王勝捷，田 瑞，郭 梟，邱云峰，白炳林，閆素英，史志國

光伏組件積灰特性及其透射衰減規(guī)律研究

王勝捷1,2，田 瑞1,2，郭 梟1,2※，邱云峰1，白炳林1，閆素英1,2，史志國1,2

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051）

該文以呼和浩特城區(qū)的傾斜玻璃板和光伏組件為積灰載體，測試并分析了積灰顆粒的粒徑分布、形貌特征及元素組成，研究了太陽入射角與太陽總輻照度變化方向?qū)ν干渌p率的影響規(guī)律，計(jì)算了不同積灰量下由積灰引起的日平均總透射衰減率。研究表明：呼和浩特城區(qū)光伏組件積灰顆粒的體積平均徑為23.10m，粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為72.77%；積灰量分別為2.75、4.59、5.86 g/m2時(shí)，積灰引起的日平均總透射衰減率分別為1.29%、3.42%、4.71%；太陽總輻照度增時(shí)段，總衰減率隨太陽入射角以類線性趨勢正相關(guān)變化。太陽總輻照度減時(shí)段，總衰減率隨太陽入射角以微小幅度先減小再增大，當(dāng)太陽入射角增至60°時(shí)，總衰減率開始線性增大；總衰減率最小值所對應(yīng)的太陽總輻照度比峰值小168 W/m2，對應(yīng)的太陽入射角比最小值小25.5°。該研究可指導(dǎo)呼和浩特城區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)除塵方式的選取及除塵周期的預(yù)設(shè)。

光伏組件；輻射；積灰；粒徑分布；形貌；元素組成；透射衰減率

0 引 言

目前，光伏發(fā)電已大規(guī)模應(yīng)用在了中國的電力生產(chǎn)過程，對中國的節(jié)能減排及國民生產(chǎn)起到了積極的促進(jìn)作用[1-2]。提高光電轉(zhuǎn)換效率是改善光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要手段之一[3-5]，光伏組件玻璃蓋板的透射率是影響其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，而自然積塵是衰減太陽輻射透過率的主要外界因素，故研究積灰后光伏組件透射衰減規(guī)律及積灰顆粒特性具有重要意義[6-7]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對不同研究對象，采用合理的研究手段對光伏組件積灰現(xiàn)象進(jìn)行了諸多研究，研究主要集中在積灰來源、積灰粒徑、不同積灰天數(shù)下的積灰量[7-11]、積灰對光伏組件透射率或輸出功率的衰減規(guī)律、積灰量對光伏組件轉(zhuǎn)換效率[12-14]的影響等方面。同時(shí)在光伏組件除塵裝置[15-18]及除塵策略[19-20]方面也開展了較多研究。但未見積灰量、太陽入射角、傾斜面太陽總輻照度變化方向?qū)Ψe灰透射衰減率影響規(guī)律的研究，也未見對光伏組件積灰顆粒粒徑、形貌及元素組成的綜合性研究。馮志誠[21]在呼和浩特地區(qū)測試了積灰對光伏組件輸出功率的影響程度，研究結(jié)果表明：水平面上沉積30和40 d灰塵時(shí)，玻璃的平均透射率分別衰減了21.8%、45.5%。積灰量為5.65 g/m2時(shí)，光伏組件輸出功率衰減15.2%。李練兵等[22]利用MATLAB軟件，通過數(shù)值模擬的方法擬合出了光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率（1 000 W/m2、25 ℃）與積灰密度間的函數(shù)關(guān)系式，擬合結(jié)果為=-54.89-0.0591+62.94。陳東兵[23]等對蚌埠地區(qū)2 MW的非晶硅光伏電站進(jìn)行了積灰天數(shù)對輸出效率的影響研究，研究結(jié)果表明：積灰20 d可使輸出效率降低24％。尤鴻艽等[24]研究了特變電工哈密863實(shí)驗(yàn)電站中光伏組件的積灰規(guī)律，研究結(jié)果表明：光伏組件玻璃蓋板的透光率和最大輸出功率隨積灰量呈正相關(guān)變化。Garg[25]在印度Roorkee地區(qū)對安裝傾角為45°的光伏組件進(jìn)行了積塵遮擋試驗(yàn)，研究顯示：積灰10 d后光伏組件玻璃蓋板的平均透射率降低8％。Klugmann[26]在波蘭對光伏組件進(jìn)行了自然積灰試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率隨積灰量以正相關(guān)線性關(guān)系變化。高德東等[27]對格爾木荒漠地區(qū)的灰塵粒徑進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示：該地區(qū)的灰塵粒徑范圍為0.252～141.589m，絕大多數(shù)灰塵顆粒的粒徑小于100m，光伏組件相對發(fā)電效率與積灰量近似呈指數(shù)關(guān)系。Kaldellis等[28]認(rèn)為積灰對光伏組件發(fā)電效率的影響程度由灰塵特性決定，灰塵的成分、粒徑、形貌都會影響光電轉(zhuǎn)化效率。

本文通過試驗(yàn)研究的方法，研究了呼和浩特城區(qū)光伏組件積灰顆粒的形貌、元素組成及粒徑分布，研究了太陽入射角與太陽總輻照度變化方向?qū)Ψe灰透射衰減率的影響規(guī)律，定量計(jì)算了不同積灰量下的日平均積灰透射衰減率。本研究對光伏陣列除塵過程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 理論計(jì)算模型

1.1 光伏組件受光面太陽入射角計(jì)算模型

光伏組件受光面太陽入射角是太陽入射光束與光伏組件受光面法線間的夾角，該角度隨日期及時(shí)間以一定規(guī)律變化。可由式（1）～式（9）[29]計(jì)算得到：

式中為光伏組件受光面太陽入射角，°；z為太陽天頂角，由式（2）計(jì)算得到，°；為光伏組件安裝傾角，°；s為太陽方位角，由式（3）計(jì)算得到，°；為光伏組件受光面法向相對水平面正南向的方位角，南偏西為正，°。

式中為太陽赤緯角，由式（4）計(jì)算得到，°；為當(dāng)?shù)鼐暥?，°；為太陽時(shí)角，可由式（5）計(jì)算得到，°。s為太陽高度角，由式（6）計(jì)算得到，°。

當(dāng)sin＞0時(shí)，s=-s。

式中為日期序號，指一年中的第天，每年1月1日的為1。

式中AST為太陽時(shí)，可由式（7）計(jì)算得到，min。

式中LST為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)，min；ET為修正值，可由式（8）計(jì)算得到，min；ST為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)計(jì)量點(diǎn)處的經(jīng)度，min；LL為當(dāng)?shù)亟?jīng)度，東經(jīng)取正，西經(jīng)取負(fù)。

其中可由式（9）計(jì)算得到。

1.2 太陽總輻照度透射衰減率計(jì)算模型

將某一物質(zhì)對傾斜面太陽總輻照度的衰減程度定義為透射衰減率。假設(shè)在積灰玻璃下部安裝個(gè)同傾角的太陽總輻射表，用于監(jiān)測太陽光線透過積灰玻璃與灰塵顆粒后的平均太陽總輻照度。積灰玻璃上部安裝1個(gè)同傾角的太陽總輻射表，用于監(jiān)測積灰玻璃的入射太陽總輻照度。因物體對太陽總輻照度的衰減由吸收和反射引起，積灰光伏組件光伏電池之上的覆蓋物體包括積灰玻璃和積灰，故積灰后光伏組件的透射衰減率等于積灰的透射衰減率和積灰玻璃的透射衰減率之和，透射衰減率和透射率之和為1。總透射率等于光伏電池覆蓋物之下和之上的太陽總輻照度之比，當(dāng)清除光伏組件表面積灰后，可消除積灰對太陽總輻照度的衰減，此時(shí)的玻璃透射率等于總透射率。因此，積灰對太陽總輻照度衰減率可由式（10）～（12）計(jì)算得出：

式中灰為積灰透射衰減率，%；玻璃為積灰玻璃透射衰減率，由式（11）確定，%；總為玻璃積灰后對太陽總輻照度的總衰減率，由式（12）確定，%；

式中G為清潔狀態(tài)下積灰玻璃下部的太陽總輻射表測量值，W/m2；+1為積灰玻璃上部的太陽總輻射表測量值，W/m2。

2 測試系統(tǒng)與試驗(yàn)方案

2.1 測試系統(tǒng)

測試地區(qū)選為呼和浩特城區(qū)，如圖1所示，測試系統(tǒng)由積灰透射率衰減模塊、積灰量測試模塊、積灰收集模塊及數(shù)據(jù)采集和供電模塊4部分組成。因測試地點(diǎn)位于北半球，且考慮全年綜合效率的光伏組件最佳安裝傾角近似等于當(dāng)?shù)鼐暥?，故整個(gè)系統(tǒng)在測試過程中朝向正南，積灰透射率測試玻璃（350 mm×280 mm）、積灰量測試玻璃（130 mm×110 mm）、光伏組件（340 mm×280 mm）及太陽總輻射表均傾斜40.48°（呼和浩特城區(qū)緯度）安裝。

積灰透射率衰減模塊由傾斜安裝的積灰透射衰減率測試玻璃、上部太陽總輻射表、下部太陽總輻射表及防反射凹槽組成。積塵透射衰減率測試玻璃為普通白玻璃，用于模擬光伏組件的玻璃蓋板，是自然狀態(tài)下灰塵沉積的載體，有效積灰面積為0.098 0 m2。上部太陽總輻射表用于監(jiān)測入射至積灰玻璃上表面的太陽總輻照度。下部太陽總輻射表用于監(jiān)測經(jīng)積灰透射衰減率測試玻璃及積灰衰減后的太陽總輻照度。防反射凹槽用于安裝下部太陽總輻射表，其內(nèi)部噴涂黑色選擇性吸收涂層（吸收率大于0.94），可消除因反射而產(chǎn)生的測量誤差，同時(shí)設(shè)置對流通風(fēng)口，可保證各太陽總輻射表的測試環(huán)境基本一致。

積灰量測試模塊由普通白玻璃及其托盤組成，普通白玻璃質(zhì)量為117.942 6 g，有效積灰面積為0.014 3 m2。托盤用于支撐并固定普通白玻璃。

積灰收集模塊由兩塊規(guī)格相同的光伏組件組成，光伏組件輸出功率均為12 W，開路電壓均為21.5 V，短路電流均為1.01 A。其中一塊用于每日收集積灰（積灰收集光伏組件），同時(shí)可與另一塊光伏組件（持續(xù)積灰光伏組件）進(jìn)行對比，以實(shí)時(shí)觀察積灰程度。所收集積灰用于研究試驗(yàn)區(qū)域積灰顆粒的形貌、主成分及粒徑分布規(guī)律。

數(shù)據(jù)采集及供電模塊由數(shù)據(jù)采集裝置和供電電源組成，安裝于一個(gè)長方體形狀的防塵防水控制箱內(nèi)，控制箱布置于其他各模塊的下部。數(shù)據(jù)采集模塊為CR1000測量與控制模塊。供電電源由220 V供電電源及交-直流轉(zhuǎn)換器組成，可輸出12 V直流電。

注：圖1b: 1.下部太陽總輻射表；2.積灰透射衰減率測試玻璃；3.持續(xù)積灰光伏組件；4.積灰量測試玻璃；5.數(shù)據(jù)采集及供電箱；6.上部太陽總輻射表；7.積灰收集光伏組件。圖1c: 1.積灰收集光伏組件；2.上部太陽總輻射表；3.積灰衰減率測試玻璃；4.積灰量測試玻璃；5.下部太陽總輻射表 1；6.下部太陽總輻射表2；7.下部太陽總輻射表3；8.CR1000數(shù)據(jù)采集器；9.供電電源。

2.2 儀器及儀表

本研究所用到的儀器及儀表主要有LI-200X太陽總輻射表、電子天平、CR1000測量與控制模塊、激光粒度分析儀及掃描電鏡。其中，LI-200X太陽總輻射表使用硅光電探測器測量太陽總輻照度，其穩(wěn)定性小于±2%/a，響應(yīng)時(shí)間為10s，精度為±3%，靈敏度為0.2 （kW/m）/mV。電子天平型號為CP114，由奧豪斯儀器有限公司制造，量程為0.01～110 g，分度值為0.000 1 g。CR1000測量與控制模塊可進(jìn)行精確測量，-25～50 ℃范圍內(nèi)的精度為±0.2%（讀數(shù)+偏移），采樣速率為10 s/次，測量結(jié)果取1 min平均值。激光粒度分析儀型號為BT-2003，由丹東百特儀器有限公司制造，測量的粒徑范圍為0.04～1 000m。掃描電鏡為能譜版飛納（Phenom）臺式掃描電鏡，具有表面成像和元素分析功能，能譜儀EDS能準(zhǔn)確進(jìn)行樣品表面元素的定性和定量分析，放大倍數(shù)為20～45 000倍，分辨率優(yōu)于25 nm。

2.3 測試方案

將測試系統(tǒng)安裝于呼和浩特城區(qū)某建筑樓頂?shù)臒o遮擋區(qū)域，可確保全天候監(jiān)測有效太陽總輻照度，并保證系統(tǒng)運(yùn)行于自然積灰狀態(tài)。呼和浩特地區(qū)具有夏季降雨量集中、春秋季沙塵暴頻發(fā)、冬季嚴(yán)寒的氣候特點(diǎn)。夏季降雨量頻發(fā)且集中，故5月之后灰塵的沉積狀態(tài)及累積量不易控制。風(fēng)速及沙塵流動量在春秋季的變化幅度大，使得積灰量不易控制，同時(shí)受大風(fēng)速影響，測試條件也不易控制。呼和浩特城區(qū)供暖期為10月15日～次年4月15日，當(dāng)前供暖期燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量煙塵，致使城區(qū)的灰塵成分發(fā)生極大變化，考慮當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保壓力，燃煤鍋爐將在短期內(nèi)被關(guān)停或替換，故研究當(dāng)前冬季的灰塵成分并無實(shí)際意義。綜上，將測試期選為降雨量相對較少、風(fēng)速波動幅度相對較小、大型沙塵暴不易發(fā)及非供暖期的5月，既能較好的控制測試條件，也能保證較高的測試精度，又因呼和浩特城區(qū)光伏電站的規(guī)定清掃周期為15 d，故將測試時(shí)段選為5月5日—5月20日。而風(fēng)速對積灰成分的影響并不大，只要能實(shí)現(xiàn)不同的積灰量測試工況，并選取多個(gè)相似的太陽總輻照度分布測試日，即可獲得具有普遍性的結(jié)論。本文的研究對象為呼和浩特城區(qū)光伏組件表面的積灰，主要研究積灰粒徑、形貌、主成分及對光伏組件透射率的影響規(guī)律，以下為本研究具體的測試方案及流程。

2.3.1 積灰特征分析

1）樣品采集：2019年5月5日—5月20日期間，在光伏組件表面采集積灰樣品。如圖2所示，積灰采集過程中，先將灰塵收納盒放置于積灰收集光伏組件的下部邊緣之下，再分2～3次使用小毛刷將積灰緩慢刮入積灰收納盒。

1.質(zhì)地柔軟的清潔小毛刷 2.積灰收集光伏組件（右側(cè)積灰已被清除） 3. 積灰收納盒（盒內(nèi)部為已收集的積灰）

2）粒徑分析：用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度測定，選取水為介質(zhì)，使用粒度分析儀自帶軟件獲得分析報(bào)告，重復(fù)測定3次，使得重復(fù)測量誤差小于2%，測試結(jié)果取3次平均值，最后依據(jù)測試報(bào)告并使用圖像處理軟件Potoshop獲得測試結(jié)果曲線；

3）形貌及組成元素分析：用能譜版掃描電鏡進(jìn)行形貌特征與元素組成分析，放大倍數(shù)選為5 000X。測試時(shí)，取適量積灰樣品粘附于1 cm×1 cm導(dǎo)電膠上后粘于樣品臺，噴金后進(jìn)行電鏡及能譜分析。使用掃描電鏡自帶的軟件進(jìn)行元素分析，取3個(gè)具有差異的樣點(diǎn)分別進(jìn)行元素組成分析，最后利用Excle軟件得出元素分布柱狀圖。

2.3.2 太陽總輻照度透射衰減率測試

該部分的測試數(shù)據(jù)均由太陽總輻射表輸出，經(jīng)CR1000采集獲取，采用Excle軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出測試結(jié)果曲線：

1）太陽總輻射表標(biāo)定：防反射凹槽內(nèi)部安裝下部太陽總輻射表，分別命名為表1、表2、表3。防反射凹槽外部安裝上部太陽總輻射表，命名為表4。防反射凹槽上部不放置積灰透射衰減率測試玻璃時(shí)，在2019年5月5日08:00～18:00時(shí)段，監(jiān)測表1、表2、表3、表4的實(shí)時(shí)太陽總輻照度，將表4作為基準(zhǔn)，標(biāo)定得出表1、表2及表3測試值與實(shí)際值的擬合函數(shù)關(guān)系式，以最大限度降低測試誤差。

2）玻璃透射衰減率測定：將積灰透射衰減率測試玻璃放置在防反射凹槽上部，在2019年5月6日08:00～18:00時(shí)段，間隔0.5h擦拭1次積灰透射衰減率測試玻璃上表面及上部太陽總輻射表表頭，以確保積灰透射衰減率測試玻璃表面時(shí)刻處于清潔狀態(tài)，監(jiān)測表1、表2、表 3、表4的實(shí)時(shí)太陽總輻照度，取1 min內(nèi)6組監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值作為分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而由式（11）計(jì)算得出清潔狀態(tài)下玻璃透射衰減率隨太陽入射角及太陽總輻照度變化方向的變化規(guī)律。

3）積灰透射衰減率測定：保持積灰量測試玻璃處于自然積灰狀態(tài)，有降雨時(shí)段人為遮擋積灰玻璃，以保證積灰狀態(tài)為松散的自然堆積狀態(tài)。在2019年5月6日—5月19日，監(jiān)測表1、表2、表3、表4的實(shí)時(shí)太陽總輻照度，間隔0.5 h擦拭1次表4的表頭，以保證測試準(zhǔn)確度。最后，取5月6日、5月9日、5月13日及5月19日中1 min內(nèi)6組監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，利用1）中所得結(jié)果對各值進(jìn)行標(biāo)定后，通過2）中結(jié)果及式（11）計(jì)算得出不同積灰量下各太陽入射角對應(yīng)的透射衰減率。

2.3.3 積灰量測試

該部分的測試數(shù)據(jù)為電子天平輸出結(jié)果，經(jīng)人工采集獲取，采用Excle軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出測試結(jié)果曲線。

積灰質(zhì)量測量：對應(yīng)積灰透射衰減率測定時(shí)段，分別在2019年5月6日、5月9日、5月13日、5月19日中午13:00～13:10時(shí)段，佩戴醫(yī)用手套將積灰量測試玻璃置于防風(fēng)盒內(nèi)，并保持水平且緩慢移動至電子天平附近，隨后將積灰量測試玻璃放置在電子天平托盤中央，待數(shù)值穩(wěn)定后讀取天平示數(shù)，該數(shù)值與積灰量測試玻璃凈質(zhì)量的差值等于積灰質(zhì)量，積灰量測試玻璃單位面積上的積灰質(zhì)量即為積灰量。

3 結(jié)果與分析

3.1 積灰特征分析

3.1.1 積灰粒徑分析

圖3為呼和浩特城區(qū)光伏組件表面積灰粒徑的分布頻率曲線。由圖3可知，積灰顆粒的粒徑分布區(qū)間為0.112～199.600m，體積平均徑為23.10m，中位徑為15.71m，粒徑眾數(shù)為18.90m，比表面積為573.90 m2/kg，故粒徑均值大于中位數(shù)和眾數(shù)，粒徑分布曲線呈頭長尾短的正偏態(tài)雙峰型分布，峰偏向粒徑較細(xì)的一側(cè)。其中，第1峰值粒徑區(qū)間為17.81～19.98m，粒度范圍較大，體積占積灰樣本全部顆?？傮w積的4.60%。第2峰值粒徑介于0.63～0.80m，粒度范圍較小，體積占積灰樣本全部顆粒總體積的1.52%。該雙峰型分布特征說明了呼和浩特城區(qū)光伏組件板面積灰的多源性，由“黏粒組—粉砂組—砂粒組”[30]三因分類三角圖解法可知，該積灰樣本的組成以粉砂（4～63m）為主，含量約為72.77%。其次為較細(xì)組分的黏土（粒徑小于4m），含量約為19.77%。較粗組分的砂粒（粒徑大于63m）最少，含量約為7.46%。

圖3 積灰粒徑分布

不同粒徑的灰塵顆粒在不同等級風(fēng)力作用下，以不同的運(yùn)動狀態(tài)輸送至一定區(qū)域，當(dāng)粒徑大于70m時(shí)，積灰顆粒以躍移或蠕移方式在地表輸送，屬局地物質(zhì)[31-32]。當(dāng)粒徑在20～70m區(qū)間時(shí)，積灰顆粒物以短時(shí)懸浮狀態(tài)進(jìn)行輸送，屬于區(qū)域物質(zhì)。當(dāng)粒徑小于20m時(shí)，積灰顆粒將在對流層中長期懸浮，能被氣流搬運(yùn)至幾公里以外，屬遠(yuǎn)源物質(zhì)[33-35]。呼和浩特城區(qū)光伏組件積灰樣本中，局地物質(zhì)含量約為5.74%，區(qū)域物質(zhì)含量為34.70%，遠(yuǎn)源物質(zhì)含量約為59.56%。第1峰值組分及第2峰值組分均屬于遠(yuǎn)源物質(zhì)，為長期懸浮顆粒，由空氣攜帶輸送。綜上，就呼和浩特城區(qū)灰塵對光伏組件板面積灰的貢獻(xiàn)率而言，從大到小的序列為遠(yuǎn)源物質(zhì)、區(qū)域物質(zhì)、局地物質(zhì)，局地沙塵的貢獻(xiàn)率小于10%，大部分積灰直接通過大氣環(huán)流遠(yuǎn)程搬運(yùn)并沉降至光伏組件表面。

3.1.2 積灰單顆粒形貌及元素組成分析

由圖4和圖5可知，光伏組件面板積灰顆粒的形狀及大小不一。少數(shù)顆粒呈近似球形或球形，部分小顆粒無定形，呈不規(guī)則的棱角狀、次棱角狀，部分顆粒具有鋒利的邊緣和尖角。

圖5中給出了3個(gè)檢測樣點(diǎn)的位置及形狀，由圖5中3處檢測樣點(diǎn)的元素組成可知，光伏組件面板積灰顆粒以地殼元素O、Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg為主要檢出元素。2號和3號樣點(diǎn)含有較多K元素，3號樣點(diǎn)的K元素含量為18.75%，為富鉀顆粒。3個(gè)樣點(diǎn)中的O元素和Si元素含量均很高，O元素含量均大于50%，Si含量均大于18%，且兩者比例處于1/3～1/2范圍，圖4中的黃色與白色物質(zhì)為細(xì)小石英晶體或硅鋁酸鹽，且含量很大，故光伏組件表面積灰的主成分為石英或硅鋁酸鹽，主要來自于沙土顆粒，由呼和浩特城區(qū)常見的大風(fēng)及沙塵天氣特征決定。圖4中極少數(shù)表面光滑的灰黑色球形顆粒為飛灰，由煤炭燃燒產(chǎn)生，這類顆粒元素組成以O(shè)、Si、Fe、Ca為主，由供暖期呼和浩特城區(qū)的燃煤鍋爐產(chǎn)生，由于測試期接近供暖期，故該成分為供暖期少量的遺留產(chǎn)物。

圖4 積灰形貌

圖5 積灰元素組成

3.2 不同積灰量下太陽總輻照度透射衰減率分析

3.2.1 太陽總輻射表標(biāo)定結(jié)果

如圖6所示，以4號太陽總輻射表測試值作為實(shí)際值，1號太陽總輻射表實(shí)際值與測試值的擬合函數(shù)為=1.050 9-77.579，擬合優(yōu)度2為0.998 9；2號太陽總輻射表實(shí)際值與測試值的擬合函數(shù)為=1.039 7-61.129，擬合優(yōu)度2為0.997 9；3號太陽總輻射表實(shí)際值與測試值的擬合函數(shù)為=1.028 8-42.362，擬合優(yōu)度2為0.997 9。所有擬合函數(shù)的擬合優(yōu)度較高，故利用上述擬合函數(shù)可獲得較準(zhǔn)確的實(shí)際太陽總輻照度數(shù)據(jù)。

3.2.2 太陽總輻照度總透射衰減率變化規(guī)律分析

由式（1）～式（9）計(jì)算出了各測試日的太陽入射角，由式（10）～式（12）可分別計(jì)算出總衰減率、玻璃衰減率及積灰衰減率。測試結(jié)果如圖7所示，不同積灰狀態(tài)下太陽總輻照度總衰減率隨太陽入射角的變化趨勢基本一致，各測試日傾斜面太陽總輻照度的分布及增減趨勢基本一致，故各太陽入射角對應(yīng)的太陽總輻照度總衰減率的差異僅由積灰引起。

圖6 太陽總輻射表標(biāo)定結(jié)果

圖7 總透射衰減率隨太陽入射角的變化曲線

各測試日太陽總輻照度日平均總衰減率分別為20.19%、21.48%、23.61%、24.90%，故潔凈玻璃的太陽總輻照度總衰減率為20.19%。5月9日（積灰量為2.75 g/m2）積灰對太陽總輻照度的日平均總衰減率為1.29%，5月6日至5月9日時(shí)段單位積灰量的總衰減率約為0.47%。5月13日（積灰量為4.59 g/m2）積灰的太陽總輻照度平均總衰減率為3.42%，5月9日至5月13日時(shí)段單位積灰量的總衰減率約為0.75%，約為前時(shí)段的1.6倍。5月19日（積灰量為5.86 g/m2）積灰的太陽總輻照度平均總衰減率為4.71%，5月13日至5月19日時(shí)段單位積灰量的總衰減率約為0.80%，約為前時(shí)段的1.01倍，兩時(shí)段近似相等。因此，在一定積灰量范圍內(nèi)，隨光伏組件面板積灰量的增大，單位積灰量對太陽總輻照度總衰減率的影響程度也隨之變強(qiáng)，當(dāng)積灰量大于4.59 g/m2時(shí)，單位積灰量所引起的太陽總輻照度衰減率趨于平穩(wěn)變化，這一結(jié)果主要由積灰顆粒對一次散射及反射光線的二次作用（吸收、散射、反射）程度決定。

圖7中紅色箭頭表示時(shí)間增方向，曲線拐點(diǎn)處對應(yīng)太陽總輻照度峰值點(diǎn)，拐點(diǎn)將曲線劃分為太陽總輻照度增時(shí)段（上部曲線箭頭方向）和減時(shí)段（下部曲線箭頭方向）。受測試日期影響，各拐點(diǎn)所對應(yīng)的太陽入射角均不相同，拐點(diǎn)處都為當(dāng)日最小值，分別為5.71°、6.69°、7.57°、8.97°。太陽入射角越大，玻璃及積灰對太陽光線的反射量及散射量越大，進(jìn)而導(dǎo)致透射量減小，故各測試日太陽總輻照度增大時(shí)段，總衰減率均隨太陽入射角的減小呈類線性趨勢以較高速率減小，平均降低速率為0.22%/1°。各測試日太陽總輻照度減小時(shí)段，總衰減率均隨太陽入射角的增大以微小幅度先減小再增大，當(dāng)太陽入射角增大至60°（太陽總輻照度為550 W/m2）時(shí)，總衰減率的變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，開始以線性規(guī)律快速增大。各測試日太陽總輻照度總衰減率最小值對應(yīng)的太陽總輻照度比當(dāng)日峰值小168 W/m2，太陽總輻照度總衰減率最小值對應(yīng)的太陽入射角平均比當(dāng)日最小太陽入射角小25.5°，均在時(shí)間上發(fā)生了滯后。

上述滯后現(xiàn)象及增減速率的變化規(guī)律，由太陽總輻照度變化時(shí)段增減加速度的方向差異及太陽入射角引起的反射及散射總量差異共同決定。因太陽總輻照度增減時(shí)段的變化加速度方向相反，太陽總輻照度增時(shí)段的變化加速度為正，穿透能量中的衰減比例基本恒定，故太陽總輻照度總衰減率的降低速率也基本恒定，總衰減率值決定于該階段的太陽入射角。太陽總輻照度減時(shí)段的變化加速度方向?yàn)樨?fù)，太陽總輻照度減小時(shí)存在變化慣性，變化慣性對太陽總輻照度總衰減率的影響程度遠(yuǎn)大于太陽入射角，發(fā)揮了決定性作用。當(dāng)太陽輻照度降低至850 W/m2附近時(shí)，變化慣性的作用力度開始被逐漸弱化，太陽入射角的作用力度開始被逐漸強(qiáng)化，降至550 W/m2附近時(shí)，變化慣性對太陽總輻照度總衰減率的影響力度被完全消弱，太陽入射角開始發(fā)揮決定性作用。

4 結(jié) 論

本文提出了光伏組件積灰透射衰減率的測試方法，搭建了測試平臺，研究了呼和浩特城區(qū)光伏組件的積灰特性，同時(shí)研究了太陽入射角與太陽總輻照度變化方向?qū)Ψe灰透射衰減率的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論。

1）呼和浩特城區(qū)光伏組件積灰顆粒的粒徑分布區(qū)間為0.112～199.600m，體積平均徑為23.100m，粒徑分布曲線呈頭長尾短的正偏態(tài)雙峰型分布。積灰以粉砂（4～63m）為主，含量約為72.77%。積灰貢獻(xiàn)率由大到小分別為遠(yuǎn)源物質(zhì)、區(qū)域物質(zhì)、局地物質(zhì)，大部分積灰直接通過大氣環(huán)流遠(yuǎn)程搬運(yùn)并沉降至光伏組件表面。

2）呼和浩特城區(qū)光伏組件積灰顆粒少數(shù)呈近似球形或球形，部分小顆粒無定形。積灰顆粒以地殼元素O、Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg為主要檢出元素。粉砂主要來自于沙土顆粒，主要成分為細(xì)小石英晶體或硅鋁酸鹽。

3）在一定積灰量范圍內(nèi)，隨光伏組件面板積灰量的增大，單位積灰量對太陽總輻照度總衰減率的影響程度也隨之變強(qiáng)，當(dāng)積灰量大于4.59 g/m2時(shí)，單位積灰量所引起的太陽總輻照度衰減率趨于平穩(wěn)變化。

4）太陽總輻照度增時(shí)段，總衰減率隨太陽入射角的減小呈類線性趨勢以較高速率減小，平均降低速率為0.22%/1°。太陽總輻照度減時(shí)段，總衰減率隨太陽入射角的增大以先減小再增大的趨勢緩慢變化，當(dāng)太陽入射角增大至60°時(shí)，總衰減率開始以線性規(guī)律快速增大。

5）太陽總輻照度總衰減率最小值所對應(yīng)的太陽總輻照度比峰值小168 W/m2，太陽總輻照度總衰減率最小值對應(yīng)的太陽入射角比最小值小25.5°。

為了防止積灰粘結(jié)及刮傷光伏組件，自動除塵裝置的清潔體宜選取柔軟的毛刷體，除塵形式宜為干式除塵。除塵開始時(shí)刻可由設(shè)定的積灰透射衰減率進(jìn)行控制。應(yīng)用過程中，將本研究中的積灰透射衰減率測試平臺安裝至光伏電站無遮擋區(qū)域，可對積灰透射衰減率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開啟除塵裝置，并進(jìn)行往復(fù)除塵。直至監(jiān)控值等于積灰玻璃透射衰減率時(shí)，關(guān)閉除塵裝置。

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Dust accumulation characteristics and transmission attenuation law of photovoltaic modules

Wang Shengjie1,2, Tian Rui1,2, Guo Xiao1,2※, Qiu Yunfeng1, Bai Binglin1, Yan Suying1,2, Shi Zhiguo1,2

(1,,010051,;2,010051,

In this paper, a method for measuring the transmission attenuation rates of dust accumulation in photovoltaic modules was proposed. The test platform was built independently, and the test system was installed in the roof area without shelter. The system ensured that the total solar irradiance was monitored throughout the day and that the system operated in a naturally dusty state. The test period was selected in May with relatively less rainfall, less sand-dust storm and non-heating period. It can better control test conditions and ensure high test accuracy. In the urban area of Hohhot, the particle size distribution, morphology and element composition of the ash particles were tested and analyzed based on the dust accumulation of glass plates and photovoltaic modules tilted 40.48° to the south. The effects of solar incident angle and the direction of the total solar irradiance on the transmission attenuation of dust accumulation were studied. The daily average transmission attenuation of dust accumulation under different mass of dust accumulation was calculated quantitatively. The results showed that the particle size distribution range of the ash particles of photovoltaic modules was 0.112-199.6m, the volume average diameter was 23.10m, and the particle size distribution curve was a positively skewed bimodal distribution with long head and short tail. The ash was mainly composed of silt (4 to 63m) and the content was about 72.77%. The contribution rates of dust accumulation from large to small were far source substance, regional substance and local substance. Most of the dust accumulation was directly transported and settled to the surface of photovoltaic module through atmospheric circulation. The dust particles of photovoltaic modules were composed of fine quartz crystals or aluminosilicates, most of which were approximately spherical and some of which were amorphous. The main detectable elements of ash particles were crustal elements O, Si, Al, Fe, Ca , Na and Mg. The total attenuation rates of solar irradiance caused by dust accumulation were 1.29% and 3.42%, respectively when the dust accumulations were 2.75 and 4.59 g/m2. During the total solar irradiance increase period, the total attenuation rate changed positively with the linear incidence trend of the solar incident angle, and the average reduction rate was 0.22%/1°. When the total solar irradiance decreased, the total attenuation rate decreased firstly and then increased with the incident angle of the sun in a small range. When the incidence angle of the sun increased to 60°, the total attenuation rate began to increase linearly. The lag peak value of total solar irradiance corresponding to the minimum total attenuation rate was 168 W/m2, and the minimum lag value of solar incidence angle was 25.5°. According to the research results, it could guide the selection of dust removal mode and the forecasting of dust removal cycle of photovoltaic power generation system in Hohhot. In order to prevent dust from sticking and scratching photovoltaic modules, a soft brush body can be selected as the automatic dust removing device for dry dust removal. Dust removal cycle can be set according to the set dust transmission attenuation rates. In the application, the dust transmission attenuation rate test platform can be installed to the unblocked area of the photovoltaic power station, and the dust transmission attenuation rates can be monitored in real time. When the monitored value reaches the set value, the dust removal device is opened and reciprocating dust. The dust removal device is turned off until the monitored value equals the transmission attenuation rates of the dust-covered glass.

photovoltaic cells; radiation; dust accumulation; particle size distribution; morphology; elemental composition; transmission attenuation rate

王勝捷，田 瑞，郭 梟，邱云峰，白炳林,閆素英，史志國. 光伏組件積灰特性及其透射衰減規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(22)：242－250. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.029 http://www.tcsae.org

Wang Shengjie, Tian Rui, Guo Xiao, Qiu Yunfeng, Bai Binglin, Yan Suying, Shi Zhiguo. Dust accumulation characteristics and transmission attenuation law of photovoltaic modules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 242－250. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.029 http://www.tcsae.org

2019-07-22

2019-10-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51766012），內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目（2017），內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016MS0537），內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(X201708)

王勝捷，主要從事太陽能高效利用研究。Email：tianr@imut.edu.cn

郭梟，主要從事傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化和能源利用研究。Email：guoxiao1196@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.029

TK513

A

1002-6819(2019)-22-0242-09