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文 | 影中纪实
编辑 | 影中纪实
前言
为满足可持续发展和环保要求，太阳能、风能等新能源近些年得到迅猛发展，与其它新能源相比，太阳能具有安全、无污染、电站建设周期短、受环境制约小等特点，光伏板作为分布式光伏发电的基本单元，起着吸收光能并转为电能的作用.
其露天放置时表面会聚集大量微小颗粒形成积灰，光伏组件积灰不仅阻碍热量传递，使其表面温度升高，降低能量转换效率，还会形成遮挡效应，降低其表面玻璃的透射率，影响太阳能吸收。
相关研究表明，积灰量越多，光伏组件输出特性越差，Salim等人对沙特阿拉伯地区的光伏组件进行了自然积灰实验，积灰8个月后，其输出功率相比清洁状态时降低了32%。
目前国内外学者通过试验研究、数值模拟和理论分析等方法对光伏组件积灰所产生的影响展开了诸多研究，并取得了丰硕的研究成果，尤鸿芃等人利用实验电站进行了光伏组件积灰实验，发现光伏组件表面的透光率以及最大功率点会随着积灰密度的增加而线性降低。
综上所述，积灰对光伏组件性能的影响不可忽视，根据积灰量可预测积灰对光伏组件性能的影响程度，指导清灰工作的开展，因此，探究光伏组件的积灰特性十分必要。
自然条件下，组件表面颗粒沉积过程复杂且影响因素较多，采取人工布灰的试验方法可在其它环境因素都不变的情况下，对不同积灰密度对光伏组件性能的影响进行差异化研究，数值模拟方法能通过多物理场耦合解析单一变量对污秽颗粒沉积的影响，探究不同环境条件与光伏组件表面颗粒沉积的关系，为制定光伏组件的清灰方案、提高光电转化效率提供参考。
因此，本文以置于本校风机大厅楼顶的光伏阵列为研究对象，通过人工布灰试验，对不同积灰密度下光伏组件的输出功率、工作电压和电流进行监测分析；此外，利用COMSOL软件建立了与光伏阵列自然积灰试验条件相同的颗粒沉积数值模型，模拟研究了风速、粒径、湿度和污秽浓度对光伏组件表面颗粒沉积的影响，以获得颗粒的沉积特性。
试验研究
（一）、试验平台及相关仪器
光伏阵列安装在本校风机大厅楼顶，由3块YL250P-29b型多晶硅光伏板串联组成，安装倾角为45°。
采取分数槽单层集中绕组的三相电机的槽极数需满足以下几点要求：①槽数为偶数，且每个槽只有1/2个线圈，②总线圈数应为3（相数）的倍数；③为避免不平衡磁拉力，每相包含的线圈数为偶数，因此槽数应为12的倍数，文中选取最小槽数12，为使绕组因数最大，采用12槽10极和12槽14极两种槽极配置进行后续研究。
每块光伏板的主要尺寸（长宽厚）为1650mm990mm40mm，太阳能控制器作为连接光伏阵列与蓄电池的核心部件，对光伏阵列功率调节，蓄电池起着充放电保护的重要作用，试验台选择了T4415ND型号太阳能控制器和2块90Ah电池，试验过程中的风速、辐照度等环境因素可由相关数据采集装置得到。
试验过程试验中，光伏组件积灰密度的确定参考了自然积灰的密度值，期间基本无降雨，光伏组件表面的积灰由静电吸附纸擦拭收集，并烘干称重。
单块光伏组件表面的积灰量约为1.9g，以自然积灰量为基准，按照1、3、5、7的倍数关系确定本试验中单块光伏板表面的布灰质量分别为1.9、3.8、5.7、7.6g，单块光伏板去除铝合金边框后的有效面积为1575mm×950mm，由此可得到试验积灰密度分别为1.27、2.53、3.80、5.07g/m2。
人工布灰试验所用灰尘颗粒为与自然积灰粒径相仿的电站粉煤灰，通过MS3000激光粒度分析仪测量发现：自然积灰与试验粉煤灰中超60%的粒径均主要分布在1~20μm，每次试验前先清除光伏组件表面的积灰，然后称取等质量粉煤灰尘各3份，均匀布撒在3块光伏板上。
之后再利用辐射仪、温湿度仪和风速仪等仪器测量试验段内的环境参数，试验时间段为每天中午的12点至1点，按照上述试验步骤依次完成1.27、2.53、3.80、5.07g/m2积灰密度下光伏组件输出参数的测量。
虽然试验日期不同，但其辐照度变化趋势基本一致均随着时间逐渐降低，辐照度最大差值约为50W/m2，平均辐照度分别为879、880、878、878W/m2，可认为这4天试验段内辐照度基本一致。
在试验时间段内，不同积灰密度下光伏组件的输出功率随时间变化的趋势基本一致，同一时刻下，其输出功率随积灰密度的增大逐渐减小，各试验时间段内，光伏组件的输出功率平均值分别为367、358、348、335W，与自然积灰状态即积灰密度1.27g/m2时的平均功率相比，当积灰密度为2.53、3.80、5.07g/m2时，其功率变化率分别为2.16%、5.17%、8.71%，不同积灰密度对光伏组件工作电压和电流的影响如表1所示：
表1
由表1可知，光伏组件的工作电压及电流均随着积灰密度的增大而减小，但积灰对工作电流的影响比对工作电压的影响要大得多，在积灰密度为5.07g/m2时，相较于自然积灰状态下的电流与电压，电流变化量为6.48%，电压的变化量为0.40%，在不同积灰密度下，工作电压的变化量均不超过1%，由此可见，积灰主要是通过影响光伏组件的工作电流进而影响其输出功率的。
污秽颗粒沉积数值模拟及结果分析通过积灰试验量化分析了不同积灰密度对光伏组件输出功率、电流及电压的影响程度，发现积灰密度越大功率损失越多，研究光伏组件表面的积灰特性对预测光伏组件的输出性能、指导清灰工作的开展具有一定的参考意义。
光伏组件积灰过程复杂受环境因素影响较大，数值模拟方法可弥补试验研究周期长的不足，且能通过多物理场的耦合解析单一变量对污秽颗粒沉积的影响。
此外，建立颗粒沉积数值模型也有助于预测特定环境下光伏组件表面颗粒的沉积量，因此，本文利用COMSOL软件中的流场（即spf）模块和流体流动粒子追踪（即fpt）模块模拟分析环境湿度、风速、粒径和浓度对颗粒沉积量的影响。
各因素对沉积量影响的模拟结果分析
利用上述建立的污秽颗粒沉积模型，以颗粒沉积量(g/m2)作为光伏板积灰程度的评价指标，研究了当安装倾角为45°时，风速v、湿度RH、粒径d和浓度c等因素对颗粒沉积量的影响。
由下图可知，不同粒径下，污秽颗粒的沉积量均随风速的增大先减小后增加，且在风速为3m/s时取得最小值，自然环境下，污秽颗粒在风的裹挟下运动至光伏板表面，并与之发生碰撞。
图6
颗粒表面所受的粘附力也越大，其所受的粘附力主要为范德华力和毛细力，空气湿度越大，颗粒所受的毛细力越强，故其沉积量越多，同时可发现，湿度由30%增大到90%时，风速越大，颗粒在光伏板表面的沉积量增幅越多。
各湿度下污秽颗粒的沉积量随粒径的增大先减小后增加，且在粒径为15m和25m分别取得最大值与最小值，其它条件相同时，随着颗粒粒径的增加，其所受的重力增大，跟随性变差，速度响应时间变长，与光伏板发生碰撞的概率降低，故沉积量减少。
随着粒径进一步增加，颗粒所受的合力与动能也将增大，与光伏板表面碰撞概率增加，故沉积量增加，此外，各粒径下颗粒沉积量的差异大于各湿度下颗粒沉积量的差异，这可能是粒径对颗粒运动和沉积的影响大于湿度对其的影响造成的。
颗粒沉积量与污秽浓度呈正相关变化，且随着污秽浓度的增大近似呈线性增长，原因可能是：污秽浓度越大，单位体积内颗粒的质量越大，颗粒数也较多，与板表面之间发生碰撞并附着的概率也越大，致使颗粒沉积量增大。
这表明大气污染越严重，光伏组件表面积灰量越多，其输出功率的损失也越大，因此，提高大气质量有利于提高光伏电站整体效益。
此外还可发现，风速越高，越有利于颗粒的沉积，沉积量在7m/s时较多。
综上所述，污秽浓度的改变对颗粒沉积量的影响最大，风速一方面起清洁作用，另一方面又加剧积灰，研究积灰特性可以为制定光伏组件清灰方案提供参考，陈璐等对积灰的影响程度进行了量化计算，并以此确定了光伏电站动态清洗周期。
我们对积灰累计时间与日发电量损失关系进行了拟合，并利用最小二乘法求解出光伏电站最佳清扫周期，积灰量的改变将影响光伏组件的透射率和发电量，通过监测透射率和发电量的改变，以此来确定清扫周期与发电量的关系将是后期的研究重点。
结论
通过置于本校风机大厅楼顶的光伏板布灰试验，探究了不同积灰密度对光伏组件输出功率、工作电压与电流的影响；利用COMSOL软件建立了光伏组件三维模型。
模拟研究了不同风速、粒径、湿度和污秽颗粒浓度与光伏板沉积量的关系，其主要结论如下：随着积灰密度的增大，光伏组件的输出功率、工作电压和电流均逐步减小，积灰密度为5.07g/m2时。
相较于自然积灰状态，组件输出功率、电流、电压的变化率分别为8.71%、6.48%、0.40%；光伏板组件输出功率的下降主要受工作电流的影响，同一湿度和浓度下，污秽颗粒在光伏组件表面的沉积量随风速的增大先减小后增大，且在3m/s时取得最小值，风速不变时，颗粒粒径越大越不易在板表面沉积。
相同条件下，颗粒沉积量均随湿度和污秽浓度的增大而增加，降低大气污染程度，光伏组件表面的积灰量将减少，其输出功率也将提高，同一湿度和风速下，颗粒沉积量随粒径的增大先减小后增加，且在粒径15m和25m时分别取得最大值和最小值，粒径对颗粒运动和沉积的影响大于湿度对其的影响，