積灰對(duì)光伏面板基本輸出特性的影響研究

李 洋， 朱如仙， 王愛(ài)星， 陳起慢， 李艷芳

(東華理工大學(xué) 理學(xué)院， 江西 南昌 330013)

積灰對(duì)光伏面板基本輸出特性的影響研究

李 洋， 朱如仙， 王愛(ài)星， 陳起慢， 李艷芳

(東華理工大學(xué) 理學(xué)院， 江西 南昌 330013)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M自然狀態(tài)下光伏面板積灰的情況，研究了不同積灰密度下的太陽(yáng)能組件伏安輸出特性。通過(guò)分析可以得到：灰塵密度對(duì)光伏面板的基本輸出特性(伏安特性、轉(zhuǎn)換效率、填充因子、功率等)有較大的影響。并分析了各種參數(shù)隨著灰塵密度的變化趨勢(shì)，最終給出了合理的清除灰塵的范圍。

光伏面板；積灰密度；輸出特性

目前，人類(lèi)社會(huì)面臨著嚴(yán)重的環(huán)境惡化和能源短缺問(wèn)題。隨著地球上化石燃料的不斷耗盡以及環(huán)境污染的日益加重，迫使人們不得不尋找新的可再生能源。而太陽(yáng)能(白宇冰等，2016；Jeon et al., 2015)具備無(wú)污染、資源分布廣、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠和維護(hù)輕易等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)是一種真正意義上的綠色環(huán)保能源，是各國(guó)能源發(fā)展的重點(diǎn)。在光伏面板發(fā)電系統(tǒng)研究中，除面板材料及轉(zhuǎn)換效率、填充因子等主要技術(shù)參數(shù)之外，由于光伏面板長(zhǎng)期暴露在外界環(huán)境中，面板的積灰及其影響也是一個(gè)不可忽略的問(wèn)題(Alonso-Garcia et al., 2006, Skoplaki et al., 2014)。由于聚集在光伏面板處的灰塵對(duì)太陽(yáng)輻射具有反射、散射和吸收等作用，導(dǎo)致接收到的太陽(yáng)能輻射量大大的減少，最終使太陽(yáng)能光伏面板的工作效率降低。另外，由于聚集在面板上的灰塵致使面板的遮擋，導(dǎo)致面板的散熱效果也變的較差，加劇降低太陽(yáng)能面板的轉(zhuǎn)換效率。所以，研究積灰對(duì)太陽(yáng)能光伏面板的影響就變的很有必要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)光伏面板積灰問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究。其中英國(guó)拉夫堡大學(xué)的 Qasem等人(Qasem et al., 2011.)研究了積灰量與電池板玻璃蓋板光譜透射率之間的關(guān)系，結(jié)果表明各個(gè)波長(zhǎng)光子的透過(guò)率隨著積灰量的增多而減?。籏aldellis等(2011)做了紅壤、石灰石和灰燼三種類(lèi)型的灰塵在電池板上積累對(duì)其發(fā)電效率的影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示紅壤對(duì)光伏發(fā)電影響最大，石灰石次之，灰燼影響最小。張風(fēng)等(2013)研究表明，灰塵在光伏面板板表面沉積，首先會(huì)影響表面的透光率，其次會(huì)改變部分光線的入射角，使得光線在光伏組件中傳播的不均勻;居發(fā)禮等(2011)建立了光伏板表面積灰“三情景”模型，并提煉出了光伏板表面積灰的統(tǒng)一表達(dá)式;陳芳菊等(2011)研究了暴露在自然環(huán)境下1至3個(gè)月的光伏面板,發(fā)現(xiàn)沉積的灰塵使得透過(guò)率降低了1.3%～4.0%。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要集中在對(duì)灰塵的影響因素、灰塵機(jī)理和面板除塵清潔等方面(張利等,2009)，但是對(duì)于灰塵影響光伏面板的基本輸出參數(shù)的研究較少。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算(呂波等，2013；呂波，2010)，較為全面地研究歸納出灰塵對(duì)光伏面板組件基本參數(shù)的影響。希望實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)今后研究光伏面板積灰問(wèn)題起到一定的借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 太陽(yáng)能光伏電池模型

光伏電池的基本原理是光電效應(yīng)。光照射到面板材料上，光子轉(zhuǎn)換成電子，其基本的等效電路圖圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路Fig.1 The equivalent circuit of solar module

其中，Ish為光生電流；Id為二極管結(jié)電流；Cj為結(jié)電容；Rsh為并聯(lián)電阻(阻值較大，數(shù)量級(jí)為103Ω)；Rs為串聯(lián)電阻(阻值較小，小于1Ω)。

一般來(lái)說(shuō)串聯(lián)電阻Rs的阻值較小可以將其忽略，則太陽(yáng)能電池的伏安輸出可以表示為(鄧玲娜等，2014)

I=Ish-Id=Ish-I0[exp(qUD/nkBT)-1]

(1)

式中，UD為結(jié)電壓；I為輸出電流；I0為二極管的反相飽和電流；n為理想系數(shù)，q為電子電荷；kB為波爾茲曼常數(shù)；T為溫度。由上式分別可得，該系統(tǒng)的短路電流Isc和開(kāi)路電壓Uoc表達(dá)式：

Ish=Isc

(2)

Uoc=NKBT/qln(Isc/i0+1)

(3)

即短路為光生電流，與接收到的光強(qiáng)成正比。

當(dāng)光伏面板搭載負(fù)載的時(shí)候，對(duì)應(yīng)不同的輸出功率，從理論上可得該系統(tǒng)的最大輸出功率Pmax為：

Pmax=Im×Um

(4)

Um和Im分別為最佳工作電壓和最佳工作電流。

另外衡量光伏面板的工作效率，一個(gè)重要的指標(biāo)就是填充因子FF為：

(5)

填充因子FF代表太陽(yáng)能電池在帶最佳負(fù)載時(shí)，輸出的最大功率的特性。FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度等，同時(shí)也會(huì)受到積灰等對(duì)其產(chǎn)生的影響。

轉(zhuǎn)換效率，是表征該系統(tǒng)將所吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)成電能的效率。它與電池的結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)、工作溫度和環(huán)境變化等有關(guān)。Pin表示入射光的功率：

(6)

光伏面板的輸出特性參數(shù)主要由：開(kāi)路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等組成，這些參量都是衡量光伏面板性能好壞的標(biāo)志。當(dāng)光伏面板表面有積灰時(shí)，光伏面板的輸出指標(biāo)將會(huì)有變化，從而導(dǎo)致其輸出性能降低，并且表面積灰密度越大，其輸出性能下降越大。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖2所示：該裝置主要由單板面積為36cm2的太陽(yáng)能光伏板、白熾燈和一臺(tái)THQTN-1型光伏面板特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成。白熾燈模擬太陽(yáng)光源，變阻箱用于改變光伏面板的負(fù)載。

圖2 光伏面板組件的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device for solar module

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

2.1 無(wú)灰情況下的光伏面板輸出特性的測(cè)定

為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，先測(cè)量光伏面板無(wú)灰情況下的輸出特性。將光伏面板放置于一暗室內(nèi)，調(diào)整好光源距太陽(yáng)能電池板的距離，固定并測(cè)得入射光強(qiáng)為1.14cd、太陽(yáng)能電池板的光照面積S為72cm2。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻箱電阻，得到不同分壓下對(duì)應(yīng)的電流，分別測(cè)出Uoc，Isc和不同阻值下的U，I(表1)。

表1 光伏面板組件的輸出特性測(cè)量值

將該伏安特性曲線作圖，如圖3所示：

圖3 光伏面板組件的 U-I擬合曲線Fig.3 U-I curve of the solar modules

從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析比較符合，其電壓和電流之間呈非線性的變化關(guān)系，且存在一個(gè)最優(yōu)的輸出功率。

2.2 積灰情況下的組件的輸出特性

為了進(jìn)一步研究在積灰情況下，測(cè)量不同灰塵密度下光伏面板組件的輸出特性，并結(jié)合上式(4)、(5)、(6)，采用Origin8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算(表2)。為使測(cè)量值更接近真實(shí)值，實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的模擬灰塵為自然積灰，用天平稱(chēng)取一定量積灰，每一份為0.05 g，均勻覆蓋在光伏面板上。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性,以及與外界真實(shí)環(huán)境相同,試驗(yàn)時(shí)均在常溫(24～26 ℃)下進(jìn)行。在分撒灰塵的時(shí)候，盡量保證灰塵的均勻分布，使電池板各處均有灰塵沉積，實(shí)驗(yàn)采取逐次遞加灰塵的方法。為了標(biāo)記灰塵密度的單位，定義為克每平方毫米，記為σ。分別測(cè)出在不同灰塵密度下，光伏面板的輸出特性U，I，Uoc，Isc，F(xiàn)F等值。

表2 不同灰塵密度下光伏面板組件輸出特性測(cè)量值

2.2.1 灰塵對(duì)輸出電壓、電流及功率的影響

在一定灰塵密度覆蓋下，改變光伏面板的負(fù)載，逐漸遞加灰塵密度，得到不同灰塵密度下的U，I輸出特性。利用Origin 8.0軟件得到不同質(zhì)量灰塵下光伏面板的伏安特性曲線，如圖4所示。

圖4 不同灰塵密度下光伏面板組件的U-I，U-P，ρ-Uoc，ρ-Isc曲線Fig.4 The U-I，U-P，ρ-Uoc，ρ-Isc curve under different density of dust with the solar modulesA.U-I曲線；B.U-P曲線；C.ρ-Uoc曲線；D.為ρ-Isc曲線

由圖4的曲線看出灰塵對(duì)光伏電池輸出影響較大。圖4(A)表示積灰情況下組件的伏安特性曲線，當(dāng)加入總量為0.05 g(σ=0.069 4 g/mm2)的灰塵時(shí)，輸出電壓和電流都急劇下降，說(shuō)明表面有積灰的組件較之清潔的組件輸出電流和電壓的差異是相當(dāng)大的。當(dāng)光伏面板表面積灰總量達(dá)到0.35 g(σ=0.486 1 g/mm2)時(shí)，其U-I曲線接近重合，即灰塵對(duì)光伏面板的電壓和電流的影響已經(jīng)達(dá)到最大。但是，由圖中也可以看出，灰塵對(duì)其輸出的形態(tài)沒(méi)有影響。

圖4(B)表示光伏電池的輸出功率隨灰塵密度的變化情況。可以看出光伏面板的表面一旦有了少量的灰塵，其輸出功率就會(huì)顯著下降。隨著灰塵密度的增加，導(dǎo)致輸出功率以及最大輸出功率逐漸減小。由4(B)可以看出灰塵密度從0.2 g/mm2變化到0.3 g/mm2時(shí)，其曲線下降較為明顯，而后下降幅度明顯減小。當(dāng)電池表面積灰達(dá)到一定值(約0.35 g/mm2)時(shí)，其輸出功率基本不發(fā)生變化，此時(shí)灰塵對(duì)光伏面板輸出功率的影響達(dá)到極限。同時(shí)也可看出，P的最高點(diǎn)隨著灰塵質(zhì)量的增加逐漸向左移動(dòng)，即光伏面板的最大輸出功率所對(duì)應(yīng)的輸出電壓值Um和Im逐漸減小。通過(guò)計(jì)算可得當(dāng)灰塵量在均勻增加時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的最大輸出功率變化有所區(qū)別，組件表面積灰在0.2～0.35 g/mm2之間，最大輸出功率下降了31.7%，其所對(duì)應(yīng)的最大輸出功率下降最快，即圖中曲線斜率最大。所以在光伏面板積灰的初期，對(duì)其輸出功率影響較大。

圖4(C)和圖4(D)分別展示了積灰密度σ與Uoc和Isc的關(guān)系。從圖中可以看出，灰塵對(duì)光伏面板的Uoc和Isc都有很大影響。當(dāng)初始的灰塵密度為0.069 4 g/mm2時(shí)，其短路電流Isc下降了25.4%，開(kāi)路電壓Uoc下降了8.8%；當(dāng)灰塵密度從0.2 g/mm2變化到0.35 g/mm2時(shí)，其短路電流Isc下降了21.9%，開(kāi)路電壓Uoc下降了7.2%；當(dāng)灰塵密度從0.07 g/mm2變化到0.55 g/mm2時(shí)，其短路電流Isc下降了46.2%，開(kāi)路電壓Uoc下降了15.1%。由此可見(jiàn)，灰塵對(duì)其短路電流影響較大，對(duì)開(kāi)路電壓影響較小。且灰塵密度在0.2 ～0.35 g/mm2范圍內(nèi)對(duì)Isc和Uoc影響較為顯著，在此范圍內(nèi)曲線下降速率最快。隨著灰塵密度的增加，光伏面板的短路電流下降的速度要比開(kāi)路電壓下降的速度快得多。主要原因在于灰塵的覆蓋導(dǎo)致光伏面板的散熱效果減弱，從而大大的影響了輸出效率。

2.2.2 灰塵對(duì)轉(zhuǎn)換效率和填充因子的影響

轉(zhuǎn)換效率η和填充因子FF是衡量光伏面板性能優(yōu)劣有兩個(gè)非常重要的參數(shù)，其值越大則組件能輸出的功率越高，性能越好。從圖5(A)可得，當(dāng)組件表面覆蓋積灰很少量0.05 g(σ=0.069 4 g/mm2)時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率下降極為明顯,轉(zhuǎn)換效率下降了33.5%，由此可知積灰對(duì)光伏面板的影響很大。隨著表面積灰逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)換效率逐漸下降，當(dāng)灰塵增加到一定量(σ=0.4 g/mm2)時(shí)，轉(zhuǎn)化效率將不再發(fā)生改變。

圖5 光伏面板組件的ρ-η、ρ-FF曲線圖Fig.5 ρ-η、ρ-FF curve of the solar modulesA.ρ-η曲線;B.ρ-FF 曲線

由圖5(B)可得出不同灰塵密度下對(duì)填充因子的影響。當(dāng)光伏面板組件表面覆蓋有微量的灰塵0.05 g(σ=0.069 4 g/mm2)時(shí)，填充因子下降了2.1%。隨著灰塵質(zhì)量的不斷增加，填充因子變化減小。灰塵密度從0.15 g/mm2增加到0.35 g/mm2時(shí)填充因子下降最快，此階段曲線的斜率在整個(gè)變化過(guò)程中最大。隨著灰塵密度的增加，當(dāng)灰塵質(zhì)量達(dá)到0.35 g/mm2時(shí)，F(xiàn)F的值將逐漸穩(wěn)定為固定常數(shù)，即灰塵對(duì)填充因子的影響達(dá)到最大。

綜合以上數(shù)據(jù)，可以看出在積灰情況下，太陽(yáng)能面板的短路電流、斷路電壓、填充因子都會(huì)受到很大的影響。由于光照片條件的改變會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的伏安輸出特性受到影響,所以最重要的參考參數(shù)就是填充因子和轉(zhuǎn)化效率,在考慮太陽(yáng)能面板積灰問(wèn)題時(shí)應(yīng)著重考慮。通過(guò)分析可得積灰密度在0.2～0.35 g/mm2范圍內(nèi)，其對(duì)各種輸出值影響較大。由于無(wú)法避免灰塵的影響，通過(guò)綜合考慮，在灰塵質(zhì)量為0.2～0.35 g/mm2區(qū)間時(shí)(此時(shí)光伏面板的工作效率受灰塵影響最大)，在條件允許的情況下應(yīng)該及時(shí)清理灰塵。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)搭建合理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬自然狀態(tài)下的光伏面板積灰情況。利用Origin8.0等軟件進(jìn)行處理和分析數(shù)據(jù)，研究了不同灰塵密度對(duì)光伏面板輸出性能的影響。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和分析，得到以下結(jié)論：

(1)由擬合圖像知，灰塵對(duì)光伏組件U-I，U-P曲線形態(tài)無(wú)影響。當(dāng)光伏面板表面積灰達(dá)到一定值時(shí)，ρ-Uoc，ρ-Isc，ρ-η，ρ-FF曲線形態(tài)固定，即此時(shí)繼續(xù)積灰，對(duì)光伏面板的輸出影響達(dá)到最大。

(2)灰塵對(duì)光伏組件的輸出影響較大，由于無(wú)法避免灰塵的影響，所以力求通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出清理灰塵的最佳時(shí)機(jī)。通過(guò)綜合分析，積灰在0.2～0.35 g/mm2之間時(shí)，此時(shí)光伏面板的各項(xiàng)輸出受灰塵影響最大，因此需要特別注意在這個(gè)范圍內(nèi)灰塵對(duì)光伏發(fā)電的影響。

對(duì)積灰情況下光伏面板組件輸出特性的研究，不僅在日常生活中能夠得到廣泛的應(yīng)用，而且在航空、軍事等光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用方面也具有一定的參考意義，更是為何時(shí)清灰才能節(jié)約成本提供了理論實(shí)驗(yàn)依據(jù)。對(duì)光伏系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，以及清理積灰的合理范圍給出了一定的指導(dǎo)作用。

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Theoretical Research on Output Characteristics of Fouled Solar Module

LI Yang, ZHU Ru-xian, WANG Ai-xing, CHEN Qi-man, LI Yan-fang

(School of Science, East China University of Technology, Nanchang,JX 330013, China)

The condition of fouled solar module is simulated under the natural state in the laboratory, and the VA(Voltage and Ampere) output characteristics of solar modules is studied under different densities of dust. According to the analysis of experiment dates, the density of dust has an on obvious infect on output characteristics (volt-ampere characteristic, conversion efficiency, fill factor, power, etc.) The trend of different parameters with the change of dust density is analyzed, and the reasonable range of removing dust is given.

solar module; density of dust; output characteristics

2016-09-03

國(guó)家自然科學(xué)基金理論物理專(zhuān)款(11547116)；江西省教育廳青年科學(xué)基金(GJJ14499，GJJ14500)；江西省教育廳教學(xué)改革研究(JXJG-15-6-3)；東華理工大學(xué)博士啟動(dòng)基金(DHBK2013205);江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201410405007，201510405012)；東華理工校級(jí)教改課題(2014)

李 洋(1984—)，男，博士研究生，主要從事光信息處理、光機(jī)電一體化、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)等方面的研究。E-mail:liyang@ecit.cn 通訊作者：李艷芳(1984—)，主要從事大學(xué)物理、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)等方面的研究。E-mail:scu_lyf@ecit.cn

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.04.014

P0472.3

A

1674-3504(2016)04-0390-06

李洋，朱如仙，王愛(ài)星,等. 積灰對(duì)光伏面板基本輸出特性的影響研究2016[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，39(4)：390-395.

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