呂玉坤, 魏子安, 魏壯, 周慶文, 劉思成
(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院, 保定 071003)
為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo),中國(guó)將繼續(xù)擴(kuò)大光伏發(fā)電的應(yīng)用規(guī)模,但光伏組件表面積灰會(huì)降低其透光率,影響其發(fā)電效率,甚至對(duì)組件產(chǎn)生腐蝕作用,從而影響其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[1]。不同污染環(huán)境下,空氣中的灰塵顆粒在風(fēng)場(chǎng)及自身重力等多因素耦合作用下,在光伏組件表面發(fā)生沉積、滑落或反彈,一系列因素的影響下顆粒的黏附會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此,研究光伏組件積灰特性,認(rèn)識(shí)污穢顆粒的沉積過(guò)程,可為光伏組件清灰提供理論指導(dǎo),對(duì)提升光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
在積灰對(duì)光伏組件表面透射率影響的研究方面,在塞內(nèi)加爾達(dá)喀爾地區(qū),Diop等[2]研究發(fā)現(xiàn):1.63、3.3 g/m2的灰塵沉積,光伏板平均透射率降低8%、50%。Jia等[3]研究發(fā)現(xiàn):安裝傾角為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°及90°的光伏組件自然積灰33 d后,其上、下表面平均透光率分別為88.7%、87.9%。樸在林等[4]通過(guò)對(duì)戶用型光伏組件的自然積灰試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨光伏組件安裝傾角的增大,積灰對(duì)玻璃蓋板透光率的影響減??;在積灰密度相同時(shí),增加光照強(qiáng)度,玻璃蓋板透光率并沒(méi)有明顯提高。
在積灰對(duì)光伏組件輸出功率影響的研究方面,楊亞林等[5]測(cè)量了不同積灰密度下的輸出功率,結(jié)果顯示:當(dāng)積灰密度為10.78、29.56、48.67 g/m2時(shí),其輸出功率分別減少了17.83%、39.43%、55.89%。Basant等[6]對(duì)光伏電站中的光伏陣列進(jìn)行了自然積灰實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)5個(gè)月的自然積灰后,光伏陣列表面積灰濃度為9.67 g/m2,同時(shí)其光電轉(zhuǎn)換效率為未積灰時(shí)的70.24%。Li等[7]歸納總結(jié)了灰塵物理特性對(duì)光伏組件輸出功率的影響,發(fā)現(xiàn)灰塵顆粒粒徑及其化學(xué)成分均會(huì)影響光伏組件的輸出功率。Javed等[8]進(jìn)行了為期1個(gè)月的光伏板自然積灰實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)1、7、30 d的灰塵沉積后,光伏板光電轉(zhuǎn)換效率分別下降了6.24%、11.8%、18.74%。
對(duì)灰塵顆粒黏附機(jī)理研究方面,灰塵的物理特性與多種因素有關(guān)。Ts等[9]、Said 等[10]研究發(fā)現(xiàn):顆粒粒徑(2~10 μm)較小時(shí),光伏組件表面沉積更均勻,透光率下降更明顯?;覊m顆粒與電池板表面間由于自由能的存在,故產(chǎn)生了黏附作用力[11]。Moutinho等[12]對(duì)灰塵黏附進(jìn)行了分析,得出靜電力、毛細(xì)力及范德華力是使灰塵顆粒黏附的主要受力。目前,對(duì)于不同污染環(huán)境下的污穢顆粒在光伏組件表面的積灰特性,包括其受力特性及運(yùn)動(dòng)行為尚無(wú)明確定論,有關(guān)污穢顆粒沉積機(jī)理的研究尚有較大研究空間。
綜上所述,關(guān)于光伏組件積灰特性的研究以實(shí)驗(yàn)研究為主。但是自然條件下,光伏組件表面積灰過(guò)程復(fù)雜且所受環(huán)境因素較多。試驗(yàn)研究難以控制單一變量,而數(shù)值模擬方法能通過(guò)多物理場(chǎng)耦合分析單一變量對(duì)光伏組件表面積灰的影響,可為光伏組件清灰提供理論指導(dǎo)。因此,現(xiàn)以YL250P-29b型串聯(lián)光伏組件為研究對(duì)象,擬開(kāi)展其自然積灰試驗(yàn)和數(shù)值模擬,以驗(yàn)證模擬方法的合理性,模擬分析濕度、污穢濃度、顆粒粒徑、風(fēng)速等因素對(duì)其積污特性的影響。
光伏組件表面污穢顆粒的沉積是流場(chǎng)和顆粒場(chǎng)等耦合作用的結(jié)果。利用湍流模型模擬光伏組件周圍流場(chǎng)分布,將污穢顆粒視為離散相,利用粒子追蹤模型模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡??紤]光伏組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn),氣流在流經(jīng)其表面時(shí)易發(fā)生彎曲,故選用RANSk-ε模型[13];并考慮壁面曲率、湍流漩渦等因素對(duì)計(jì)算精度的影響,其控制方程組如式(1)所示。
(1)
式(1)中:U為流場(chǎng)速度,m/s;I為主應(yīng)力張量,Pa;μ和μT分別為空氣動(dòng)力黏度和湍流動(dòng)力黏度,Pa·s;ρ為空氣密度,kg/m3;F為體積力,N/m3;k為湍動(dòng)能,m2/s2;ε為湍流耗散速率,m2/s3;Cμ為黏度系數(shù);σk、σε、Cε1、Cε2為湍流模型參數(shù);Pk為湍動(dòng)能源項(xiàng),W/m3。
所研究的污穢顆粒是大氣中的飛灰顆粒,其形狀近似球形且粒徑在微米量級(jí),屬稀相,對(duì)流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響。在流體流動(dòng)粒子追蹤模塊中,可模擬污穢顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)球形顆粒,其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可描述為
(2)
式(2)中:mp為污穢顆粒質(zhì)量,kg;v為污穢顆粒速度,m/s;t為污穢顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,s;fg、fd、ff分別為污穢顆粒所受重力、流體曳力及浮力,N。
在氣固兩相流體系中,污穢顆粒為稀相且粒子間的相互作用微弱,故模擬時(shí)忽略污穢顆粒之間的相互作用力后,上述各力的計(jì)算公式可描述為
(3)
式(3)中:d為顆粒直徑,m;ρ為顆粒密度,kg/m3;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;m為顆粒質(zhì)量,kg;u和v分別為流場(chǎng)和顆粒速度,m/s;τp為顆粒在流場(chǎng)中的速度響應(yīng)時(shí)間,s;CD為阻力系數(shù);μ為空氣動(dòng)力黏度,Pa·s;Rer為雷諾數(shù)。
隨濕度改變,空氣密度和空氣動(dòng)力黏度隨之改變,從而影響污穢顆粒所受流體曳力及浮力。表1給出了不同濕度下空氣的密度與動(dòng)力黏度。
表1 不同濕度下空氣的密度與動(dòng)力黏度Table 1 Density and dynamic viscosity of air under different humidity
試驗(yàn)平臺(tái)由光伏組件(3塊250 W光伏組件串聯(lián)而成)、控制器、蓄電池(2塊95 Ah電池并聯(lián))、溫度采集裝置和氣象采集裝置等[14]組成。其中,光伏組件的尺寸為1 650 mm×990 mm×35 mm,安裝傾角為45°。
自然積灰試驗(yàn)期為2019年9—12月,試驗(yàn)選擇在微風(fēng)無(wú)雨且環(huán)境條件穩(wěn)定的時(shí)間里進(jìn)行。為研究污穢顆粒的沉積量,每隔相同時(shí)間收集灰塵、稱重并記錄每次稱重的灰塵質(zhì)量及氣象條件。沉積量為顆粒在光伏組件單位面積上的質(zhì)量,故將擦拭前后的靜電吸附紙分別進(jìn)行干燥,利用天平稱量出用靜電吸附紙擦拭前后的質(zhì)量差,再取其與陣列表面有效面積的比值,即為沉積量。自然積灰試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 自然積灰試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Natural dust accumulation test results
由于模擬時(shí)光伏組件支架無(wú)實(shí)際統(tǒng)計(jì)意義,且因支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜將增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量與運(yùn)算時(shí)間,故建模時(shí)略去支架結(jié)構(gòu)。采用SolidWorks建模軟件繪制完畢后導(dǎo)入COMSOL軟件,建模時(shí)光伏組件安裝傾角及排列方式按照真實(shí)情況構(gòu)建,可得到與實(shí)際光伏組件尺寸、材質(zhì)相同的物理模型。
為使流體在所研究的流場(chǎng)內(nèi)達(dá)到充分發(fā)展,以便較為真實(shí)地反映出其周圍流場(chǎng)的分布特性,在光伏組件外部建立了一個(gè)尺寸為6 m×3 m×4 m的長(zhǎng)方體計(jì)算區(qū)域,其自然積灰物理模型如圖1所示。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,綜合考慮了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)和計(jì)算精度的情況下,最終確定光伏組件自然積灰模型網(wǎng)格數(shù)為113.6萬(wàn)。
圖1 光伏組件自然積灰物理模型及其邊界條件設(shè)置Fig.1 Physical model and boundary conditions of natural dust accumulation in PV array
(1)物性參數(shù)設(shè)置。利用COMSOL軟件模擬時(shí),依據(jù)材料真實(shí)屬性,將光伏板表面及其邊框分別設(shè)置為玻璃和鋁合金,將流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域設(shè)置為空氣。
(2)邊界條件設(shè)置。如圖1所示,將流場(chǎng)邊界設(shè)置為速度入口和壓力出口,其余4個(gè)面設(shè)置為對(duì)稱邊界,并利用壁面函數(shù)求解其速度和壓力分布。其中,入口風(fēng)速分別設(shè)為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m/s。污穢顆粒采用密度為2 200 kg/m3的大氣飛灰顆粒。在顆粒場(chǎng)中,由入口端分別釋放粒徑為20、25、30 μm的污穢顆粒,當(dāng)其與光伏組件表面發(fā)生碰撞時(shí)進(jìn)行判定,滿足沉積判據(jù)則沉積在光伏組件表面,否則將會(huì)反彈,沉積判據(jù)依據(jù)文獻(xiàn)[15]設(shè)置。
將光伏組件在相同條件下的自然積污特性試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)誤差產(chǎn)生原因加以分析,以驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。
由于氣象條件及實(shí)驗(yàn)臺(tái)所處地理位置等不可控自然因素,灰塵顆粒難以在光伏組件上穩(wěn)定地沉積,因此采用時(shí)間折算的方式將各個(gè)風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的灰塵積累時(shí)間均統(tǒng)一為一周。光伏組件在不同風(fēng)速作用下,其表面積灰平均值的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of numerical simulation and experimental results
由表3可知,模擬與試驗(yàn)結(jié)果積灰量為同一數(shù)量級(jí),且最大誤差為18.86%,最小誤差為9.34%,在工程誤差允許范圍內(nèi),從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的合理性。
數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果誤差產(chǎn)生主要由以下因素造成:試驗(yàn)收集灰塵過(guò)程中會(huì)有一定的損失,難以完全進(jìn)行清潔并收集,使得試驗(yàn)值略小于模擬值;仿真中以大氣飛灰作為污穢顆粒進(jìn)行吹送,入口邊界上顆粒粒度分布不易給出;仿真模擬對(duì)初始邊界條件極為敏感,但氣固兩相流入口速度分布及離散相體積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分布等參數(shù)難以一一準(zhǔn)確給出。
利用建立的污穢顆粒沉積模型,研究污穢濃度c、顆粒粒徑d、濕度RH及風(fēng)速v等因素對(duì)光伏組件積灰量的影響。
光伏組件布置于室外露天環(huán)境中,環(huán)境變化復(fù)雜多樣。霧、霾及雨天等特殊天氣下,空氣中濕度變化較大,會(huì)直接影響到光伏組件上灰塵顆粒的沉積。圖2所示為20 μm顆粒粒徑時(shí),不同風(fēng)速及污穢濃度下積灰量隨濕度的變化情況。
圖2 不同風(fēng)速及污穢濃度下積灰量隨濕度的變化情況Fig.2 Variation of dust accumulation with humidity under different wind speeds and contamination concentrations
如圖2所示,在不同風(fēng)速和污穢濃度下,濕度的改變對(duì)光伏組件表面積灰量影響不是很大。在5 m/s風(fēng)速和0.45 mg/m3污穢濃度下,當(dāng)濕度由20%增加到80%時(shí),光伏組件表面積灰量由4.75 g/m2增加到5.25 g/m2,其增幅約為0.50 g/m2。這表明隨濕度增加,積灰量雖稍有提高,但變化較小。增幅較小的原因在于:隨空氣濕度增加,污穢顆粒中會(huì)含有一定水分,風(fēng)使顆粒的再懸浮效應(yīng)增強(qiáng),從而使其黏性減小且更易被風(fēng)裹挾帶走。并且,同一污穢濃度下,隨風(fēng)速的增大,其積灰量也逐漸增大,且污穢濃度越大,積灰量增加越多。這也表明,光伏組件表面積灰量并不是由某單一因素決定,而是受多個(gè)環(huán)境因素共同影響。
圖3所示為20%濕度時(shí),不同風(fēng)速及顆粒粒徑下積灰量隨濃度的變化情況。
圖3 不同粒徑及風(fēng)速下積灰量隨污穢濃度的變化情況Fig.3 Variation of dust accumulation with pollution concentration under different particle sizes and wind speeds
如圖3所示,相同條件下,光伏組件表面積灰量均隨污穢濃度的增加而增加。這是因?yàn)椋弘S污穢濃度增加,單位體積內(nèi)污穢顆粒的數(shù)量增加;在不同風(fēng)速(3、4、5 m/s)的作用下,直接導(dǎo)致其與光伏組件的碰撞概率大大提高,積灰量隨之增加。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn),污穢濃度由0.15 mg/m3增至0.45 mg/m3,光伏組件表面積灰量大幅增加,這表明空氣中污穢濃度的增加對(duì)光伏組件表面積灰影響較大。
由圖3可知,污穢濃度為0.30 mg/m3時(shí),在3 m/s及4 m/s風(fēng)速下,粒徑變化對(duì)積灰量的影響較大,而在5 m/s風(fēng)速下,粒徑變化對(duì)積灰量的影響較小。這是因?yàn)槲鄯x顆粒碰撞組件表面的過(guò)程中,低風(fēng)速環(huán)境下污穢顆粒所受流體曳力較小,而重力受粒徑影響較大,光伏組件表面積灰以污穢顆粒沉降作用為主。因此,低風(fēng)速條件下,光伏組件表面積灰量受粒徑影響較為明顯。
圖4所示為20%濕度時(shí),不同風(fēng)速及污穢濃度下,積灰量隨顆粒粒徑的變化情況。
圖4 不同風(fēng)速及污穢濃度下積灰量隨粒徑的變化情況Fig.4 Variation of dust accumulation with particle size under different wind speed and pollution concentration
大氣中的污穢顆粒所受重力及流體曳力與其粒徑密切相關(guān)[16]。如圖4可示,各風(fēng)速下,光伏組件表面的積灰量隨粒徑增大近似呈線性減小,在粒徑30 μm時(shí)積灰量取最小值。這可能是因?yàn)樾×筋w粒跟隨性好,在風(fēng)的裹挾下易與表面發(fā)生碰撞;但隨粒徑增加,顆粒跟隨性逐漸變差且大粒徑顆粒較難被風(fēng)吹起,因而存在光伏組件表面的積灰量與顆粒粒徑呈負(fù)相關(guān)變化。
綜合分析圖4可得,相同條件下,小粒徑(20 μm)在光伏組件表面積灰量受污穢濃度變化影響較大。在5 m/s風(fēng)速和20 μm粒徑下,當(dāng)污穢濃度增幅為0.3 mg/m3,光伏組件表面積灰量變化約為3.46 g/m2。這是因?yàn)椋弘S濃度增加,單位體積內(nèi)灰塵顆粒增多。同流體曳力相比,小粒徑顆粒沉積受重力影響較小,更易吸附在陣列表面。因此,在重力、流體曳力及黏附力的綜合作用下,積灰量隨污穢濃度的增加而增大的趨勢(shì)較為明顯。
而對(duì)于大粒徑(30 μm)顆粒,隨污穢濃度增加,表面積灰量變化量有所降低。原因在于單位體積內(nèi)的某污穢濃度下,大粒徑的顆粒數(shù)量遠(yuǎn)小于小粒徑的顆粒數(shù)量,導(dǎo)致其與光伏組件表面碰撞概率變?。徊⑶抑亓κ芰皆黾拥挠绊懜?,因而大粒徑顆粒在重力作用下更易脫離其表面,故其積灰量遠(yuǎn)小于小粒徑顆粒的積灰量。
表4所示為不同污穢濃度下,積灰量隨風(fēng)速和粒徑的變化率情況。通過(guò)分析積灰量及其變化率發(fā)現(xiàn),同風(fēng)速同粒徑下,隨污穢濃度增加,光伏組件表面積灰量基本呈倍數(shù)遞增;粒徑對(duì)污穢顆粒沉積的影響遠(yuǎn)大于風(fēng)速對(duì)污穢顆粒沉積的影響。
表4 不同污穢濃度、粒徑及風(fēng)速下的積灰量Table 4 Dust accumulation under different pollution concentrations, particle sizes and wind speeds
結(jié)合3.1節(jié)分析可得出,上述4種環(huán)境因素對(duì)光伏組件表面積灰量的影響排序如下:污穢濃度>顆粒粒徑>風(fēng)速>濕度。綜合表4分析可知:在環(huán)境風(fēng)速較小時(shí),大粒徑顆粒在光伏組件表面的積灰量較小。
圖5所示為20%濕度時(shí),不同粒徑及污穢濃度下,積灰量隨風(fēng)速的變化情況。
圖5 不同粒徑及污穢濃度下積灰量隨風(fēng)速的變化情況Fig.5 Variation of dust accumulation with wind speed under different particle sizes and pollution concentrations
由圖5可知,在0.15 mg/m3污穢濃度下,光伏組件表面積灰量隨風(fēng)速整體上呈增加趨勢(shì),但積灰量的總體變化幅度較小。在30 μm粒徑下,當(dāng)風(fēng)速小于4.5 m/s時(shí),積灰量呈上升趨勢(shì);大于4.5 m/s時(shí),積灰量略微下降。這可能由于風(fēng)速對(duì)光伏組件表面積灰具有雙重影響,一方面隨風(fēng)速增加,污穢顆粒速度響應(yīng)時(shí)間變小,其跟隨性較好,增大其與光伏組件表面的碰撞概率,加劇積灰;另一方面,當(dāng)風(fēng)速增加到一定程度時(shí),沉積在光伏組件表面的污穢顆粒可能會(huì)被風(fēng)再次吹走,起到一定的清潔作用。而積灰量總體變化幅度較小的原因在于:低污穢濃度下單位體積內(nèi)污穢顆粒數(shù)量相對(duì)較少,污穢顆粒與光伏組件碰撞概率也相對(duì)較小。
在0.30 mg/m3污穢濃度下,以20 μm和25 μm粒徑的顆粒為研究對(duì)象,光伏組件表面積灰量隨風(fēng)速增加先增大后減小,這是風(fēng)速對(duì)積灰的雙重效應(yīng)引起的;而30 μm粒徑下,光伏組件表面積灰量隨風(fēng)速增加先減小,當(dāng)風(fēng)速大于3.5 m/s后,積灰量隨風(fēng)速增大呈線性增加且增速較快。積灰量不升反降的原因可能是:低風(fēng)速下,大粒徑顆粒受重力影響較大,難以被風(fēng)裹挾至光伏組件表面,且動(dòng)能與風(fēng)速平方成正比,污穢顆粒易發(fā)生反彈及滑落現(xiàn)象。但由于風(fēng)速增加,其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間變短,其跟隨性增強(qiáng),且顆粒所受流體曳力成為驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)至光伏組件表面的主要作用力,因而積灰量增速較快。這表明,環(huán)境因素變化會(huì)影響顆粒所受曳力、重力和黏附力等作用力,進(jìn)而影響顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
在0.45 mg/m3污穢濃度下,20 μm的顆粒在光伏組件表面積灰量隨風(fēng)速的變化較為復(fù)雜;而25 μm和30 μm粒徑下光伏組件表面積灰量隨風(fēng)速增加先減小后增大。這是因?yàn)椋涵h(huán)境風(fēng)速增加會(huì)使其受到的曳力增大,從而增加顆粒對(duì)于風(fēng)的依附性,使其更易保持原運(yùn)動(dòng)軌跡;但風(fēng)速增大,顆粒的動(dòng)能也隨之增大,導(dǎo)致粒子與光伏組件壁面碰撞后發(fā)生反彈的概率提高。由于風(fēng)速增加對(duì)于顆粒沉積的雙重影響,致使積灰量呈復(fù)雜的波動(dòng)變化趨勢(shì)。
以YL250P-29b型串聯(lián)光伏組件為研究對(duì)象,利用COMSOL軟件建立了其積灰物理模型,并進(jìn)行了數(shù)值模擬,將模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后驗(yàn)證了模擬方法的合理性。籍此,基于數(shù)值模型,模擬分析了4種因素光伏組件表面積灰特性的影響,得出如下結(jié)論。
(1)相較于其他因素,濕度變化對(duì)光伏組件表面積灰影響較小。
(2)濕度及污穢濃度一定時(shí),粒徑對(duì)污穢顆粒沉積的影響遠(yuǎn)大于風(fēng)速對(duì)污穢顆粒沉積的影響。
(3)濕度、粒徑及風(fēng)速一定時(shí),光伏組件表面積灰量與污穢濃度呈正相關(guān)變化。
(4)濕度、粒徑及污穢濃度一定時(shí),小風(fēng)速加劇光伏組件表面積灰,大風(fēng)速則有一定的清潔作用。