積塵形態(tài)及密度對太陽能PV/T系統(tǒng)的性能影響研究

收稿日期：2021-12-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51806093）；甘肅省教育廳青年博士基金（2021QB-046）；甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐計劃（2021CYZC-27）；

甘肅省重點研發(fā)計劃（22YF7GA162）

通信作者：張 東（1985—），男，博士、副教授，主要從事可再生能源系統(tǒng)方面的研究。zhdlgn@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1596 文章編號：0254-0096（2023）05-0171-07

摘 要：在室外搭建太陽能光伏/熱（PV/T）系統(tǒng)實驗測試平臺，研究積塵形態(tài)及密度對系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明：積塵形態(tài)主要影響太陽能PV/T系統(tǒng)的光熱效率，積塵密度主要影響系統(tǒng)的光電效率。與松散積塵相比，粘結(jié)積塵對系統(tǒng)光熱效率及綜合效率的影響更大。當(dāng)松散積塵密度從0變化至33.79 g/m2時，系統(tǒng)的光熱效率下降率僅為2.32%，而系統(tǒng)的光電效率下降率高達(dá)48.65%。在該文實驗中，隨著積塵密度的增大，太陽電池的工作溫度依次為53.99、52.92、50.73和55.58 ℃，呈先降后增的變化趨勢。故少量積塵不會使太陽能PV/T系統(tǒng)中太陽電池的工作溫度升高而影響其正常工作。

關(guān)鍵詞：太陽能集熱器；光伏組件；集熱效率；PV/T；灰塵問題；積塵形態(tài)；積塵密度

中圖分類號：TK519" " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

面對全球變暖這一氣候問題，聯(lián)合國倡導(dǎo)世界各國積極推進(jìn)“碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)。太陽能光伏（PV）產(chǎn)業(yè)作為實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的主力軍，一直備受關(guān)注。截至2020年底，全球光伏累計裝機容量達(dá)到760.4 GW［1］。

普通的太陽能光伏系統(tǒng)的光電效率為4%～17%，大部分達(dá)到系統(tǒng)表面的太陽輻射被轉(zhuǎn)化成熱能［2-4］。大量熱能堆積在系統(tǒng)表面使光伏組件的工作溫度升高，影響太陽電池的工作效率及壽命［4-6］。而太陽能光伏/熱（PV/T）系統(tǒng)結(jié)合了光伏組件和集熱器，在供電的同時能帶走多余熱量加以利用，提高了太陽能的利用率，有十分可觀的發(fā)展前景［7-9］。

太陽能光伏組件的性能受灰塵沉積［10］、風(fēng)速風(fēng)向［11］、相對濕度［12］等環(huán)境因素的影響，其中灰塵沉積的影響最為顯著［13-16］。Sardarabadi等［4］在伊朗對太陽能PV/T系統(tǒng)進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面積塵密度達(dá)到6.1 g/m2時，系統(tǒng)輸出功率下降了21.47%；Paudyal等［17］在尼泊爾地區(qū)的實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏組件表面的積塵密度從0.1049增加到9.6711 g/m2時，太陽能光伏系統(tǒng)的效率下降了29.76%。

目前國內(nèi)外學(xué)者很少研究關(guān)于灰塵沉積對太陽能PV/T系統(tǒng)性能的影響，且主要研究積塵密度。但在實際應(yīng)用中，灰塵沉積時往往會存在松散積塵和粘結(jié)積塵兩種形態(tài)，有研究表明積塵顆粒粒徑大小會對光伏系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響［18］，故積塵密度不能完全表征積塵對系統(tǒng)性能的影響。因此，為完善積塵對太陽能PV/T系統(tǒng)的影響規(guī)律，在室外開展實驗研究積塵形態(tài)及密度對太陽能PV/T系統(tǒng)性能的影響。

1 實驗測試系統(tǒng)設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備及元件參數(shù)

在蘭州地區(qū)組建太陽能PV/T系統(tǒng)，其實驗平臺如圖1所示，系統(tǒng)由3塊串聯(lián)的PV/T組件組成，單塊組件長96 cm，寬196 cm。系統(tǒng)的吸熱總面積為5.46 m2，太陽電池總面積為2.63 m2。系統(tǒng)出口安裝2臺外轉(zhuǎn)子圓形管道風(fēng)機。當(dāng)系統(tǒng)工作時同時開啟風(fēng)機，在風(fēng)機作用下，空氣源源不斷地從外界進(jìn)入集熱器的流道中，冷卻光伏組件，提高系統(tǒng)的光電效率和光熱效率。實驗測試平臺的測試儀器及精度范圍見表1。

太陽能PV/T系統(tǒng)的光伏模塊通過MPPT太陽能控制器與DC/AC逆變器、蓄電池和負(fù)載相連。系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的電能存儲于蓄電池中，蓄電池通過DC/AC逆變器連接交流負(fù)載。根據(jù)最佳傾角的計算，選擇太陽能PV/T系統(tǒng)的安裝傾角為31.5°［19］，并朝向正南方安裝［20］。

1.2 人工布塵方法

為了研究積塵形態(tài)和密度對太陽能PV/T系統(tǒng)性能的影響，采用人工布塵法來模擬自然降塵。布塵方案為：在系統(tǒng)上方1 m處利用孔徑0.50 mm的篩子進(jìn)行布塵，使灰塵在重力和風(fēng)力的作用下均勻降落在PV/T組件的玻璃蓋板上，得到松散形態(tài)的積塵；使用噴霧器在系統(tǒng)上方1 m處噴撒霧狀水模擬降雨，待水滴與積塵接觸后自然風(fēng)干，得到粘結(jié)形態(tài)的積塵。

為了測量積塵質(zhì)量，將無紡布放在干燥器中存放24 h，然后放入密封袋，用電子天平秤測量，記為初質(zhì)量。之后，用無紡布擦取玻璃蓋板表面的積塵，并將采集了積塵樣本的無紡布完好裝入原密封袋中并編號。最后，將采集了積塵樣本的無紡布在干燥器中存放24 h后，放入原密封袋用電子天平秤測量，記為終質(zhì)量，其與初質(zhì)量之差即為積塵質(zhì)量量［21］。

圖2為兩種積塵形態(tài)的局部對比。從圖2可看出，松散積塵均勻且緊密地分布在玻璃蓋板上，而粘結(jié)積塵的分布則較為分散，積塵團(tuán)之間的空隙大于松散積塵。

2 系統(tǒng)的理論分析及性能評價指標(biāo)

2.1 理論分析

當(dāng)太陽能PV/T系統(tǒng)工作時，達(dá)到玻璃蓋板的太陽輻射，一部分被蓋板反射和吸收，一部分則透過蓋板。而透過蓋板的太陽輻射，一部分被太陽電池吸收并轉(zhuǎn)化成電能，向外供電，一部分被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，加熱集熱器流道中的空氣。此外，吸熱板溫度升高后會通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的方式向四周散熱，造成熱量損失。故太陽能PV/T系統(tǒng)中的能量關(guān)系式為：

[Q=QPV+Qth+Qrad] （1）

式中：[Q]——透過蓋板的太陽輻射，J；[QPV]——光伏組件輸出的電能，J；[Qth]——吸熱板吸收的熱能，J；[Qrad]——系統(tǒng)的熱損失，J。

積塵由非透明的固體顆粒組成，若太陽能PV/T系統(tǒng)的玻璃蓋板表面存在積塵，會使達(dá)到表面的太陽輻射發(fā)生漫反射，如圖3所示，減少太陽輻射的透射部分，從而影響太陽能PV/T系統(tǒng)的工作效率。

此外，太陽能PV/T系統(tǒng)中涉及到的傳熱過程主要為玻璃蓋板外表面與天空的輻射和對流傳熱；蓋板內(nèi)部各層之間的自然對流、輻射傳熱以及夾層空氣的導(dǎo)熱，故系統(tǒng)的熱阻可分為3部分，即玻璃蓋板層和天空間的熱阻[Rc1]、太陽電池層和玻璃蓋板間的熱阻[Rc2]、吸熱板和太陽電池層間的熱阻[Rc3]，積塵前后系統(tǒng)的熱阻變化如圖4所示。

其中，積塵的存在會增加空氣與灰塵之間的輻射和對流傳熱以及灰塵與蓋板之間的導(dǎo)熱，但不會影響太陽電池層和玻璃蓋板間的熱阻[Rc2]與吸熱板和太陽電池層間的熱阻[Rc3]，即[Rc2=Rd2]，[Rc3=Rd3]。故主要考慮玻璃蓋板層和天空間積塵前后的熱阻：

[Rc1=1hsg+1AgXg，s] （2）

[Rd1=1hsg+1AgXg，s+1hsd+1AdXd，s+δdλd+Rd] （3）

式中：[Rc1]、[Rd1]——積塵前后玻璃蓋板層和天空間的熱阻，m2·K/W；[1hsg]、[1AgXg，s]——玻璃蓋板層和天空之間的對流換熱熱阻和輻射換熱熱阻，m2·K/W；[1hsd]、[1AdXd，s]、[δdλd]、[Rd]——灰塵和天空之間的對流換熱熱阻和輻射換熱熱阻、灰塵熱阻、灰塵與玻璃蓋板層間的接觸熱阻，m2·K/W。

從式（2）、式（3）的對比中可得，由于積塵的存在會增加太陽能PV/T系統(tǒng)的總熱阻，減少系統(tǒng)的對外傳熱，系統(tǒng)的瞬時光熱效率有一定程度的提高，但易導(dǎo)致太陽電池的溫度過高，影響其正常工作。

2.2 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

太陽能PV/T系統(tǒng)的工作效率包括光電效率和光熱效率。系統(tǒng)的瞬時光熱效率定義為系統(tǒng)穩(wěn)定運行時工質(zhì)通過集熱器的吸熱量與太陽輻照量的比值：

[ηth=mcp（TO-TI）ACGT] （4）

式中：[m]——空氣質(zhì)量流量，kg/h；[cp]——空氣比熱容，J/（kg·℃）；[TO]、[TI]——空氣出口和進(jìn)口溫度，℃；[AC]——集熱器的采光面積，m2；[GT]——太陽輻照度，W/m2。

系統(tǒng)瞬時光電效率定義為太陽電池的發(fā)電量與太陽電池接收的太陽輻照量的比值：

[ηPV=UIGTAPV] （5）

式中：[U]——太陽電池的輸出電壓，V；[I]——太陽電池的輸出電流，A；[APV]——光伏組件的面積，m2。

電能是比熱能品位更高的能源，為了正確評價太陽能PV/T系統(tǒng)的性能，將產(chǎn)生這些電能所消耗的熱能作為系統(tǒng)的能量收益，系統(tǒng)綜合效率定義為［22］：

[ηf=ηth+ζηPVηpower] （6）

式中：[ηpower]——普通熱電廠的發(fā)電效率，參考相關(guān)文獻(xiàn)取為0.45［23］；[ζ]——太陽能PV/T系統(tǒng)的覆蓋因子，定義為太陽電池的面積與集熱器的采光面積之比，[ζ=APVAc]。

3 積塵形態(tài)及密度對系統(tǒng)效率的影響

3.1 不同積塵形態(tài)對太陽能PV/T系統(tǒng)性能的影響

在降雨和露水的影響下，玻璃蓋板表面的積塵會從松散形態(tài)變成粘結(jié)形態(tài)，導(dǎo)致積塵團(tuán)之間的空隙變大，積塵與玻璃蓋板表面之間的吸附力變大。為了探究松散和粘結(jié)形態(tài)積塵對太陽能PV/T系統(tǒng)性能影響的差異，在室外自然光下，設(shè)置對比實驗，實驗結(jié)束后測得兩種形態(tài)積塵密度均為11.80 g/m2，實驗結(jié)果如表2所示。

從表2中可知，與粘結(jié)積塵相比，松散積塵系統(tǒng)的全天平均綜合效率高0.46%、全天平均光熱效率高0.37%、全天平均光電效率低0.16%。這是由于松散形態(tài)的積塵是均勻地覆蓋在玻璃蓋板表面，阻礙了太陽輻射的透射及光伏組件的向外散熱，而粘結(jié)形態(tài)的積塵團(tuán)之間存有大量的空隙，對太陽輻射的遮擋效果小，光伏組件易向外散熱，故粘結(jié)積塵系統(tǒng)的全天平均光熱效率低于松散積塵，全天平均光電效率高于松散積塵。

兩種積塵形態(tài)下系統(tǒng)效率隨太陽輻照度的變化如圖5所示，其中ηth和ηPV分別為系統(tǒng)的光熱效率和光電效率，DL和DB分別為松散積塵和粘結(jié)積塵。松散積塵系統(tǒng)的光熱效率一直高于粘結(jié)積塵系統(tǒng)，且兩種積塵形態(tài)下系統(tǒng)光熱效率均不隨太陽輻照度的變化而變化。但兩種積塵形態(tài)下系統(tǒng)光電效率相差不大，變化趨勢一致，且隨著太陽輻照度的變化而變化。這說明積塵形態(tài)主要影響了太陽能PV/T系統(tǒng)的光熱效率，且粘結(jié)積塵形態(tài)下系統(tǒng)的光熱效率更差。在太陽能集熱器的相關(guān)文獻(xiàn)［24］中也指出，粘結(jié)積塵形態(tài)更易降低太陽能集熱器的光熱效率。兩種積塵形態(tài)下系統(tǒng)光電效率約在09：40發(fā)生突變是由于實驗處于開始階段系統(tǒng)輸出電壓發(fā)生突變而導(dǎo)致的。14：00—16：00之間系統(tǒng)的光電效率處于穩(wěn)定，這是由于系統(tǒng)達(dá)到了其最大光電效率。

兩種積塵形態(tài)下系統(tǒng)的太陽電池溫度和空氣出口溫度隨太陽輻照度的變化如圖6所示，其中TSC和TAir分別為系統(tǒng)的太陽電池溫度和空氣出口溫度松散積塵系統(tǒng)的太陽電池溫度一直高于粘結(jié)積塵，松散積塵和粘結(jié)積塵的系統(tǒng)太陽電池最高溫度分別為65.10 ℃和63.55 ℃、平均溫度分別為55.16 ℃和53.47 ℃，而表2中松散積塵系統(tǒng)的光電效率低于粘結(jié)積塵，符合文獻(xiàn)所描述太陽能太陽電池的發(fā)電效率受其工作溫度的影響，工作溫度的升高將導(dǎo)致其輸出功率的減少［8］。

兩種積塵形態(tài)下系統(tǒng)空氣出口溫度約在14：30達(dá)到最大值后逐漸下降，這是由于14：30之后系統(tǒng)吸收的太陽輻射能比傳輸?shù)娇諝庵械挠幸婺芰可伲斐梢徊糠值臒崃繐p失，這種變化趨勢是太陽能PV/T系統(tǒng)的特點所在［16］。粘結(jié)積塵的系統(tǒng)平均空氣出口溫度比松散積塵高0.76 ℃，14：00后粘結(jié)積塵的系統(tǒng)出口溫度高于松散積塵，這是由于粘結(jié)積塵的積塵團(tuán)之間存有較大空隙，其透光率大于松散積塵。當(dāng)太陽輻照度降低時，存在粘結(jié)積塵的太陽能PV/T系統(tǒng)仍有大量光透過，粘結(jié)積塵的系統(tǒng)太陽電池溫度大于松散積塵，有利于吸熱層與空氣之間的換熱，故粘結(jié)積塵的系統(tǒng)出口溫度高于松散積塵。

從上述結(jié)果可知，與松散積塵相比，存在粘結(jié)積塵的太陽能PV/T系統(tǒng)雖光電效率高但綜合效率低，故在雨天或露水天之后，要及時清理系統(tǒng)的玻璃蓋板，減少粘結(jié)積塵對太陽能PV/T系統(tǒng)綜合效率的影響?？紤]到蘭州地區(qū)氣候干燥，松散積塵比粘結(jié)積塵更易出現(xiàn)，故再進(jìn)一步研究松散積塵對太陽能PV/T系統(tǒng)性能的影響。

3.2 不同積塵密度對太陽能PV/T系統(tǒng)性能的影響

蘭州地區(qū)氣候干燥，太陽能PV/T系統(tǒng)表面的積塵多為松散積塵，若未定期清潔系統(tǒng)表面積塵，積塵密度會不斷增加，故在室外自然光下設(shè)置實驗，研究松散積塵的密度對系統(tǒng)性能的影響，實驗結(jié)果如表3所示。從表3可看出，太陽能PV/T系統(tǒng)的綜合效率隨積塵密度的增加而減少。積塵密度從0變化到33.78 g/m2時，系統(tǒng)的光熱效率減少0.41%，光電效率減少7.22%，由此可知，積塵密度對光電效率的影響大于光熱效率。

不同積塵密度對太陽能PV/T系統(tǒng)效率的影響如圖7所示，其中DD為積塵密度。在實驗開始階段，積塵密度為33.78 g/m2時系統(tǒng)的光熱效率呈先下降后上升的情況，這是由于隨著太陽輻照度的增加加熱了外界空氣，空氣溫度升高，而積塵密度的增加則降低了玻璃蓋板的透光率，導(dǎo)致前期吸熱板層吸收的太陽能不足，吸熱板層與外界空氣的溫差逐步縮小，外界空氣冷卻系統(tǒng)可帶走的能量逐步減少，前期系統(tǒng)光熱效率呈下降趨勢；隨著光照時間的累計，吸熱板層吸收的熱量不斷累計且積塵層的保溫作用，吸熱板層的溫升速度加快，其與外界空氣的溫差逐步擴大，后期系統(tǒng)光熱效率上升。4種積塵密度下系統(tǒng)光熱效率的變化幅度相近，全天平均光熱效率分別為17.67%、17.49%、17.52%和17.26%，系統(tǒng)光熱效率最大下降率僅為2.32%，說明積塵密度對系統(tǒng)的光熱效率影響較小，這是由于當(dāng)系統(tǒng)表面無積塵時系統(tǒng)吸熱量大而散熱量也大，積塵的存在減少系統(tǒng)吸熱量的同時也減少了系統(tǒng)向外界的散熱量。

從圖7可看出4種積塵密度下系統(tǒng)的光電效率變化趨勢基本一致。實驗開始階段由于系統(tǒng)輸出電壓的變化，4種積塵密度下系統(tǒng)的光電效率都出現(xiàn)了突變，但隨著積塵密度的增加，突變出現(xiàn)滯后性。4種積塵密度的系統(tǒng)全天平均光電效率分別為14.84%、12.13%、11.05%和7.62%，系統(tǒng)光電效率的下降率分別為18.26%、24.19%和48.65%。與系統(tǒng)光熱效率相比，系統(tǒng)光電效率更易受到積塵密度的影響，且積塵密度越大，系統(tǒng)光電效率下降越嚴(yán)重。

不同積塵密度下系統(tǒng)的太陽電池溫度和空氣出口溫度的變化如圖8所示。4種積塵密度下系統(tǒng)太陽電池平均溫度分別為53.99、52.92、50.73和55.58 ℃。從中可發(fā)現(xiàn)，由于積塵密度的增加，系統(tǒng)玻璃蓋板的透光率降低，太陽電池吸收的太陽輻射減少，太陽電池的工作溫度下降。但隨著積塵密度不斷地增加，太陽能PV/T系統(tǒng)表面的蓄熱能力增強，減少了向外散熱，故積塵密度為33.78 g/m2時，太陽電池溫度最高，系統(tǒng)的出口溫度也最高。由此可知，少量積塵不會提高太陽電池的工作溫度進(jìn)而影響電池的工作壽命，但積塵密度過大還是會提高太陽電池的工作溫度和系統(tǒng)空氣出口溫度，故要定期對太陽能PV/T系統(tǒng)表面進(jìn)行清潔，避免積塵密度過大導(dǎo)致系統(tǒng)綜合效率低下。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了太陽能PV/T系統(tǒng)實驗測試平臺，研究了中國蘭州地區(qū)積塵形態(tài)及密度對系統(tǒng)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）積塵形態(tài)主要影響太陽能PV/T系統(tǒng)的光熱效率。在相同積塵密度下，粘結(jié)積塵和松散積塵系統(tǒng)的光電效率只相差0.16%。但與松散積塵相比，粘結(jié)積塵系統(tǒng)的光熱效率及綜合效率更低。相關(guān)文獻(xiàn)中也有實驗證明當(dāng)兩種積塵的密度變化時，粘結(jié)積塵形態(tài)對太陽能集熱器的光熱效率的影響更大，故在雨天之后要及時清理系統(tǒng)表面，減少粘結(jié)積塵。

2）積塵密度主要影響太陽能PV/T系統(tǒng)的光電效率。當(dāng)松散積塵密度從0變化至33.79 g/m2時，系統(tǒng)的光熱效率下降率僅為2.32%，而系統(tǒng)的光電效率下降率高達(dá)48.65%。但少量積塵不會使太陽電池的工作溫度升高進(jìn)而影響其工作壽命。在本文實驗中，積塵密度為33.79 g/m2時太陽電池才升高至55.58 ℃，系統(tǒng)光電效率降低至7.62 %，故只需對太陽能PV/T系統(tǒng)定期進(jìn)行表面清潔，就可保證太陽電池的正常工作。

3）積塵的形態(tài)和密度主要影響太陽能PV/T系統(tǒng)不同的工作效率，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件調(diào)節(jié)太陽能PV/T系統(tǒng)的主要供能。在氣候濕潤地區(qū)，粘結(jié)積塵易形成導(dǎo)致系統(tǒng)的光熱效率不穩(wěn)定，則可考慮太陽能PV/T系統(tǒng)以供電為主，供熱為輔；而在氣候干燥地區(qū)，松散積塵易形成導(dǎo)致系統(tǒng)的光電效率不穩(wěn)定，則可考慮系統(tǒng)以供熱為主，供電為輔。

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EFFECT OF DUST MORPHOLOGY AND DENSITY ON

PERFORMANCE OF SOLAR PV/T SYSTEM

Zhang Dong1，2，Yu Kai1，2，Jing Jinlong 2，3，Liu Chang 1，2，An Zhoujian1，Li Bingyang1，2

（1. School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China；

2. Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy of Gansu Province， Lanzhou 730050， China；

3. School of Mechanical and Electronical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：In order to analyze the influence of the dust morphology and density on system performance， the experimental test platform of solar photovoltaic/thermal （PV/T） system is built outdoors. The results show that the photothermal conversion efficiency of solar PV/T system is mainly affected by the morphology of dust， while the photoelectric conversion efficiency is mainly affected by the density of dust. Compared with loose dust， the bonding dust has a greater impact on the photothermal conversion efficiency and comprehensive efficiency. When the density of loose dust changes from 0 to 33.79 g/m2， the decline rate of photothermal efficiency is only 2.32% and the decline rate of photoelectric efficiency is 48.65%. In this experiment， the working temperature of photovoltaic cells are 53.99， 52.92， 50.73 and 55.58 ℃， respectively with the increase of the dust density， the trend of the working temperature of photovoltaic cells tends to decrease first and then increase. Therefore， a small amount of dust will not rise the working temperature of the photovoltaic cell and will not affect the normal operation of the solar PV/T system.

Keywords：solar collectors； solar modules； collector efficiency； PV/T； dust problems； morphology of dust； density of dust