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(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

0 引言

使用可再生能源，特別是太陽能，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的有效手段[1]。與常規(guī)能源相比，太陽能以“儲量巨大、應(yīng)用便利、供應(yīng)持久、清潔無害”這四大優(yōu)勢受到了越來越多的關(guān)注和青睞，成為最具開發(fā)和利用潛力的清潔能源之一[2]。建筑物太陽能光伏發(fā)電也正被我國大力引導(dǎo)發(fā)展[3]。隨著太陽能光伏一體化的應(yīng)用增多[4-5]，如何提高太陽能光伏發(fā)電效率、延長光伏電池使用壽命是太陽能應(yīng)用中的關(guān)鍵。

外界因素的影響極易造成光伏發(fā)電效率的降低，常見的外界影響因素包括灰塵、霧霾、溫度影響等。進(jìn)入冬季后，積雪對于光伏發(fā)電而言，成為最主要的影響因素。冬季嚴(yán)寒漫長，降雪量大，積雪厚，對太陽能光伏電池的使用產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。若覆蓋在太陽能光伏組件上的積雪不及時(shí)清除，將會造成光伏電池發(fā)電量的損失，影響組件的壽命[6]，降低發(fā)電效率[7]，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

太陽能光伏板的積雪問題，已成為國內(nèi)外研究學(xué)者的重要課題。目前主要有以下幾種除雪方式：人工除雪、機(jī)械除雪、納米自清潔涂層和增大光伏板角度等。但是各自都存在著一些缺點(diǎn)，如人工除雪費(fèi)用高成本大[8]，機(jī)械除雪裝置復(fù)雜，操作不便[9]，納米自清潔層性價(jià)比不高[10]，增大光伏板角度會降低發(fā)電效率[11]，限制了這些方法的廣泛應(yīng)用。

光伏板自加熱除雪技術(shù)通過光伏板自身通電加熱來融化冰雪，不需要增加額外的加熱裝置，簡便易行。光伏板上積雪融化是從固態(tài)到液態(tài)的過程，即冰雪的相變。國內(nèi)外對于積雪厚度對光伏板自加熱除雪性能影響的研究較少。Jordan R.E.等[12]探究出在積雪融化過程中，積雪層厚度存在一個“平衡高度”，當(dāng)積雪厚度小于這個高度時(shí)，無論加熱多長時(shí)間、光伏板傾角無論多大，都無法使積雪從光伏板上滑落除凈，亦無法將光伏板上的積雪融化除凈。為了提高光伏板發(fā)電效率，本論文基于積雪厚度均大于該“平衡高度”時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)的方法，探究積雪厚度對光伏板自加熱除雪性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)光伏電池的結(jié)構(gòu)及原理，利用光伏電池內(nèi)p-n結(jié)的特性，將光伏板作為負(fù)載，在其兩端施加正電壓使其通電發(fā)熱來融化板上的積雪，融化的雪水起到積雪與光伏板之間潤滑的作用，促使積雪滑落達(dá)到除雪的目的。

本實(shí)驗(yàn)將利用焓差實(shí)驗(yàn)室的室外側(cè)模擬實(shí)際環(huán)境參數(shù)，在焓差實(shí)驗(yàn)室中搭建光伏板自加熱除雪實(shí)驗(yàn)平臺，在光伏板正、反面合理布置測點(diǎn)作為光伏板溫度測量特征點(diǎn)，設(shè)定不同的積雪厚度，對整個除雪過程在不同積雪厚度下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析研究光伏板自加熱除雪過程中，特征點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律和除雪效率。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)主要是通過實(shí)驗(yàn)測量基本特征點(diǎn)的溫度變化以及除雪過程的時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)而討論實(shí)際光伏板融雪的熱工特性和積雪融化規(guī)律。本研究主要探討積雪厚度對光伏板自加熱除雪性能的影響，因此保持積雪厚度為單一變量，同時(shí)保持雪密度、環(huán)境溫度、加熱功率和光伏板傾斜角度等其他影響因素一定。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源、光伏板及加熱帶、溫度采集系統(tǒng)以及焓差實(shí)驗(yàn)室四個部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，直流穩(wěn)壓電源為光伏板進(jìn)行供電，使電流從組件接頭正極流入，正向流經(jīng)組件內(nèi)部p-n結(jié)從負(fù)極流出。光伏板相當(dāng)于一個負(fù)載，有正向電壓施加在光伏板正負(fù)兩極時(shí)，由于其內(nèi)部的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生單向?qū)娏?，使光伏板發(fā)熱以融化積雪。為保證積雪順利滑落，在光伏板四周的鋁合金邊框背面加設(shè)電加熱帶，以加熱邊框。溫度采集系統(tǒng)對通電后的光伏板特征點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集，以獲取溫度變化數(shù)據(jù)。焓差實(shí)驗(yàn)室通過自身的空調(diào)系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)溫濕度來模擬光伏板露天放置時(shí)的室外環(huán)境。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2 光伏板正面及背面測點(diǎn)布置圖

圖2為光伏板正面及背面測點(diǎn)布置圖，在光伏板的正面及背面分別布置圖2所示的5個溫度測點(diǎn)，正面測點(diǎn)編號為1～5，背面測點(diǎn)編號為6～10，其中正面測點(diǎn)1與背面測點(diǎn)6位置對應(yīng)，正面測點(diǎn)2與背面測點(diǎn)7位置對應(yīng)，依此類推。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

根據(jù)光伏板實(shí)際使用情況及焓差實(shí)驗(yàn)室溫濕度調(diào)節(jié)能力，環(huán)境溫度設(shè)定為-6℃；考慮到常規(guī)的光伏板使用以及光伏板傾角對積雪滑落的影響，本實(shí)驗(yàn)光伏板傾角設(shè)置為18°；在無雪覆蓋的條件下，當(dāng)加熱功率為230 W/m2時(shí)光伏板的加熱量與損失熱量達(dá)到平衡。因此，本實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置加熱功率為230 W/m2、光伏板傾角為18°、環(huán)境溫度設(shè)定為-6℃。

對于積雪厚度設(shè)置了5個實(shí)驗(yàn)工況，如表1所示。

表1不同積雪厚度的實(shí)驗(yàn)工況

工況編號積雪厚度/cm環(huán)境溫度/℃加熱功率/W·m-2光伏板傾角/°142536-6230184758

在光伏板自加熱除雪過程中，采集記錄光伏板所有溫度測點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程中密切關(guān)注光伏板上積雪融化情況。采集到融雪過程中光伏板上10個測點(diǎn)的溫度，將正面5個測點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值作為光伏板正面溫度，將背面5個測點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值作為光伏板背面溫度，研究不同積雪厚度下，光伏板正面及背面的溫度變化，并分別記錄從光伏板開始通電加熱到積雪滑落的時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3～圖5分別為4 cm、6 cm和8 cm厚度積雪下的光伏板通電加熱后其正面及背面的溫度變化情況。

圖3 4 cm厚積雪下的光伏板正面及背面的溫度變化

圖4 6 cm厚積雪下的光伏板正面及背面的溫度變化

圖5 8 cm厚積雪下的光伏板正面及背面的溫度變化

如圖3～圖5所示，光伏板正面溫度曲線上的“坡峰”對應(yīng)積雪即將開始融化的時(shí)刻，定義為“坡峰時(shí)刻”，對應(yīng)溫度為“坡峰溫度”。將積雪的光伏板通電到達(dá)到“坡峰時(shí)刻”這階段定義為“待融階段”，從“坡峰時(shí)刻”到積雪滑落的瞬間定義為“融化階段”，對應(yīng)的時(shí)間分別定義為“待融時(shí)間”和“融化時(shí)間”。在融化階段中，光伏板正面溫度基本保持穩(wěn)定，該溫度定義為“融化溫度”。

從圖3～圖5中可以看出，光伏板通電加熱前，光伏板及積雪的初始溫度約等于環(huán)境溫度-6℃；光伏板通電加熱后，光伏板正面及背面溫度均隨加熱時(shí)間的推移而上升。在加熱過程中，正面及背面溫度曲線前期較陡，后期越來越平緩，直至最終曲線斜率接近于零，說明溫度上升速率隨著時(shí)間的推移而不斷下降，直至溫升速度幾乎為零時(shí)，溫度基本保持穩(wěn)定。上述三個圖中，光伏板正面溫度上升到0℃以上的某個值時(shí)，會停止上升，轉(zhuǎn)而突然下降，從而出現(xiàn)上述溫度曲線上的“坡峰”。

在加熱初期，由于光伏板正面及背面溫度與環(huán)境溫度幾乎相等，所以光伏板與周圍環(huán)境之間的對流換熱量和輻射換熱量均很小，此時(shí)光伏板獲取的加熱量基本用于自身的溫升，因此溫度上升較快。但隨著光伏板溫度的升高，其與環(huán)境溫度的溫差逐漸拉大，對流換熱量和輻射換熱量隨之增大，且到達(dá)積雪融化溫度后光伏板所獲熱量還提供用于融雪的潛熱量，因此可用于自身升溫的熱量就越來越少，溫度上升越來越慢，由此形成一個小小的“坡峰”。到達(dá)“坡峰”后，光伏板加熱量與融雪潛熱，對環(huán)境的輻射、對流換熱達(dá)到平衡，溫度基本達(dá)到恒定，由于輻射和對流換熱的存在，此恒定溫度略高于0℃。

對比圖3～圖5，可以發(fā)現(xiàn)在加熱過程中，光伏板的背面溫度總是略高于正面溫度。由于光伏板正面和背面的位置和朝向不同，因此其正面的對流換熱損失量和輻射換熱損失量大于其背面的對流換熱損失量，導(dǎo)致光伏板背面溫度總是略高于正面溫度。

除雪總時(shí)間可看作由“待融時(shí)間”和“融化時(shí)間”兩部分組成，表2記錄了從光伏板開始通電加熱到板上積雪開始滑落的除雪總時(shí)間。在4～8 cm這五種不同積雪厚度下，除雪總時(shí)間中的 “待融時(shí)間”和“融化時(shí)間”的分布對比如圖6所示，“坡峰溫度”和“融化溫度”對比如圖7所示。

表2不同積雪厚度下的除雪總時(shí)間

積雪厚度/cm45678除雪總時(shí)間/min9178716765

圖6 不同積雪厚度下的“待融時(shí)間”和“融化時(shí)間”

圖7 不同積雪厚度下的“坡峰溫度”及“融化溫度”

通過對圖6～圖7及表2的分析，可以看出：

在待融階段中，積雪厚度越大，由于積雪保溫作用，光伏板正面溫度提升速率越大、待融時(shí)間越短。如圖6所示： 4～8 cm這五種積雪厚度下的待融時(shí)間分別為20 min、18 min、16 min、14 min和12 min，待融時(shí)間隨著積雪厚度的增大而縮短。經(jīng)計(jì)算，在待融階段中，這五種積雪厚度下的光伏板正面溫度平均提升速度分別為0.35℃/min、0.38℃/min、0.44℃/min、0.48℃/min和0.55℃/min，溫升速率隨著積雪厚度的增大而增大。

另外，積雪厚度越大，則“坡峰溫度”越低。如圖7所示：4～8 cm這五種積雪厚度下的坡峰溫度分別為1.00℃、0.94℃、0.87℃、0.91℃、和0.59℃，即“坡峰溫度”總體上隨著積雪厚度的增大而降低。當(dāng)積雪底部溫度上升到0℃后，由于厚度越大的積雪層保溫效果越好，則在低溫環(huán)境下的顯熱損失量越小，可用于積雪融化的潛熱量就越多，發(fā)生相變的溫度點(diǎn)就能有所提前，即“坡峰時(shí)間”提前，所需的“坡峰溫度”越低。積雪厚度越小，保溫效果越差，在低溫環(huán)境下的顯熱損失量越大，只有將積雪底部加熱到較高的溫度，底部積雪才能融化，即“坡峰時(shí)間”延后，所需的“坡峰溫度”較高。

在融化階段中，隨著積雪厚度增大，融化溫度越低，融化時(shí)間越短。如圖6～圖7所示：4～8 cm這五種積雪厚度下的融化溫度分別為0.96℃、0.87℃、0.80℃、0.80℃和0.55℃，融化時(shí)間分別為71 min、60 min、55 min、53 min和53 min。當(dāng)積雪總厚度越大，則剩余的干雪層越厚，保溫作用越好，導(dǎo)致融化溫度變低，用于積雪融化的潛熱量增加，融化時(shí)間隨之縮短。

隨著積雪厚度的增加，除雪總時(shí)間(待融時(shí)間+融化時(shí)間)隨之變短。如表2所示：4～8 cm這五種積雪厚度下的除雪總時(shí)間分別為91 min、78 min、71 min、67 min和65 min，每增大1 cm的積雪厚度，則待融階段中光伏板正面溫度提升速率平均增大約0.05℃/min，待融時(shí)間平均縮短約2 min，光伏板正面溫度曲線上的“坡峰溫度”平均降低約0.1℃，融化階段中的融化溫度平均降低約0.1℃，融化時(shí)間縮短約4 min，除雪總時(shí)間平均縮短約6 min。即除雪總時(shí)間隨著積雪厚度的增大而縮短。

4 結(jié)論

針對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合融雪過程，本實(shí)驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

(1)待融階段，光伏板上積雪都是干雪狀態(tài)，厚度越大，保溫效果越佳，用于積雪融化的潛熱量變多，光伏板正面的溫度上升越快，待融時(shí)間越短；

(2)融化階段，由于“毛細(xì)作用”將積雪底部融化的雪水不斷向上輸送，整個積雪層由下而上地由干雪轉(zhuǎn)化為濕雪，若積雪總厚度越大，則剩余的干雪層越厚，保溫作用越好，所需的融化溫度越低，融化時(shí)間越短；

(3)積雪融化過程中，積雪厚度每增大1 cm，除雪總時(shí)間平均縮短約6 min，因此積雪厚度的增加有助于提高光伏板自加熱除雪的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。