光伏板自動加熱除雪技術研究

徐陽

上海安悅節能技術有限公司

0 序言

目前上汽集團的光伏項目大部分為光伏車棚項目，分布在全國各地。華東地區積雪比較嚴重，利用傳統除雪方式，如：撒鹽或噴融雪劑，在單位面積上有效果，由于光伏方陣面積較大，除雪效果不佳；人工掃雪方式，地面上較易實現，然而在光伏車棚方陣既高又陡，除雪時需登高作業，造成除雪難度較大、效率低。更嚴重的是光伏方陣上積雪融化時會產生大量的冰凌，冰凌掉落時會造成下面成品車一定的損傷和財產損失，此外，光伏板上積雪還會影響發電效率。本文提出的光伏板自動加熱除雪技術是基于光伏電池的結構和原理，利用光伏電池p-n結特性，光生伏特效應原理。將光伏板作為負載使用，在其兩端加正向額定電壓通電融化光伏板上表面的積雪，光伏板表面融化的雪水相當于“潤滑劑”，促使積雪從傾斜光伏板上滑落下來，從而達到一次性除雪的目的。

1 光伏發電原理

光伏陣列輸出直流電壓，通過直流開關和EMC濾波器后經三相全橋IGBT功率模塊進行逆變，輸出三相高頻斬波電壓，通過LCL濾波電流和交流EMC濾波器，輸出與電網同相位同頻率的三相正弦波電流，然后通過升壓變壓器并入電網。利用光伏特性將原有光伏系統中的逆變器進行改造和軟件技術升級，升級后的逆變器具有能量雙向轉換功能，并設置雙向保護功能，故稱為并網雙向逆變器。

2 自動除雪原理

光伏板自動除雪技術，由壓力傳感器將單位面積積雪壓力信號傳送至逆變器采樣模塊，采樣模塊采集和檢測積雪壓力信號，然后由DSP處理器處理該信號并由驅動模塊控制IGBT功率模塊進行交直流電雙向轉換，當積雪壓力達到預設閥值時，光伏系統逆變器將會切換至整流狀態，將大電網交流電轉換成直流電輸出，在光伏組件兩端加額定的正向電壓電流，一段時間后光伏板表面會產生一定的熱量，光伏板表面的雪會形成一層冰膜，從而減少積雪與光伏板表面的摩擦力（不加熱前積雪與光伏板靜摩擦系數為1．0左右，加熱后靜摩擦系數為0．3左右），最終達到一次性除雪的效果。利用積雪密度和壓力以及雪層保溫性能（熱傳導率）進行除雪，除雪效率很高。

3 影響除雪性能因數分析

根據雪的融化特性將光伏板自動加熱除雪過程分為兩個階段，即：待融和融化階段。利用傳熱學原理，建立光伏板表面溫度的傳熱模型，根據傳熱模型求出在一定環境和積雪厚度下，輸入電流負荷的大小。利用物理學原理，對光伏板上的積雪進行力的分析，明確去除積雪的必要條件。綜合傳熱模型和力學模型，歸納出光伏板除雪技術的主要影響因數：積雪厚度、雪密度、環境溫度、加熱負荷、光伏組件板的傾斜角度。分析研究光伏板通電融雪過程中加熱溫度隨時間的變化規律和除雪效率，積雪厚度、環境溫度、加熱功率以及光伏板傾角等因數對光伏板自動加熱過程中的作用效果和影響程度。

3.1 積雪厚度對除雪性能的影響

積雪厚度包括干雪層和濕雪層厚度。根據雪的物理性質可知，雪內部有很多孔隙，因此覆蓋在光伏板上的積雪相當于一個保溫層，其厚度直接影響光伏板的溫度變化及融雪速率，干雪層和濕雪層的厚度直接影響傳熱過程中溫度場的分布。實驗研究表明：只有當積雪厚度大于本身密度下的“平衡高度”時，才能依靠光伏板通電加熱的方法除雪，當加熱功率為230W,積雪密度為420kg/m3、環境溫度為-6℃、光伏板傾角為18°時，每增加1cm的積雪厚度，則待融階段中光伏板正面溫度提升速率平均增加約0．052℃/min，待融時間平均縮短2分鐘,光伏板表面坡峰溫度平均降低約0．101℃，融化階段中的融化溫度平均降低約0．104℃，融化時間縮短約4分鐘，除雪總時間縮短約6分鐘，除雪時間受積雪厚度影響較大。光伏板能承載5 400Pa壓強，積雪越厚下滑速度越快。測試工況見表1（1-5）測試工序。

3.2 積雪密度對除雪性能的影響

雪密度的大小代表雪的松軟程度，即雪的空隙率，其決定了雪的導熱系數，即雪的保溫效果，而雪的導熱系數對于傳熱效果具有重大影響。同時，雪的密度還關系到雪水在毛細作用下的“平衡高度”，從而影響濕雪層的厚度。因此，雪密度也是影響光伏板除雪技術的因數之一。

3.3 環境溫度對除雪性能的影響

環境溫度決定了雪層表面與環境之間、光伏板背面與環境之間對流換熱量；環境溫度還影響空氣有效溫度，從而決定了雪層表面和光伏板背面與外界的長波輻射量。也就是說環境溫度決定了光伏板與環境之間的散熱量，進一步影響融雪熱量。當積雪厚度為6cm、積雪密度為420kg/m3、加熱功率為230W/㎡、光伏板傾角為18°時，每升高1℃的環境溫度，待融階段中光伏板表面溫度提升速率增加約0．119℃/min，待融時間縮短約6分鐘，光伏板表面溫度曲線上的坡峰溫度升高約0．093℃，融化階段中的溫度升高約0．0069℃，融化時間縮短約11分鐘，除雪時間縮短約17分鐘，因此，環境溫度對光伏板自動加熱除雪具有重要影響。測試工況見表1（6～10）測試工序。

3.4 加熱功率對除雪性能的影響

加熱功率即是光伏板通電后產生的熱能量，加熱功率的大小直接影響到雪層各部位的熱量傳遞速率和散熱性能，當積雪厚度為6cm、積雪密度為420kg每m3、光伏板傾角為18度時，每增加10W的加熱功率，待融中的光伏板的表面溫度提升速率約0．043/min，待融時間縮短約4分鐘，光伏板表面溫度曲線上“坡峰溫度”升高約0．094℃，融化階段的融化溫度升高約0．064℃，融化時間縮短約4分鐘，除雪總時間受加熱功率的影響較大，加熱功率的大小直接決定積雪融化時間長短。測試工況見表1（11-15）測試工序。

3.5 傾斜角度對除雪性能的影響

光伏板傾斜角度決定積雪下滑力度，根據積雪在光伏板上的受力分析，增大光伏板傾斜角度，能增大積雪沿光伏板平行方向的分力（有利于積雪下滑的拉力），同時減小積雪沿光伏板垂直方向的壓力，從而減小阻礙積雪下滑的摩擦力，達到促進積雪下滑的作用。為要使積雪在不受外力的作用下滑出光伏板，必然存在一個最小的傾斜角度，光伏傾斜角度必須大于最小傾斜角度，通過實驗得出在5小時內從通電加熱的光伏板上滑落而下的最小傾斜角為14度。當積雪密度為6cm，加熱功率為200W/㎡、環境溫度為-6℃時，光伏板傾斜角每增加1度，則除雪時間減少4min。由此得出結論，除雪時間隨著光伏板傾斜角度的增大而減少，受光伏板傾角的影響不大。測試工況見表1（16～20）測試工序。

表1 測試工況

4 總結

本文提出了由于光伏板內硅電池片的p-n結構，光伏板硅電池即可作為發電單元，也可以作為負載。當太陽光線射在光伏板硅電池上，這時光子被電池板吸收，即光生伏特效應。光伏電池將太陽光能轉換成電能，可給直流負載供電，此時光伏電池相當于發電電源。夜間，光伏電池不會產生光伏效應，在光伏電池兩端加一定的正向電壓時，不能超過光伏組件本身的額定電壓，電池內部可形成穩定的單向導通電流，且電流的大小隨著電壓的增大而增大，此時，光伏板電池相當于負載，光伏板自動加熱技術是利用這個可逆原理。在光伏板自動除雪裝置中，光伏組件作為負載，在其兩端加額定的正向電壓，光伏發電系統是整體回路，產生單向導通電流，由于硅電池p-n結能級差以及半導體區電阻的存在，當電流通過時會在光伏組件半導體區域產生一定的熱量，從而使光伏板表面溫度升高，光伏板上的冰膜融化。施加的正向電壓越大，電流越大，光伏板上產生的熱量也越大。加熱時融化的雪水相當于潤滑劑，促使整個積雪從傾斜的光伏板滑落下來，從而達到一次性除雪的目的。

利用傳熱學和力學原理，光伏板加熱通電前，光伏板及積雪的初始溫度約等同于環境溫度，光伏板通電加熱后，光伏板表面和背面溫度均隨加熱時間的推移而上升。在加熱過程中，表面和背面溫度曲線前期較陡，后期越來越平緩，直至最終曲線斜率接近于零，溫度上升速度隨著時間的推移而不斷下降，直至溫升速度幾乎為零，溫度基本保持穩定，表明積雪具有保溫性能。

當光伏板表面溫度上升到0℃以上的某個值時，存在一個峰值，到達峰值前，光伏板表面溫度上升較快，到達峰值后，溫度上升速度驟減至零，并發生小幅度的下降，此后溫度基本保持穩定，因此，光伏板上表面溫度曲線上的峰值相當于一個分水嶺，也是光伏板上的積雪發生相變時的分界點。所以將光伏板上積雪融化過程分為兩個階段——待融階段和融化階段。

我們將理論計算結果與實際實驗結果進行參照對比，驗證理論依據的可行性和實驗結果的可靠性。并在上汽大眾江蘇省儀征工廠和南京工廠光伏電站作為試驗，2018年1月江蘇省遭受大雪期間應用成功。《光伏板自動化雪裝置以及控制方法》于2018年9月18日已獲得發明專授權，并榮獲2018年中國工業設計研究院創新設計大獎賽優秀創新設計產品獎（國家級）。