污穢顆粒在太陽能光伏組件表面的沉積機理及組件積灰特性數(shù)值模擬

趙偉萍，呂玉坤，閻維平

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，動力工程系，河北保定 071003)

根據(jù)國家能源局發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國光伏發(fā)電裝機總量約為253.43 GW[1]。作為影響光伏組件性能的重要參數(shù)之一，組件表面的積灰顯著降低了其效率和輸出功率，造成了較大的經(jīng)濟損失[2-3]。研究表明，戶外暴露70 d后，伊朗德黑蘭地區(qū)光伏組件表面6.1 g/m2的積灰量導致其輸出功率下降約21.47%[4]。因此，探究光伏組件的積灰特性以指導電站清灰工作的開展十分必要。

為消除積灰對光伏組件性能造成的負面影響并實現(xiàn)積灰的有效清除，需要了解污穢顆粒在組件表面的沉積機理及組件的積灰特性。孟廣雙等[5]對運動至組件表面的污穢顆粒進行了受力分析，指出小粒徑顆粒所受范德華力最大、重力次之，而大粒徑顆粒受力則相反，同時還建立了干燥環(huán)境下污穢顆粒力學模型，該模型未考慮顆粒所受毛細力對其運動和沉積的影響，因此不適用于濕度較大地區(qū)的光伏組件表面積灰機理的研究。梅耀奎[6]通過試驗研究提出顆粒臨界捕集速度的概念，其研究結(jié)果表明：當顆粒碰撞速度小于該臨界捕集速度時，顆粒發(fā)生沉積，反之則反彈。Isaifan等[7]分析了污穢顆粒的受力，指出在影響顆粒沉積的毛細力、范德華力、靜電力和重力中，濕度較高時，毛細力居主導地位，其約占總作用力的98%，但在干燥環(huán)境下，范德華力影響最大。Hachicha等[8]通過積灰試驗發(fā)現(xiàn)，積灰2周后，安裝傾角為0°、25°和45°的光伏組件，其表面積灰量分別增加了37.63%、14.11%和10.95%。Lu等[9]利用CFD模擬軟件建立了光伏組件的積灰模型，其仿真結(jié)果表明：當污穢顆粒粒徑小于10 μm時，積灰量與風速呈正相關(guān)變化，而大粒徑顆粒則相反。利用該模型可簡單預測組件表面的積灰量，但由于該模型僅考慮了重力而忽略了流體曳力等其他作用力對顆粒沉積的影響，故其研究結(jié)果具有一定局限性。

積灰影響光伏組件的電氣、光學及熱性能，進而影響其發(fā)電量。因此，根據(jù)實際積灰情況選擇合適的清灰方法至關(guān)重要。對光伏電站來說，減少清灰成本和提高清灰效率是其開展清灰工作時關(guān)注的重點。了解自然環(huán)境下光伏組件的積灰規(guī)律是制定清灰方案、實現(xiàn)高效低成本清灰目的的前提。目前關(guān)于光伏組件表面積灰量及其對組件性能影響的研究雖已取得了諸多成果，但關(guān)于污穢顆粒在組件表面的沉積機理特別是顆粒沉積條件的研究尚較少，仍存在一定的研究空間。因此，筆者針對組件表面的積灰問題，探究顆粒沉積機理并提出其沉積條件，在此基礎(chǔ)上，探究粒徑、風速和組件安裝傾角等多因素耦合和單因素對光伏組件表面積灰量的影響，以獲得自然環(huán)境下光伏組件表面的積灰特性，以期為組件清灰方案的選擇和清灰策略的制定提供一定理論依據(jù)。

1 數(shù)學模型及顆粒沉積機理分析

1.1 多物理場數(shù)學模型

自然環(huán)境下，污穢顆粒在風的裹挾下運動，當其運動至光伏組件表面時與之發(fā)生碰撞并沉積。由于環(huán)境的復雜性，顆粒的運動受到流場和顆粒場的共同影響。因此，模擬時主要利用COMSOL Multiphysics軟件中的湍流模塊和流體流動粒子追蹤模塊對顆粒的運動和沉積過程進行研究。在模擬流場時，將光伏組件周圍空氣視為不可壓縮黏性流體。經(jīng)計算，該流場為湍流。由于組件傾斜放置，氣流流經(jīng)時流線會發(fā)生一定程度的彎曲，為使模擬結(jié)果與實際情況更接近，模擬時流場采用時均法，并選用不可壓縮NANSk-ε模型[10-11]。流場控制方程如式(1)所示。

式中：u為流場速度，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；I為主應力張量，Pa；p0為大氣壓力，Pa;μT和μ分別為湍流動力黏度和空氣動力黏度，Pa·s；F為體積力，N/m3；k為湍動能，m2/s2；ε為湍流耗散率，m2/s3；Cμ、σk、σε、Cε1、Cε2為湍流模型參數(shù)；pk為湍動能源項，W/m3。

由于自然界中的污穢顆粒形狀各異，很難用統(tǒng)一的數(shù)學模型來描述，且顆粒在光伏組件表面的沉積是一個統(tǒng)計規(guī)律，故模擬時對顆粒進行如下簡化：將污穢顆粒等效為球形顆粒，其與光伏組件表面的碰撞符合JKR接觸模型[12]；顆粒初始速度與流場速度相同；由于污穢顆粒在空氣中運動所形成的兩相流為稀相，故模擬時忽略顆粒-顆粒的相互作用。顆粒運動方程如式(2)所示。

(2)

式中：mp為顆粒質(zhì)量，g；v為顆粒運動速度，m/s；t為顆粒運動時間，s；Ft為顆粒所受合力，N。

1.2 污穢顆粒沉積機理分析

1.2.1 顆粒力學行為分析

污穢顆粒的沉積是其所受不平衡力作用的結(jié)果。因此，有必要探究顆粒在運動及其與光伏組件碰撞黏附過程的受力。當顆粒在氣固稀相流中運動時，流體對顆粒的作用力包括流體曳力、Saffman升力、布朗力、Magnus力以及壓力、梯度力等。無量綱分析表明，對于密度較大的微米級粒徑顆粒，只有流體曳力Fd起主要作用[13]。因此，筆者在研究氣固稀相流中顆粒受力時，考慮了影響污穢顆粒運動的主要作用力即流體曳力，而忽略了上述其他力的影響。此外，運動中的顆粒還將受到重力Fg和空氣浮力Fb的作用。顆粒若要沉積在光伏組件表面，其不可避免地要與組件表面發(fā)生碰撞。因此，顆粒所受的碰撞力Fp也不可忽略。該力大小與顆粒擠壓組件表面產(chǎn)生的壓縮位移有關(guān)，其計算式[14]如下：

(3)

式中：ξ為碰撞系數(shù)；L為壓縮位移，μm；Lav和Lmax分別為L的平均值和最大值，μm；x0為壓縮形變周期；r和R分別為發(fā)生碰撞的顆粒半徑和光伏組件表面半徑(對于光伏組件來說，R→∞)，μm；α1、υ1和E1分別為顆粒的彈性形變系數(shù)、泊松比和楊氏彈性模量(Pa)；α2、υ2和E2分別為光伏組件表面的彈性形變系數(shù)、泊松比和楊氏彈性模量(Pa)；m*和M分別為等效質(zhì)量和光伏組件表面質(zhì)量(由于M?mp，故m*≈mp)，g。

當顆粒在光伏組件表面運動時，其還將受到摩擦力Ff和黏附力Fa的影響。在干燥環(huán)境下，由于顆粒與組件表面間難以形成液橋，此時黏附力Fa主要為范德華力Fw；在潮濕環(huán)境下，組件表面會吸附一定厚度的水膜，此時水分子對顆粒的毛細作用力即毛細力Fc不可忽略，故該環(huán)境下黏附力Fa為范德華力Fw和毛細力Fc之和。各力計算公式[15]如下:

(4)

式中：cRH為空氣相對濕度，簡稱濕度；h為水膜厚度，nm；T為室內(nèi)溫度，K；Rg為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；V0為室溫下水的摩爾體積，m3/mol；a為接觸的兩物體表面的間距，nm；H1、H2分別為接觸的兩物體在空氣和水中的Hamaker常數(shù)[16]；em為單層水分子飽和吸附時的等效厚度[17]，nm；CB為水分子吸附系數(shù)[18]。

大氣中飛灰顆粒的帶電情況較復雜，其處于荷電狀態(tài)的概率大于未荷電狀態(tài)[19]，且粒徑越大，其所帶電量越多。因此，當帶電顆粒運動至光伏組件表面時，二者之間會建立微小的電場，從而增強組件表面對顆粒的吸附。已有研究表明[20]，帶電顆粒的沉積可使光伏組件的電壓降低35%以上，且顆粒的帶電量越多，電壓降低幅度越大。因此，探究干燥環(huán)境下顆粒在組件表面的沉積情況時，靜電力Fe的作用不可忽視。

綜上分析，當顆粒與光伏組件表面碰撞時，以碰撞點為原點、以z軸為組件表面的法線方向建立坐標系，顆粒所受各力如圖1所示。其中，θ為顆粒速度方向與法向z軸的夾角；φ為顆粒速度v在xoy面的投影與y軸的夾角；δ為光伏陣列安裝傾角。

1.2.2 表面能對顆粒沉積的影響

研究顆粒在光伏組件表面的運動和沉積特性時，除需要考慮圖1所示的顆粒受力外，表面能(即表面自由能)對顆粒沉積的影響也不可忽視。根據(jù)能量最低原理，能量越低，體系就越穩(wěn)定。因此，無論是顆粒還是光伏組件表面，均通過吸附碰撞到其表面的顆粒以維持自身的平衡。此外，固體表面能越大，其吸附性也就越強。研究表明[21]：相比污穢顆粒，光伏組件表面的表面能較大，這決定了其不可避免地要黏附顆粒。因此，研究顆粒的沉積時也應考慮顆粒與光伏組件表面的表面能。

圖1 顆粒與光伏組件表面碰撞過程受力示意圖Fig.1 Force diagram of the collision process between particles and PV module surfaces

1.2.3 顆粒沉積機理分析

顆粒與光伏組件表面碰撞之后若能發(fā)生沉積，則碰撞后的顆粒速度為0 m/s。由于表面能體現(xiàn)的是兩物體表面之間的吸附特性，當兩物體接觸后，這種吸附作用主要以界面能的形式體現(xiàn)，其作用效果與黏附力相似，故模擬時將其考慮為法向作用。由動能定理可知，顆粒若能沉積，則需在碰撞面的法向和切向上同時滿足以下條件：

(5)

式(5)所示的顆粒沉積條件表達式也稱為顆粒沉積判據(jù)。在利用COMSOL Multiphysics軟件模擬探究顆粒在光伏組件表面的運動和沉積時，可將該沉積判據(jù)編寫于軟件中，以對顆粒的沉積情況進行判定。

2 光伏組件積灰數(shù)值模型合理性驗證

本節(jié)擬進行光伏組件自然積灰試驗，通過相同條件下積灰試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比，驗證積灰數(shù)值模型和所提出的顆粒沉積條件的合理性。

2.1 自然積灰試驗

2.1.1 試驗平臺

利用搭建于風機大廳樓頂?shù)墓夥嚵性囼炂脚_進行自然積灰試驗[23]。如圖2所示，該光伏陣列由3塊YL250P-29b型多晶硅光伏組件串聯(lián)而成，其主要參數(shù)見表1。根據(jù)光伏組件安裝傾角和當?shù)鼐暥鹊年P(guān)系[24]，確定該組件安裝傾角為45°。

圖2 光伏陣列Fig.2 PV array

表1 光伏組件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of PV modules

除了光伏組件外，積灰試驗所需的其他儀器見表2。

表2 試驗儀器參數(shù)Tab.2 Experimental instrument parameters

2.1.2 試驗方案

利用圖2所示的光伏陣列進行自然積灰試驗時，由于組件表面的積灰較干松，為盡可能地減少積灰收集過程中因灰塵掉落地面造成的損失，利用吸附性較強的靜電吸附紙收集積灰。具體操作步驟為：利用干燥且稱重后的靜電吸附紙均勻擦拭所有光伏組件玻璃表面，以得到其表面沉積的全部污穢質(zhì)量。根據(jù)表1所示的光伏組件主要參數(shù)，擦拭面積為3塊光伏組件表面的總有效面積，約為4.5 m2。將擦拭后攜有污穢的靜電吸附紙干燥后再次用電子天平稱量，二者的差值即為組件表面沉積的污穢總質(zhì)量。取該質(zhì)量與3塊光伏組件表面總有效面積的比值，即可得到光伏組件積灰量。

此外，還需記錄各試驗周期內(nèi)的自然環(huán)境條件，如風速、溫度和濕度等。由于試驗周期及其環(huán)境條件不盡相同，為使測量的環(huán)境參數(shù)盡可能真實地反映實際天氣情況，利用風速儀、濕度儀和溫度采集裝置在試驗周期內(nèi)每天進行數(shù)據(jù)測量并記錄。試驗結(jié)束時，取測量周期內(nèi)記錄的所有數(shù)據(jù)的平均值作為各積灰試驗的環(huán)境風速、濕度和溫度。其中，試驗時測量的風速方向與地面平行并指向光伏組件表面。

2.1.3 光伏組件表面顆粒粒度分析

在光伏組件自然積灰試驗開展期間，利用Mastersizer 3000激光粒度分析儀對組件表面沉積的污穢顆粒進行粒度分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 光伏組件表面顆粒粒徑分布Fig.3 Particle size distribution on the PV module surfaces

從圖3可以看出，光伏組件表面約80%的污穢顆粒粒徑≤30 μm，且粒徑為11.21～27.37 μm的顆粒所占比例最多。在模擬計算顆粒在光伏組件表面的沉積時，模擬計算量隨顆粒粒徑的減小呈近似指數(shù)增加，且模擬時間也大大增加。因此，在綜合權(quán)衡模擬結(jié)果和模擬時間的基礎(chǔ)上，選取粒徑為10～30 μm的顆粒進行試驗條件下的光伏組件自然積灰數(shù)值模擬。

2.2 試驗條件下的自然積灰數(shù)值模擬

2.2.1 自然積灰模型的建立

模擬時，利用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建與試驗的光伏陣列尺寸相同的物理模型，如圖4(a)所示。在光伏陣列外面構(gòu)建6.5 m×4 m×2.5 m(長×寬×高)的長方體區(qū)域作為流場計算區(qū)域，如圖4(b)所示。為使模擬結(jié)果與試驗結(jié)果更接近，對光伏陣列模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。該光伏陣列模型的總網(wǎng)格數(shù)約為135萬時，能較好地滿足模擬結(jié)果精度和模擬時間的要求。

(a)光伏陣列模型

2.2.2 模擬條件設置

2.2.2.1 物性參數(shù)設置

模擬時，利用COMSOL Multiphysics軟件內(nèi)置的材料庫或自定義材料屬性進行物性參數(shù)設置。根據(jù)試驗中YL250P-29b型多晶硅光伏組件材料特征，將組件表面、電池及組件邊框分別設置為玻璃、多晶硅和鋁合金。此外，將流場區(qū)域設置為空氣，并根據(jù)試驗測得的環(huán)境溫度和濕度設定空氣相關(guān)參數(shù)。

2.2.2.2 物理場邊界條件設置

物理場邊界條件的設置如圖4(b)所示。其中，流場模塊采用速度入口和壓力出口，其余壁面為對稱邊界，其速度和壓力分布通過壁面函數(shù)法求解。此外，環(huán)境風速、溫度和濕度均根據(jù)試驗測量數(shù)值進行設置。

在流體流動粒子追蹤模塊中，將光伏面板壁面條件設置為表達式黏附，并將式(5)所示的沉積條件編寫于此。此外，顆粒粒徑(10～30 μm)、密度、圖1所示的顆粒受力以及顆粒與玻璃蓋板的表面能均可在該模塊中直接設置。顆粒自入口以瞬態(tài)形式隨風送入，當其運動至組件表面時，利用沉積條件對其沉積情況進行判定：滿足條件則顆粒沉積，否則發(fā)生漫散射而脫離組件表面。當顆粒再次與組件表面碰撞時，則重新進行沉積判定直至模擬結(jié)束。

2.3 模擬與試驗結(jié)果的對比分析

模擬結(jié)束后統(tǒng)計光伏組件表面沉積的顆粒數(shù)目(也可直接統(tǒng)計沉積顆粒的總質(zhì)量)，通過將模擬時長內(nèi)的顆粒沉積數(shù)目折算為各試驗周期內(nèi)的顆粒沉積總數(shù)，進而得到光伏組件表面的積灰量ρd，其計算方法如式(6)所示。

(6)

式中：τ為時間修正系數(shù)，取0～1；n為組件表面沉積的污穢顆粒總數(shù)，可在軟件中直接統(tǒng)計；ts為積灰試驗周期，s；tp為積灰模擬時長，s；S為光伏組件表面總有效面積，m2。

模擬時為減小誤差，每個工況均模擬5次并取其平均值，作為最終的積灰模擬結(jié)果。表3給出了各試驗周期內(nèi)的模擬與試驗結(jié)果。

表3 積灰模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比Tab.3 Comparison of dust accumulation simulation and experimental results

由表3可知，各積灰試驗周期內(nèi)的風速均較小，這可能與光伏組件所處的地理位置有關(guān)。該積灰試驗平臺位于本校風機大廳樓頂，其所處高度小于四周的建筑物高度，建筑物的遮擋可能導致試驗時吹向組件表面的風速較小。此外，由表3還可以看出，在相同條件下，試驗與模擬結(jié)果的積灰量數(shù)量級相同，且隨積灰時長的變化趨勢一致，即試驗周期越長，積灰量越大。這表明所建立的積灰數(shù)值模型和提出的顆粒沉積條件是合理的，可將其用于光伏組件表面積灰特性的研究。但模擬與試驗結(jié)果之間仍存在一定差異，原因可能是：

(1)光伏組件所處的自然環(huán)境復雜多變，試驗中的環(huán)境溫度、濕度和風速均在動態(tài)變化中。為盡量減小環(huán)境參數(shù)對積灰的影響，模擬時取試驗周期內(nèi)各參數(shù)的平均值進行設置，來近似代表同一試驗周期內(nèi)的氣象參數(shù)。

(2)自然積灰試驗周期較長，因計算平臺性能限制，模擬時完整再現(xiàn)各積灰周期內(nèi)顆粒的運動和沉積過程較困難。模擬時進行了簡化處理，忽略了已沉積顆粒對后續(xù)顆粒運動和沉積的影響，并采用折算方法，將模擬時長內(nèi)的積灰量折算為整個積灰周期內(nèi)的積灰量。

(3)自然環(huán)境下，光伏組件表面沉積的污穢顆粒大小不一且形狀各異。為減少計算量，模擬時對顆粒模型進行了簡化，將其等效為球形，并忽略了顆粒所受的Saffman升力、布朗力、Magnus力和壓力梯度力等較小的力以及顆粒間的相互作用，認為顆粒在運動過程中形狀保持不變，且不發(fā)生破碎或凝并行為。

3 光伏組件積灰特性數(shù)值模擬

3.1 多因素耦合對積灰量的影響分析

自然環(huán)境下，污穢顆粒在光伏組件表面的運動和沉積較復雜，受眾多因素共同影響。圖5給出了多因素耦合對組件表面積灰量的影響。

由圖5可以看出，當風速、顆粒粒徑和安裝傾角不同時，組件表面積灰量差異較大，這也從側(cè)面說明各因素對組件性能的影響不同。如圖5(a)所示，當安裝傾角為45°時，各粒徑顆粒(10 μm顆粒除外)均在風速為7 m/s時積灰量最大。這是因為大風速增強了顆粒的跟隨性，進而增大了其與組件表面的碰撞概率，導致積灰量增加。此外，各風速下10 μm顆粒的積灰量大于其他粒徑，表明相同條件下小粒徑顆粒更易發(fā)生沉積。

由圖5(b)和圖5(c)可知，當顆粒粒徑為10 μm時，各風速下光伏組件表面積灰量的最小值和最大值分別在15°和45°安裝傾角處取得；當風速為1 m/s時，相比安裝傾角為15°的光伏組件，10 μm顆粒在安裝傾角較大的光伏組件表面沉積較多，這表明小粒徑顆粒更易在大風速環(huán)境下沉積于安裝傾角較大的光伏組件表面。

綜合分析圖5可知，當顆粒粒徑為10～15 μm、風速為1～2 m/s和6～7 m/s且安裝傾角為30°～60°時，組件表面的積灰量較大。此外，對于光伏電站來說，掌握組件表面污穢顆粒的粒徑分布規(guī)律及電站所在地區(qū)的年平均風速，有助于光伏組件表面積灰量的預測。

3.2 單因素對積灰量的影響分析

光伏組件表面的積灰量是顆粒粒徑、風速和安裝傾角等因素的函數(shù)。因此，本節(jié)擬探究各因素對積灰量的具體影響，以期為組件清灰策略的制定提供一定理論支撐，實現(xiàn)積灰的有效去除。

(a)δ=45°

3.2.1 顆粒粒徑的影響

顆粒粒徑大小對顆粒運動和沉積的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，顆粒質(zhì)量與粒徑的三次方呈正比，故隨著粒徑的變化，顆粒受力發(fā)生改變；另一方面，質(zhì)量不同的顆粒，其慣性也不同，故其對氣流的跟隨性也不同。這兩方面的作用導致不同粒徑的顆粒在光伏組件表面的積灰量不同。圖6給出了各風速下積灰量隨顆粒粒徑的變化。

由圖6可知，當光伏組件安裝傾角不同時，各風速下不同粒徑顆粒的積灰量也不同。如圖6(a)所示，當安裝傾角為15°時，組件表面積灰量隨粒徑增大先減少后增加。此時，積灰量的最小值和最大值分別在粒徑為20 μm且風速為3 m/s以及粒徑為10 μm且風速為1 m/s處取得，約為1.3 g/m2和7.2 g/m2。原因可能是：在相同風速下，隨著粒徑的增大，顆粒動能顯著增大，碰撞后也越容易脫離光伏組件表面，但粒徑的增大也減弱了顆粒的跟隨性；對同一顆粒來說，風速的增大也會相應地增加顆粒的跟隨性及其動能，使其更易隨風運動并與組件表面發(fā)生碰撞，但風速與積灰量并不呈現(xiàn)簡單的線性變化，當風速增大到一定程度時，其會吹落光伏組件表面的顆粒。對于小粒徑(10 μm)顆粒來說，大風速可能吹走已沉積的顆粒，造成積灰量減少。除風速和粒徑外，安裝傾角通過影響顆粒與組件表面碰撞后的反射速度以及顆粒沿組件斜面方向的受力，進而影響顆粒的沉積。

(a)δ=15°

由圖6(b)可以看出，當安裝傾角為30°時，風速為3 m/s下組件表面積灰量隨顆粒粒徑增大而減小，而其他風速下的積灰量隨粒徑增大先減少后增加，且均在粒徑為25 μm時最少，這可能是風速、粒徑以及安裝傾角的共同作用導致的。

分析圖6(c)和圖6(d)可知，隨著安裝傾角的增大，當其增大至45°和60°時，積灰量與粒徑呈負相關(guān)變化，且其隨粒徑增大近似呈線性減少。這可能是因為：一方面，當安裝傾角較大時，大粒徑顆粒的速度響應時間較長，且其對氣流的跟隨性較差，故顆粒與光伏組件表面的碰撞概率減??；另一方面，當安裝傾角較大時，大粒徑顆粒在重力作用下更容易沿光伏組件斜面滑落。因此，組件安裝傾角較大時，大粒徑顆粒的積灰量較小。此外，分析圖6(a)～圖6(d)還可以發(fā)現(xiàn)，在同一風速和顆粒粒徑下，不同安裝傾角的光伏組件表面的積灰量不同。這是因為安裝傾角越小，顆粒碰撞后的動能損失越大，故其越不容易脫離光伏組件表面；隨著安裝傾角的增大，顆粒碰撞后的反射速度逐漸增大，故其動能損失減小，碰撞后的顆粒易脫離組件表面。

綜合分析圖6可知，對于安裝傾角為15°～60°的光伏組件，各風速下積灰量均在小粒徑10 μm處取得最大值。這也為組件表面的維護和清灰工作的開展提供了思路，即開發(fā)一種表面能小且透射率高的自清潔超疏水涂層，以抑制10 μm顆粒的沉積，在減少組件表面積灰量的同時也有助于組件效率的提高。

3.2.2 風速的影響

自然環(huán)境中的風速大小不僅影響流場的強弱，也影響顆粒所受的流體曳力的大小。而流體曳力的大小在一定程度上決定了顆粒的運動軌跡，進而影響顆粒的運動和在光伏組件表面的沉積。因此，探究風速對組件表面積灰量的影響十分必要。當安裝傾角不同時，積灰量隨風速的變化見圖7。

由圖7可知，同一粒徑和安裝傾角下，組件表面積灰量隨風速增大近似呈“V”形變化，即積灰量隨風速的增大先減少后增加，且均在風速為3 m/s處取得最小值。由此可知，若從積灰量角度考慮，粒徑不大于30 μm且年平均風速約3 m/s的地區(qū)可能更適合光伏電站的建設。

(a)顆粒粒徑為10 μm

風速對顆粒的沉積有重要影響，且影響較復雜。分析圖7還可以看出，當其他條件相同時，10 μm顆粒的積灰量在風速為1 m/s時取得最大值，而其他粒徑(≥15 μm)顆粒的最大積灰量均在7 m/s處取得。原因可能是：小風速(1～3 m/s)下，隨著風速的增大，顆粒的速度和所受流體曳力也逐漸增大，從而增大了顆粒與組件表面發(fā)生碰撞的可能性。但相比顆粒所受的重力和黏附力，流體曳力的增大可能會吹落已沉積在組件表面的顆粒，導致積灰量減少。因此，在小風速下，3 m/s時的積灰量小于1 m/s時。但隨著風速的繼續(xù)增大，顆粒的跟隨性大大增加，而其速度響應時間逐漸縮短。此外，流體曳力也隨風速的增大而增大，并逐漸成為影響顆粒運動和沉積的主推力，進而促使顆粒運動至組件表面并發(fā)生沉積。此時，積灰量隨風速增大而增加。因此，在所受各力的共同作用下，顆粒沉積于光伏組件表面，但不同粒徑的顆粒所受各力的大小不同，導致其取得最大積灰量時的條件有所差別。對于小粒徑10 μm顆粒和較大粒徑(≥15 μm)顆粒，其積灰量最大值分別在風速為1 m/s和7 m/s處取得。這也從側(cè)面說明小顆粒更易在小風速下發(fā)生沉積，而較大粒徑(≥15 μm)顆粒則相反。

綜合分析圖7還可以看出，當組件安裝傾角和顆粒粒徑不同時，風速對組件表面積灰量的影響不同。如圖7(d)所示，當粒徑為30 μm時，不同安裝傾角的光伏組件在風速為1 m/s時的積灰量均大于風速為3 m/s和5 m/s時。這表明在其他條件相同的情況下，與風速為1 m/s時相比，較大風速如3 m/s和5 m/s可能有助于組件表面已沉積顆粒的去除。

3.2.3 安裝傾角的影響

光伏組件的安裝傾角不僅影響組件表面所接收輻射量的大小，還影響污穢顆粒與組件表面發(fā)生碰撞后的反射速度以及顆粒在組件法向和沿斜面方向的受力，從而影響顆粒的沉積。圖8給出了積灰量隨組件安裝傾角的變化趨勢。

(a)風速為1 m/s

分析圖8可知，當粒徑≤20 μm時，各風速下組件表面積灰量均隨安裝傾角的增大先增加后減少，且10 μm顆粒的積灰量最大，這可能是因為：在相同條件下，與較大粒徑顆粒相比，10 μm顆粒的跟隨性較好，故其更易與組件表面發(fā)生碰撞以增大沉積概率。此外，10 μm顆粒碰撞后的反射速度和動能均較小，故其不易脫離組件表面進而發(fā)生沉積；當粒徑增大至25 μm時，小風速(1 m/s)和大風速(7 m/s)下，積灰量均隨安裝傾角的增大而減少，而其他風速下積灰量隨安裝傾角的增大呈脈動變化；當粒徑繼續(xù)增大至30 μm時，各風速下組件表面積灰量均隨安裝傾角的增大呈近似線性減少趨勢，且當安裝傾角由15°分別增大至30°、45°和60°時，可使風速為7 m/s下的積灰量分別降低約23.1%、37.5%和52.4%，其減少量分別為1.0 g/m2、1.6 g/m2和2.3 g/m2。原因可能是：隨著安裝傾角的增大，顆粒與光伏組件表面碰撞后的反射速度也越大，故顆粒碰撞后的動能損失較小。因此，在相同條件下，安裝傾角越大，與組件發(fā)生碰撞后的顆粒越容易發(fā)生反射而脫離組件表面，從而減少積灰量。

從圖8還可以看出，各風速下，小粒徑(≤20 μm)顆粒更易在安裝傾角45°時發(fā)生沉積，而大粒徑(30 μm)顆粒更易在安裝傾角較小時沉積。這也說明各風速下，組件安裝傾角對不同粒徑顆粒沉積的影響不同。

安裝傾角不僅影響光伏組件表面的積灰量，還影響組件表面接收到的太陽輻射量。因此，在光伏電站規(guī)劃階段，應在綜合評估安裝傾角對積灰量和輻射量影響的基礎(chǔ)上，確定最佳安裝傾角。若僅從積灰量角度考慮，污穢顆粒粒徑約為30 μm的地區(qū)，適當增大組件安裝傾角可能有助于降低積灰量。

4 結(jié) 論

(1)安裝傾角為15°的光伏組件的表面積灰量隨粒徑增大先減少后增加，且在粒徑為20 μm和風速為3 m/s處取得最小值1.3 g/m2；當光伏組件安裝傾角為15°～60°時，各風速下積灰量均在小粒徑10 μm處取得最大值。

(2)對于安裝傾角為15°～60°的光伏組件，開發(fā)一種表面能小且透射率高的自清潔超疏水涂層，以抑制10 μm顆粒的沉積，在減少組件表面積灰量的同時也可提高組件效率。

(3)組件表面積灰量隨風速增大近似呈 “V”形變化；若僅從積灰量角度考慮，污穢顆粒粒徑不大于30 μm且年平均風速約3 m/s的地區(qū)，可能更適合光伏電站的建設。

(4)當粒徑為30 μm時，組件表面積灰量隨著安裝傾角的增大近似線性減少，且當安裝傾角由15°分別增大至30°、45°和60°時，可使風速為7 m/s的積灰量分別減少約1.0 g/m2、1.6 g/m2和2.3 g/m2。

(5)當顆粒粒徑為10～15 μm、風速為1～2 m/s和6～7 m/s且安裝傾角為30°～60°時，組件表面的積灰量較大。