太陽能電池板表面積灰模型仿真研究

皇甫亞波，杭魯濱，秦偉，沈鋮瑋，王君（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上?！?01620）

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太陽能電池板表面積灰模型仿真研究

皇甫亞波，杭魯濱，秦偉，沈鋮瑋，王君
（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

摘要：太陽能電池板表面灰塵顆粒的沉積嚴(yán)重制約著光伏發(fā)電效率，降低了電池板的使用壽命。提出建立灰塵與電池板間耦合關(guān)系以及計(jì)算清除灰塵作用力的方法；提出3條接觸模型等價(jià)性假設(shè)，并基于離散元與彈塑性理論建立灰塵顆粒與電池板及灰塵顆粒間的力學(xué)模型；利用EDEM軟件的Hertz-Mind1in with JKR Cohesion模型，仿真模擬電池板表面灰塵分布情況，預(yù)測(cè)清洗電池板的清洗力大小及清洗區(qū)域；分析電池板傾角、風(fēng)向與電池板和顆粒間作用合力即清洗力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；為所研制電池板表面積灰清除機(jī)器人的清洗力和清洗周期確定提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；離散元；力學(xué)模型；清洗力

Project SuPPorted bY the Nationa1 Natura1 Science Foundation of China（NFS51475050）；Science and Techno1ogY Commission of Shanghai MuniciPa1itY（12510501100）；Techno1ogica1 Innovation Program of SUES（E1-0903-14-01013）and（E1-0903-14-01016）.

KEY W0RDS：so1ar Pane1s；discrete e1ement；mechanica1 mode1；c1eaning-force

隨著石化能源的不斷開采和利用，化學(xué)能源日益緊張；可再生能源-太陽能，由于其無污染且資源豐富，各國都將其作為傳統(tǒng)能源替代物，大力開發(fā)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到周圍環(huán)境中灰塵的影響，如圖1所示，致使電池板透光率降低，嚴(yán)重影響發(fā)電效率。

圖1　電池板表面積灰示意圖Fig. 1 Diagram of dust deposition on the surface of solar panels

國內(nèi)外針對(duì)灰塵對(duì)電池板發(fā)電效率的影響做了大量研究，其中文獻(xiàn)［1］得出電池板輸出功率隨著其表面積灰量的增大不斷降低，當(dāng)積灰量為5.65 g/m2時(shí)，功率損失達(dá)到15.2%。文獻(xiàn)［2-3］得出灰塵不僅對(duì)太陽能組件功率影響很大，而且致使其發(fā)電效率大大降低。文獻(xiàn)［4］表明，若超過6個(gè)月未對(duì)電池板清洗，則發(fā)電量降低50%。文獻(xiàn)［4-5］得出灰塵對(duì)光伏組件的輸出功率和電流-電壓（I-U）特性的影響取決于積灰濃度、灰塵粒徑分布及灰塵的組成成分。文獻(xiàn)［6］采用MATLAB/SIMULINK模擬灰塵沉積對(duì)光伏組件輸出性能的影響，得到不同灰塵沉積情況下的光伏組件的輸出特性曲線，由特性曲線看出，隨著灰塵沉積的增多，最大功率點(diǎn)功率下降明顯。

上述研究均表明灰塵對(duì)電池板發(fā)電系統(tǒng)有較大影響，因此清除電池板表面灰塵工作迫在眉睫。為實(shí)現(xiàn)高效清洗電池板表面積灰，課題組研制了基于單軌行走式的電池板組清洗裝置，如圖2所示。

圖2　電池板清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig. 2 The structure of the robot for cleaning solar panels and physical figure

基于力適應(yīng)性單軌行走，清洗機(jī)器人在導(dǎo)軌上行進(jìn)，具有行走、跨越模式；依托履帶式移動(dòng)供水平臺(tái)，可調(diào)移動(dòng)式清洗裝置能夠在各塊光伏電池板之間逐塊清洗，實(shí)現(xiàn)清洗過程的自動(dòng)化，適用于所處沙漠、戈壁和荒地等惡劣環(huán)境下的大型光伏電站工作。其灰塵清洗力的預(yù)測(cè)決定該機(jī)器人清洗模塊電機(jī)參數(shù)的選擇，也是該清洗機(jī)器人能源消耗的重要組成部分。

本文基于建立的顆粒與電池板及顆粒間的力學(xué)模型，利用離散元EDEM軟件模擬仿真電池板表面的灰塵分布，分析電池板傾角及風(fēng)向與灰塵顆粒清洗難易程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，預(yù)測(cè)各種情況裝置所需清洗力。在計(jì)算機(jī)硬件受到客觀條件限制的情況下，對(duì)電池板進(jìn)行微小化等效處理，所得結(jié)果根據(jù)相似性計(jì)算能較精確反映作用力大小，且計(jì)算效率大大提高。

1　積灰接觸模型的建立

1.1接觸模型等價(jià)性假設(shè)

接觸模型是離散單元法的重要基礎(chǔ)。Hertz-Mind1in接觸模型是在彈性體相容性研究基礎(chǔ)上建立的，具有準(zhǔn)確而高效的計(jì)算性能［7］。該接觸模型采用彈簧阻尼模型，把顆粒間法向力簡(jiǎn)化為彈簧與阻尼器，將切向力簡(jiǎn)化為彈簧、阻尼器和滑動(dòng)器，通過分析計(jì)算可得出灰塵顆粒所受的力和力矩的大?。?］，因此，接觸模型可確定所需清洗力的大小和電池板表面灰塵的分布情況。

針對(duì)灰塵顆粒-電池板、灰塵顆粒-灰塵顆粒真實(shí)接觸情況，提出簡(jiǎn)化假設(shè)，使其接觸特性與Hertz-Mind1in模型情況等價(jià)，即：

1）太陽能發(fā)電站周圍環(huán)境中灰塵顆粒分布均勻，其形狀可近似視為球體。

2）顆粒受到電池板的靜電作用力相對(duì)其重力與范德華力較小，靜電作用力可忽略不計(jì)［9］。

3）所需清洗力視作黏附在電池板表面的灰塵顆粒與電池板作用的合力。

基于上述假設(shè)，Hertz-Mind1in with JKR Cohesion接觸模型可應(yīng)用于描述灰塵顆粒-電池板、灰塵顆粒-灰塵顆粒的接觸模型。

1.2積灰接觸物理模型建立

基于上述3個(gè)假設(shè)，灰塵顆粒-灰塵顆粒、灰塵顆粒-電池板間真實(shí)接觸狀態(tài)符合Hertz-Mind1in with JKR Cohesion接觸模型，其法向彈性接觸力的實(shí)現(xiàn)基于Johnson-Kenda11-Roberts理論，如圖3所示。此接觸模型將電池板視作半徑為無窮大的球體，該接觸模型統(tǒng)一描述灰塵顆粒-灰塵顆粒、灰塵顆粒-電池板接觸特性。

圖3　顆粒與電池板及顆粒間接觸模型［8，10］Fig. 3 Models［8，10］of contacts between particles and panels and between particles themselves

灰塵顆粒-電池板、灰塵顆粒-灰塵顆粒的碰撞可視作非彈性碰撞，其物理參數(shù)如表1所示。

基于圖3所示接觸模型，灰塵顆粒-電池板、灰塵顆粒-灰塵顆粒所涉及的接觸力滿足以下等式。

顆粒間或顆粒與電池板間法向力Fn：

表1　2個(gè)球形顆粒的參數(shù)Tab. 1 Parameters of two spherical particles

式中：γ為表面能量；E*為綜合彈性模量，；R*為顆粒的綜合半徑，；α為法向重疊量，

式中：m*為等效質(zhì)量，；為相對(duì)速度的法向分量值，；β為與恢復(fù)系數(shù)e有關(guān)的系數(shù)，；Sn為法向剛度，

顆粒間或顆粒與電池板間切向力Ft：

式中：St為切向剛度，，其中G*為等效剪切模量，；δ為切向重疊量。

顆粒間或顆粒與電池板間摩擦力f：

在仿真中滾動(dòng)摩擦極其重要，滾動(dòng)摩擦處理為顆粒間或顆粒與電池板接觸面上的力矩Ti：

式中：μr為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；Ri為顆粒i的質(zhì)心到接觸點(diǎn)的距離；ωi為顆粒i在接觸點(diǎn)處的單位角速度。

2　基于EDEM軟件的模型高效操作及參數(shù)設(shè)置

EDEM是全球第一個(gè)使用離散元技術(shù)進(jìn)行顆粒系統(tǒng)仿真和分析的CAE軟件，通過參數(shù)化模型建立顆粒系統(tǒng)，可快速、簡(jiǎn)便地處理灰塵顆粒-灰塵顆粒與灰塵顆粒-電池板接觸物理模型，具有強(qiáng)大的后處理功能。將電池板積灰模型應(yīng)用EDEM軟件進(jìn)行求解時(shí)，考慮計(jì)算機(jī)計(jì)算性能、計(jì)算時(shí)間、計(jì)算效率等因素，需要做如下處理：①仿真模型微小化處理；②仿真參數(shù)設(shè)置。

2.1仿真模型微小化處理

針對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)能力的限制及計(jì)算時(shí)間的綜合考慮，在確保仿真效果與實(shí)際效果對(duì)應(yīng)前提下，采取縮小整個(gè)仿真空間、加大顆粒產(chǎn)生速度的措施，以提高效率。

2.1.1電池板微小化

1）對(duì)電池板尺寸進(jìn)行微小化處理，采用尺寸為0.5 mm×0.23 mm×0.01 mm的電池板微小單元。

2）產(chǎn)生顆粒的顆粒工廠與電池板表面平行，與鋁合金邊框的豎直距離取為最大顆粒半徑的2倍。

在EDEM軟件中，仿真模型微小化處理后，電池板微小單元的仿真模型如圖4所示。

圖4　電池板微小單元仿真模型Fig. 4 Simulation model of small unit of solar panel

2.1.2縮小顆粒半徑范圍

確定灰塵顆粒的半徑范圍，取為r=0.5×10-3mm～1×10-2mm。

2.1.3仿真時(shí)間選取

基于沉降顆粒數(shù)相等，該仿真時(shí)間等價(jià)于實(shí)際電池板積灰時(shí)間，為：

式中：t為仿真時(shí)間，t=0.1 s；m＇為仿真中設(shè)置的顆粒產(chǎn)生速度，m＇=8×10-9kg/s；ρ為灰塵顆粒的濃度，ρ= 1×10-15kg/mm3；S為顆粒工廠的面積，S=0.3 mm× 0.55 mm；v*為顆粒下降的速度，v*=0.24 mm/s。

2.2仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真實(shí)驗(yàn)中灰塵顆粒、電池板表面玻璃蓋板及鋁合金邊框的材料參數(shù)如表2所示。

表2　電池板和灰塵物理參數(shù)Tab. 2 Physical parameters of solar panel and dust

接觸系數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3　碰撞特性參數(shù)Tab. 3 Parameters of collision characteristics

在空氣中灰塵顆粒受重力和空氣阻力的作用，下落速度很小，約為0.24 mm/s［11］；EDEM軟件自動(dòng)計(jì)算出瑞利波時(shí)間步長為1.765×10-8s，采用瑞利波時(shí)間步長的20%作為仿真的固定步長。

利用EDEM軟件，采用上述參數(shù)得到顆粒與電池板法向作用力即黏附力數(shù)量級(jí)為10-12N，而文獻(xiàn)［9］指出：灰塵顆粒半徑小于約1×10-2mm時(shí)，黏附力數(shù)量級(jí)為10-10N。因此，采用Hertz-Mind1in with JKR Cohesion接觸模型計(jì)算的黏附力值偏小，需通過改變摩擦系數(shù)及灰塵顆粒的比重進(jìn)行補(bǔ)償，以確保所得清洗力的正確性。

3　模擬結(jié)果與分析

基于Hertz-Mind1in with JKR Cohesion接觸模型，利用EDEM軟件，研究黏附在電池板表面灰塵顆粒的分布情況以及該灰塵顆粒與電池板作用合力與時(shí)間的關(guān)系，并分析電池板傾角、風(fēng)向?qū)﹄姵匕迩逑垂ぷ鞯挠绊憽?/p>

3.1模擬電池板表面積灰分布情況

灰塵顆粒的球心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，顆粒工廠產(chǎn)生的顆粒以0.24 mm/s的速度降落，在空中運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后與電池板表面接觸發(fā)生非彈性碰撞，然后脫離電池板表面，在重力作用下進(jìn)行近似拋物曲線運(yùn)動(dòng)后，再次與電池板表面發(fā)生非彈性碰撞，以此循環(huán)往復(fù)，最后沿著電池板表面向下滾動(dòng)直至靜止黏附在電池板表面。

圖5　電池板玻璃擋板表面單顆粒球心運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig. 5 Schematic drawing of the movement trace of the center of single particle on the surface of solar panels

當(dāng)處于極限情況即顆粒與電池板接觸處距離下部的鋁合金邊框較近時(shí)，由于鋁合金邊框的存在，該顆粒沿著電池板表面向下運(yùn)動(dòng)受阻，顆粒便迅速達(dá)到靜止穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)生電池板表面積灰量上少下多的現(xiàn)象。

參照北京地區(qū)固定式太陽能電池板的年最優(yōu)傾角，選取仿真模型中電池板傾角為37°［12］，利用EDEM軟件仿真計(jì)算，得出電池板表面灰塵的分布情況如圖6所示。仿真結(jié)果顯示：該電池板上部顆粒分布比較少，其下部因有鋁合金邊框所以顆粒比較集中，中間地帶顆粒分布均勻。此現(xiàn)象與現(xiàn)實(shí)情況基本一致，從而證明了利用EDEM軟件進(jìn)行仿真的正確性和可行性。同時(shí)說明，太陽能電池板清洗的主要工作應(yīng)著重于電池板的下部和中間地帶。

圖6　黏附在電池板表面灰塵分布示意圖Fig. 6 Dust distribution on the surface of solar panels

3.2模擬計(jì)算所需清洗力的大小

通過EDEM軟件的后處理功能，可統(tǒng)計(jì)出黏附在電池板表面的灰塵顆粒與電池板間的作用合力與仿真時(shí)間的關(guān)系，如圖7所示。

從圖7中可以看出，在t=0.008 s時(shí)，灰塵顆粒與電池板開始產(chǎn)生作用力，隨著撞擊電池板表面的灰塵顆粒數(shù)量不斷增加，不僅引起電池板接收太陽輻射量減少，而且導(dǎo)致電池板與灰塵的作用力逐漸增大，加大了清洗的難度，因此，需要對(duì)電池板表面灰塵進(jìn)行周期性的清洗。圖8中的峰值，是由于顆粒工廠隨機(jī)產(chǎn)生灰塵顆粒，其半徑大小不一，導(dǎo)致某時(shí)刻其與電池板的作用力出現(xiàn)峰值。

圖7　電池板與灰塵顆粒間的作用合力與仿真時(shí)間的關(guān)系Fig. 7 The relationship between the total force between the solar panel and dust particles and the simulation time

在仿真時(shí)間t=0.1 s時(shí)，電池板微小單元與黏附其表面的灰塵顆粒作用合力大小約為Ft=5.88×10-7N，所設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人的清洗材料與真實(shí)電池板表面接觸面積為S2=600 mm×140 mm，清洗裝置沿著電池板表面從上至下清洗時(shí)，由灰塵顆粒的分布情況知，此過程清洗力逐漸加大，所計(jì)算清洗力F近似約為：

式中：Ft為電池板微小單元與黏附其表面的灰塵顆粒作用合力，F(xiàn)t=5.88×10-7N；S1為電池板微小單元的表面積，S1=0.5 mm×0.23 mm；S2為清洗機(jī)器人的清洗材料與實(shí)際電池板的接觸面積，S2=600 mm× 140 mm。

3.3電池板傾角與其表面積灰清洗的關(guān)系

電池板傾角不僅影響電池板吸收光線，而且還對(duì)積灰有所影響。比如在北京地區(qū)，僅考慮將接收的太陽輻射量達(dá)到最大化，固定式太陽能電池板的年最優(yōu)傾角為37°，在該傾角小鄰域范圍內(nèi)另外選取兩個(gè)不同的傾角，通過比較電池板處在3種不同傾角下所需清洗力的大小，確定清洗的難易程度。因此，考慮太陽輻射量和清洗難度兩個(gè)因素，分析得出電池板的最優(yōu)傾角。

將電池板與水平面的夾角分別設(shè)置為34°、37° 和40°，并將其三維模型分別導(dǎo)入EDEM軟件中，仿真結(jié)果如圖8所示。

隨著電池板傾角的增大，黏附其表面的灰塵顆粒的分布情況作相應(yīng)的改變，如圖8所示。EDEM統(tǒng)計(jì)出3個(gè)傾角下黏附在電池板表面的灰塵顆粒與電池板微小單元的作用合力分別為F1=5.73×10-7N；F2=5.88×10-7N；F3=7.75×10-7N。因此，當(dāng)傾角為34°時(shí)顆粒對(duì)電池板的作用力較小，對(duì)清洗工作有利。此仿真實(shí)驗(yàn)綜合考慮太陽能輻射量和灰塵清洗工作兩個(gè)方面，得出最優(yōu)傾角為34°。

圖8　仿真后電池板微小單元三維模型示意圖Fig. 8 Three-dimensional model of small unit of solar panels based on simulation

3.4風(fēng)向與電池板表面積灰清洗的關(guān)系

風(fēng)對(duì)發(fā)電量的影響也是不容忽視的，在無風(fēng)情況下，灰塵一直沉積在電池板表面；風(fēng)作用時(shí)不僅把灰塵吹向電池板表面，而且把沉積在電池板表面的灰塵吹落。本次仿真實(shí)驗(yàn)采取無風(fēng)、正x軸向風(fēng)及正y軸向風(fēng)3種情況，采用如圖9所示模型，對(duì)比分析風(fēng)向?qū)﹄姵匕迩逑垂ぷ鞯挠绊憽?/p>

圖9　電池板坐標(biāo)系模型Fig. 9 Coordinate system model of the solar panel

由于采用的是電池板微小單元，若風(fēng)速設(shè)置過大，顆粒與電池板發(fā)生非彈性碰撞，反彈的距離大于電池板微小單元的尺寸，導(dǎo)致仿真后黏附其表面的顆粒數(shù)極少甚至為零。因此，為了避免此現(xiàn)象，設(shè)置較小風(fēng)速值，更易揭示風(fēng)向?qū)Ψe灰的影響。三組實(shí)驗(yàn)中參數(shù)設(shè)置如表4所示。仿真結(jié)果如圖10所示。

通過EDEM統(tǒng)計(jì)出三組實(shí)驗(yàn)中電池板微小單元與黏附其表面的灰塵顆粒作用力大小分別為F1= 5.88×10-7N；F2=7.23×10-7N；F3=4.00×10-7N。因此，當(dāng)風(fēng)沿x軸吹向電池板時(shí)，增大灰塵的黏附力；當(dāng)風(fēng)沿y軸吹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顆粒從電池板表面吹落的現(xiàn)象，比無風(fēng)時(shí)清洗力較小。因此，在建立發(fā)電站基地時(shí)，電池板表面應(yīng)與周圍環(huán)境的主導(dǎo)風(fēng)向平行，此時(shí)所需清洗力較小。由這組數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)向?qū)﹄姵匕灞砻婊覊m清洗工作的影響非常大。

表4　實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab. 4 Parameter settings of experiments

圖10　電池板在不同條件下仿真結(jié)果Fig. 10 Simulation results of solar panels in different conditions

4　結(jié)論

1）根據(jù)灰塵顆粒-電池板、灰塵顆粒-灰塵顆粒接觸模型與清洗機(jī)理，提出3條基本假設(shè)，并修正摩擦系數(shù)與顆粒比重補(bǔ)償黏附力，使得實(shí)際電池板積灰與EDEM理論接觸模型具有等價(jià)性。

2）基于離散元法對(duì)電池板表面的積灰模型進(jìn)行仿真分析，得出黏附在其表面灰塵顆粒的分布情況，并確定清洗的主要工作區(qū)域以及相應(yīng)時(shí)間內(nèi)清洗力的大小，為所研制的灰塵清洗機(jī)器人的清洗模塊電機(jī)參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

3）基于EDEM軟件，仿真分析3種不同傾角的電池板模型，確定清洗的難易程度；基于電池板接受太陽輻射量最大為目標(biāo)，考慮灰塵的影響，得到電池板的最優(yōu)傾角。

4）利用EDEM軟件仿真分析處在3種不同風(fēng)向環(huán)境下的電池板積灰模型，確定風(fēng)向?qū)﹄姵匕迩逑垂ぷ鞯挠绊?；利用風(fēng)向?qū)﹄姵匕灏l(fā)電效率的積極作用，為建立太陽能發(fā)電站的基地選擇及發(fā)電效率最大化提供了參考。

5）針對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)能力和計(jì)算時(shí)間的限制，提出對(duì)電池板微小化處理，恰當(dāng)選取灰塵顆粒半徑變化范圍等模型參數(shù)，縮短了仿真時(shí)間，提高了仿真效率。

參考文獻(xiàn)

［1］馮至誠.太陽能光伏發(fā)電性能影響因素的研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］田冰濤.灰塵對(duì)太陽能電池組件特性參數(shù)的影響［J］.物理通報(bào)，2013（5）：115-118. TIAN Bingtao. Effect of dust on the characteristic Parameters of so1ar modu1es［J］. PhYsics Bu11etin，2013（5）：115-118（in Chinese）.

［3］MUHAMMED J，ADINOYI，SYED A，et a1. Effect of dust accumu1ation on the Power outPuts of so1ar Photovo1-taic modu1es［J］. Renewab1e EnergY，2013，60：633-636.

［4］EL-SHOBOKSHY M S，MUJAHID A，ZAKZOUK A K M. Effects of dust on the Performance of concentrator Photovo1taic ce11s［J］. IEE Proceedings：I So1id -State and E1ectron Devices，1985，132（1）：5-8.

［5］EL-SHOBOKSHY M S，HUSSEIN F M. Degradation of Photovo1taic ce11 Performance due to dust dePosition on to its surface［J］. Renew EnergY，1993（3）：585-590.

［6］張風(fēng).光伏組件表面積灰對(duì)其發(fā)電性能的影響［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（10）：82-86. ZHANG Feng. Effect of airborne dust dePosition on PV modu1e surface on its Power generation Performance［J］. Power SYstem and C1ean EnergY，2012，28（10）：82-86 （in Chinese）.

［7］TSUJI Y，TANAKA T，ISHIDA T. Lagrangian numerica1 simu1ation of P1ug f1ow of cohesion1ess Partic1es in a horizonta1 PiPe［J］. Powder Techno1ogY，1992，71：239 -250.

［8］王國強(qiáng)，郝萬軍，王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐［M］. 1版.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010：1-33.

［9］孟廣雙，高德東，王珊，等.荒漠環(huán)境中電池板表面灰塵顆粒力學(xué)模型建立［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（16）：221-229. MENG Guangshuang，GAO Dedong，WANG Shan，et a1. Mechanics mode1ing of dust Partic1e on so1ar Pane1 surface in desert environment［J］. Transactions of the Chinese SocietY of Agricu1tura1 Engineering，2014，30（16）：221-229（in Chinese）.

［10］胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素分析仿真：離散元素法的工業(yè)應(yīng)用與EDEM軟件簡(jiǎn)介［M］. 1版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010：5-21.

［11］武際可.灰塵為什么會(huì)揚(yáng)起來［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2002（3）：77-79. WU Jike. WhY dust wou1d be rasied uP［J］. Mechanics in Engineering，2002（3）：77-79（in Chinese）.

［12］徐婧.太陽能光伏電池板傾角優(yōu)化研究［J］.江蘇廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，23（5）：56-58. XU Jing. StudY on the oPtimizing of the so1ar energY Photovo1taic Pane1 ang1e［J］. Journa1 of Jiangsu Radio & Te1evision UniversitY，2012，23（5）：56-58（in Chinese）.

皇甫亞波（1990—），男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)學(xué)，光伏運(yùn)維設(shè)備研制；

杭魯濱（1965—），通訊作者，男，教授、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)，光伏運(yùn)維設(shè)備研制。

（編輯徐花榮）

Simulation and Research of Dust Deposition on the Surface of Solar Panels

HUANGFU Yabo，HANG Lubin，QIN Wei，SHEN Chengwei，WANG Jun
（Co11ege of Mechanica1 Engineering，Shanghai UniversitY of Engineering Science，Shanghai，201620，China）

ABSTRACT：The dust dePosition on the surface of so1ar Pane1s not on1Y serious1Y restricts the Power generation efficiencY but a1so reduces the 1ife sPan of so1ar Pane1s. In this PaPer，the couP1ing re1ationshiP between dust and so1ar Pane1 and a method of ca1cu1ating the force for dust remova1 are ProPosed in this PaPer. Three hYPotheses about contact mode1 of so1ar Pane1 and dust are Presented to satisfY Hertz-Mind1in with JKR Cohesion mode1，and the mechanica1 sYstem between dust Partic1es and Pane1s based on Discrete E1ement Method and E1astoP1astic TheorY is mode1ed. The distribution of dust Partic1es on the surface of so1ar Pane1s is studied bY simu1ating in EDEM software. Furthermore，the size of the c1eaning-force and c1eaning-area are Predicted. The corresPonding re1ationshiP between ti1ting ang1e of the so1ar Pane1 and c1eaning-force and re1ationshiP between wind-direction and c1eaning-force are ana1Yzed. The research of dust dePosition mode1 P1aYs an imPortant ro1e in so1ar energY Power generation sYstem.

文章編號(hào)：1674-3814（2016）04-0106-06中圖分類號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（NFS51475050）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重點(diǎn)支撐項(xiàng)目（12510501100）；上海工程技術(shù)大學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（E1-0903-14-01013）和（E1-0903-14-01016）。

收稿日期：2015-08-30。

作者簡(jiǎn)介：