硅光伏系统的发电性能相对于基线情景平均下降约6%。研究人员指出，空气中的 PM2.5 对不同光伏技术发电性能的影响之间的差异可归因于太阳光谱的变化。迄今为止积累的模拟和测量证据表明，空气中的 PM2.5 颗粒引起太阳辐射被额外吸收和散射，且这种影响在短波长处表现地更为强烈，导致太阳光谱发生红移。因此，具有更大带隙的薄膜光伏电池将比晶体硅光伏电池受到更显著的影响。
图3. 太阳能光伏系统在不同 PM2.5 浓度条件下的每日平均系统效率及其相对基线水平的百分比变化。
光伏系统效率（PR）是系统实际输出功率与理论输出功率的比值，它是评价光伏系统质量的关键指标。研究人员比较了空气中的 PM2.5 对每个光伏系统的每日平均系统效率的影响（图3）。实验发现，光伏系统的系统效率变化不同于发电性能随 PM2.5 浓度的变化。在不同 PM2.5 浓度条件下，几乎所有的光伏系统的每日系统效率均保持相对稳定。晶体硅光伏系统的百分比变化在 –0.13% 和 3.04% 之间，而薄膜光伏系统的百分比变化范围略大，为 –0.05% 到 4.49%。
图4. 不同太阳能光伏系统的每日平均系统效率与环境 PM2.5 的相关关系（阴影区域表示95％置信区间）。
为了确定空气中的 PM2.5 对光伏系统效率的影响，研究人员分析了太阳能光伏系统的每日平均系统效率与 PM2.5 浓度之间的线性相关关系（图4），发现 mono-Si，poly-Si 和 CIGS 系统的平均系统效率与 PM2.5 浓度呈正相关。相反，a-Si 和 CdTe 系统的平均系统效率与空气中的 PM2.5 浓度之间存在负相关关系。造成这种不同的主要原因被认为是太阳能光伏电池光谱响应（不同波长的光子产生电子-空穴对的能力）的差异。一般而言，晶体硅光伏电池的光谱响应范围较广，为300 nm 到1150 nm。类似地，CIGS 光伏电池的光谱响应也大约落在300 –1150 nm 的范围。相比之下，a-Si 和 CdTe 光伏电池具有在300 nm 到 900 nm 之间的较窄的光谱响应范围，表明 a-Si 和 CdTe 光伏系统对于空气中的 PM2.5 颗粒引起的太阳光谱红移更为敏感。此外，需要指出的是，所有光伏系统的系统效率与 PM2.5 浓度之间的相关关系都显示差异性不显著( p > 0.05)，这可能是由于实验期间出现的 PM2.5 污染条件水平有限。因此，有必要在可以获得更广泛 PM2.5污染水平的地区进行进一步的研究。
该项目得到了香港特区政府机电工程署的资金支持，宋哲博士生获得了香港理工大学的奖学金资助，研究的相关结果已发表于ACS Environmental Au。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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