川西高原超高海拔光伏电站积尘分析.pdf

2023 年 28 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application川西高原超高海拔光伏电站积尘分析袁强1，吴登中2，温贤茂2，雷洁2，陆飞2，熊昌全3（1.国家电投集团西南能源研究院有限公司，成都 610000；2.国家电投集团四川电力有限公司甘孜州分公司，四川 甘孜 627850；3.国家电投集团四川电力有限公司，成都 610299）目前的太阳电池种类繁多，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdTe 和钙钛矿等。以晶硅组件为例，主要由封装玻璃、EVA、电池片、背板及边框等组成1。其中封装玻璃直接面向阳光，常采用钢化玻璃，具有很高的硬度，适合昼夜温差大的环境，也能够抵挡风沙、冰雹等击打，同时封装玻璃也是灰尘沉积的基板。组件在户外的安装，包括支架式安装和非支架式安装。支架式安装一般包括固定角度的安装、可调角度的安装。而非支架式安装一般沿着一定倾角的基面，比如民居屋、车棚、厂房等安装。无论采用哪种方式安装，光伏组件在户外发电，都极容易受到环境因素的影响，包括太阳辐照度、温度、湿度、积尘和风速等。而积尘的第一作者简介：袁强（1985-），男，硕士，高级工程师。研究方向为电力技术。摘要：光伏组件在户外应用时，其发电性能容易受到环境中各种因素的影响，其中光伏面板上的积尘是一个严重的挑战。积尘对光伏组件输出特性影响的研究，除体现在光和电的管理方面外，积尘的材料组成，以及其和光伏面板之间的作用机理也非常重要，另外还需因地制宜，对不同典型气候及地理环境下的积尘做具体的分析。川西高原平均海拔超过 4 000 m，年日照为 2 0002600 h，具有丰富的光伏应用资源，是四川省发展光伏产业的主战场。该地区干湿季节分明，立体气候明显，早晚温差大，雪霜冻多见，全年有 7 个月为旱季。该文以该地区的光伏电站为例，调研当地的地理环境、气候特点，实地采集光伏面板上的积尘并用专门的材料表征技术对积尘的成分、粒径、结构等一系列物理化学特征进行分析，并有针对性地分析光伏面板灰尘沉积的机理。该研究所得结果有力地支撑该地区光伏电站的除尘策略与清洁运维。关键词：积尘；风速；光伏面板；物性分析；川西高原；超高海拔地区中图分类号院TM615文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-0员00-0源Abstract:When PV modules are used in outdoor applications,their power generation performance is easily affected by variousfactors in the environment,among which dust accumulation on PV panels is a serious challenge.The study of the effect of dustaccumulation on the output characteristics of photovoltaic modules is not only reflected in the management of light and electricity,But also the material composition of the dust accumulation and the mechanism of its interaction with the photovoltaic panel is veryimportant.It is also necessary to make a specific analysis of dust accumulation in different typical climatic and geographicalenvironments according to local conditions.With an average altitude of over 4,000 meters and 2,000 2,600 hours of annualsunshine,the Western Sichuan Plateau is rich in PV application resources and is the main application base for the development ofthe PV industry in Sichuan Province.In this region,the dry and wet seasons are distinct,the diverse climate is very distinct,thetemperature difference between day and night is large,the snow and frost are relatively abundant,and there are seven months of thedry season in the whole year.Taking the photovoltaic power station in this area as an example,this paper investigates the localgeographical environment and climate characteristics.The dust on the photovoltaic panel was collected and a series of physical andchemicalcharacteristicssuchascomposition,particlesizeandstructureofthedustwereanalyzedwithspecialmaterialcharacterization technology,and the mechanism of dust deposition on the photovoltaic panel was analyzed.The results of this studystrongly support the dust removal strategy and clean operation and maintenance of photovoltaic power stations in this area.Keywords:dust accumulation;wind speed;photovoltaic panel;physical property analysis;West Sichuan Plateau;ultra-highaltitudeDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.025100-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期影响非常复杂，一方面造成了遮光，将会减少玻璃的透光率，使得到达电池片上的太阳辐射降低，减少组件的输出功率；另一方面造成组件升温并出现热斑，极端情况下导致组件烧毁，严重影响组件使用寿命。大气中的各种灰尘是光伏面板上积尘的主要来源。大气灰尘是各种悬浮颗粒物的统称，这些颗粒物的源头可以分为自然来源和人为来源两大类。自然来源主要是由于岩石、土壤和沙尘颗粒被风化成更细小的颗粒，如果颗粒粒径达到微米级别，在风速的作用下，就可以被输送到大气中进行流动，并扩散输送到另一个地区。而人为来源主要包括人类活动，比如工业、农业、商业和物流等活动造成的扬尘。另外，如鸟粪、落叶、花粉等也是积尘的重要来源。不同地区的积尘来源与构成是有区别的。其主要成分是硅、铝、铁、钙、镁和钠等元素的氧化物2-3。本文分析的川西高原地区，其典型的地理环境与气候条件见表 14。基于以上分析，本文在电站现场采集了面板上附着的积尘，并采用专门的材料测试技术，对积尘的结构、形貌、粒径进行分析，在此基础上，采用模拟软件分析了光伏面板灰尘沉积的机理。本文采取的积尘电站实物图如图 1 所示。表 1川西甘孜地区超高海拔地区典型环境参数海拔/m 年均日照/h 年均降雨量/mm 风速/（ms-1）年最低/最高温/雨雪霜冻 土壤 植被 鸟类 4 000 200 500 2.4 25-35 58 月降水、雪、雹子，其他月份均为下雪 褐土、暗褐土、亚高山草甸土、高山草甸土、沼泽土、潮土 草甸（主要）、灌木林、针叶林、农作物，草地“三化”情况严重“候鸟天堂”，中大型鸟类为主 渊c冤可调角度支架控制器渊d冤有积尘组件图 1积尘来源地实物图使用专门的工具在光伏面板上收集积尘，采用Hi原tachi S-4800 型扫描电子显微镜对样本进行形貌、粒径与 EDS 测试；采用 XRD-6100 型 X 射线衍射仪对样本进行微观结构测试，使用的是 Cu-K琢（姿=0.154059nm）射线作为入射源，扫描角度范围为 585毅；采用日本理学公司生产的 Rigaku ZSX Primus II 型 XRF 对样本进行元素种类和含量的半定性分析。1积尘物理化学性质分析图 2 为积尘粒度的扫描电镜图，图 2（a）为放大 1000倍，标尺为 20 滋m 的积尘粒度扫描图，图 2（b）为放大10 000 倍，标尺为 2 滋m 的积尘粒度扫描图。在图 2（a）中，积尘分布比较规则，大颗粒尺寸接近 20 滋m，小颗粒尺寸不足 1 滋m。图 2（b）中展示了积尘的细微形貌，有很多颗粒为片状结构，但边缘有较强的钝化，分层明显，说明该地区空气中灰尘成因复杂，积尘碰撞容易破碎为小片。积尘表面为非规则形状，在干燥的情况下，不易附着，但在潮湿环境中，这些颗粒间的缝隙容易形成毛细管通道，容易在面板上附着。因此在对积尘作用力进行分析时，应区别对待，并形成差异的除尘策略。采用SEM 自带的 EDS 对积尘元素含量进行定性测试，结果显示，积聚在面板表面的大部分灰尘由碳（C）、氧（O）、铁（Fe）、镁（Mg）、铝（Al）、硅（Si）、钾（K）和钙（Ca）等元素组成。渊a冤放大 1 000 倍渊b冤放大 10 000 倍图 2面板积尘形貌分析图 3 为面板积尘的 XRD 图谱，从图中可以看出，曲线择优取向的峰对应氧化硅物相。其他较弱的峰，由渊a冤光伏电站全景渊b冤组件安装方式Mag=1.00 KXEHT=3.00 kVWD=7.5 mmSignal/A=SE22 滋m20 滋mDate11 Feb 2023Date11 Feb 2023Mag=10.00 KXEHT=3.00 kVWD=7.5 mmSignal/A=SE2101-2023 年 28 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application于互相干扰，不能确定对应的是何种成分。图 3面板积尘物相分析本文对面板上积尘进行了 XRF 测试。在所选地区的积尘中，SiO2占比为 59.24%，Al2O3占比为 18.80%，Fe2O3占比为 5.64%，K2O 占比为 2.80%，MgO 占比为2.46%，CaO 占比为 1.00%，TiO2占比为 0.84%，Na2O占比为 0.625%，其余物质含量低于 1%。对应元素 Si、Al、Fe、K、Mg、Ca 和 Ti 的组成分别为 27.70%、9.95%、3.94%、2.32%、1.49%、0.718%及 0.504%。作为对比，本文同时分析了川西高原甘孜藏族自治州另外一个光伏电站面板上积尘的 XRF，测试发现，不同位置的微量Cr、Zr、Zn、Rb、Ni、Co、Cu、Y 和 Sr 元素含量相同，在其他沙漠地区的粉尘研究中未发现这些微量元素；Si 和O 元素同样是积尘中的主要成分；Ti、Na、P、Mn 和 S 元素的含量均小于 1%。2积尘沉积机理分析积尘在面板上的附着，可以用 Hertz 模型、DMT 模型、JKR 模型及 MD 模型等经典接触力学模型进行分析，也可以采用弹簧阻尼模型进行分析5-6。在分析时，应首先明确积尘的受力情况。在不考虑接触形变时，光伏面板上积尘受力如图 4 所示。图 4光伏组件表面积尘受力分析本文采用 EDEM 和 FLUENT 仿真模拟了积尘在面板上附着分布的情况。模拟条件：固定组件安装角度为30毅，颗粒与面板材料的泊松比分别为 0.17 和 0.25，密度分别为 2.5 g/cm3和 2 g/cm3，摩擦系数 0.2，颗粒产生位置为随机，速度为 30 000 个/s，并以前文测得的积尘粒径做参考，颗粒与颗粒之间、颗粒和面板之间均为Hertz-Mindlin（no slip）接触模型、k-epsilon 湍流模型，其他条件参考软件自带参数。在模拟中，本文只改变风速，且风从面板正面吹来。模拟结果如图 5 所示。渊a冤0.5 m/s渊b冤1 m/s渊c冤2 m/s渊d冤4 m/s渊e冤8 m/s图 5不同风速下颗粒在面板上沉积情况在面板安装角度固定，灰尘粒径大小均匀时，风速越大，灰尘颗粒沉积越难。当风速很小时，如图 5 所示，空气中大部分灰尘在风的带动下，由于重力作用而在组件上沉降。值得注意的是，当组件安装角度较大时，如图 4 所示，灰尘颗粒沿面板向下的分力很大，较小的风速不能将颗粒带走，反而克服了一部分重力，让灰尘颗粒不再下滑，进而与其他灰尘结合而停留在组件表面。对于大粒径灰尘而言，风速的增大可能会有助于颗粒的沉积，而对于小颗粒基本上是风速越大，沉积越难。另外风速的增加还能导致更多的颗粒在空中悬浮，从而增加沉积量。当风速逐渐增大时，如图 5（b）和（c）所示，积尘量减少。特别要注意的是，边框边缘处沉积的大多是小颗粒，组件的近地侧多为大颗粒。通过模拟可以看出，在正面迎风时，后排组件上面几乎都是小颗粒。这说明，前方的组件对后方的组件具有灰尘遮挡的作用。造成以上现象的主要原因：当风速较小时，空中的颗粒会逐渐降落，颗粒越大下降越快，大颗粒在飞过第一排光伏组件之前大部分就降落了，而小颗粒可以飞行更远，甚至沉落在最后几排组件上，造成越往后面，组件面板上的积尘颗粒越小，越靠近风口，越多大1020304050607080902兹/毅SiO2除尘装置施加于面板平行方向推力X除尘装置施加于面板垂直方向拉力积尘颗粒T重力在平行于面板方向上分力TYTX组件面板静电力重力在垂直于面板方向上分力毛细作用力YFvdwFetFeFesGYGX兹G102-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期颗粒沉积，且大部分位于组件的近地侧。当风速持续增大时，如图 5（d）所示，经过模拟发现，积尘量非常依赖组件的倾斜角度。这与图 4 进行的受力分析相关，安装角度的变化，导致颗粒在组件上合力的大小与方向发生变化。当正面风速很大时，如图 5（e）所示，灰尘几乎无法在组件表面附着，只是在边框处由于阻挡而附着一部分，这与实际积尘效果相一致。这可以通过图 4 的受力情况进行分析。风速很大时，灰尘颗粒受到的流体作用力很大，导致重力、摩擦力被抵消，颗粒受到的合力使得颗粒反而朝上迁移，直到碰到边框。在碰撞的过程中，有些颗粒会停留下来进而沉积，有些颗粒会直接飞出组件表面7。本文还采用软件分析了风向、安装角、颗粒大小等因素对光伏面板上的积尘量的影响，限于篇幅，只介绍结果：一般而言，正面风对光伏面板上的积尘量影响最大，侧面风的影响较小。组件安装角度越大，大粒径的积尘越少，以小粒径的积尘为主。小颗粒的灰尘比大颗粒的灰尘更容易沉积，大颗粒灰尘更容易附着在组件下边框而小颗粒灰尘分布较广。基于以上模拟，本文提出了典型的积尘沉积机理，主要包括 4 个步骤：吸附、扩散、成核和长大。当细小的灰尘入射到组件面板表面时有些会和面板表面的颗粒进行能量交换而被吸附，有些发生弹性碰撞被反弹回空中。而灰尘要变成积尘，显然是需要发生非弹性碰撞。被吸附的颗粒将失去在表面法线方向的速度，只剩下具有平行于表面方向的速度。在残留的速度下，颗粒在组件面板上进行扩散迁移。在扩散过程中，当颗粒的能量耗尽时就会停下，或者和其他已吸附的颗粒发生碰撞而合并在一起。当越来越多的灰尘合并在一起，就会突破能量的限制，形成一个稳定的核，此后在表面上扩散的颗粒就会更容易吸附到这个核上，导致核长大。随着越来越多的核长大，相互之间发生融合与延伸，最终演变为一层有厚度的积尘。前面提到，已经有积尘的表面更容易附着灰尘，这可以看成是先吸附的灰尘颗粒在组件面板表面发挥了“核”的作用。后续灰尘一层一层地堆积就对应于“核”不断长大，连成一层层薄膜的过程。3结束语本文对选用典型川西光伏电站进行了积尘分析，并探索了其产生的机理。应该看到，光伏电池板自然积尘实验期较长，自然环境复杂多变，模拟时应充分考虑真实的应用场景参数，以使结果更真实可信。在自然环境中，不管是自然的灰尘还是人为产生的灰尘，都具有不同的形态和大小，往往并非是刚性的小球。光伏面板上积尘的受力分析对于明确积尘的吸附机理很重要，特别是对环境中一直有变化的风速和湿度等来说。所有的积尘特性分析，均是为电站清洁运维服务，并为光伏组件的清洁策略提供数据支撑，以便在不同的光伏电站寻找到最适合、最经济的清洁技术。本文所选的川西地区海拔高，建设电站难度大，电站后期运维诸多不便，如果能对积尘实现远程自动化分析，建立积尘量（厚度）与组件输出功率的对应关系，并产生不同时间的响应，必然可以大幅度减少无序的清洁成本，提高光伏电站的能效管理。参考文献院1 朱美芳，熊绍珍.太阳电池基础与应用（上册）M2 版.北京：科学出版社，2014.2 乔永力.积尘对太阳能光伏板性能影响及清洁装置的研究D.杭州：中国计量大学，2018.3 金国辉，汤伟，杨世俊.光伏板积灰清理方案综合评价研究J.科技促进发展，2019，15（7）：746-753.4 石渠县人民政府.自然环境 EB/OL.（2022-6-15）2022-12-22.http：/ KUMAR A，STAEDLER T，JIANG X.Role of relative sizeof asperities and adhering particles on the adhesion forceJ.Journal of Colloid and Interface Science，2013，409：211-218.6 PETEAN P G C，AGUIAR M L.Determining the adhesionforce between particles and rough surfaces J.Powder Tech原nology，2015，274：67-76.7 ZHAO W，LV Y，ZHOU Q，et al.Collision-adhesionmechanism of particles and dust deposition simulation onsolar PV modulesJ.Renewable Energy，2021，176：169-182.103-