川西高原超高海拔光伏電站積塵分析

摘" 要：光伏組件在戶外應(yīng)用時，其發(fā)電性能容易受到環(huán)境中各種因素的影響，其中光伏面板上的積塵是一個嚴重的挑戰(zhàn)。積塵對光伏組件輸出特性影響的研究，除體現(xiàn)在光和電的管理方面外，積塵的材料組成，以及其和光伏面板之間的作用機理也非常重要，另外還需因地制宜，對不同典型氣候及地理環(huán)境下的積塵做具體的分析。川西高原平均海拔超過4 000 m，年日照為2 000～2 600 h，具有豐富的光伏應(yīng)用資源，是四川省發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的主戰(zhàn)場。該地區(qū)干濕季節(jié)分明，立體氣候明顯，早晚溫差大，雪霜凍多見，全年有7個月為旱季。該文以該地區(qū)的光伏電站為例，調(diào)研當?shù)氐牡乩憝h(huán)境、氣候特點，實地采集光伏面板上的積塵并用專門的材料表征技術(shù)對積塵的成分、粒徑、結(jié)構(gòu)等一系列物理化學(xué)特征進行分析，并有針對性地分析光伏面板灰塵沉積的機理。該研究所得結(jié)果有力地支撐該地區(qū)光伏電站的除塵策略與清潔運維。

關(guān)鍵詞：積塵；風速；光伏面板；物性分析；川西高原；超高海拔地區(qū)

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0１00-0４

Abstract： When PV modules are used in outdoor applications， their power generation performance is easily affected by various factors in the environment， among which dust accumulation on PV panels is a serious challenge. The study of the effect of dust accumulation on the output characteristics of photovoltaic modules is not only reflected in the management of light and electricity， But also the material composition of the dust accumulation and the mechanism of its interaction with the photovoltaic panel is very important. It is also necessary to make a specific analysis of dust accumulation in different typical climatic and geographical environments according to local conditions. With an average altitude of over 4，000 meters and 2，000～2，600 hours of annual sunshine， the Western Sichuan Plateau is rich in PV application resources and is the main application base for the development of the PV industry in Sichuan Province. In this region， the dry and wet seasons are distinct， the diverse climate is very distinct， the temperature difference between day and night is large， the snow and frost are relatively abundant， and there are seven months of the dry season in the whole year. Taking the photovoltaic power station in this area as an example， this paper investigates the local geographical environment and climate characteristics. The dust on the photovoltaic panel was collected and a series of physical and chemical characteristics such as composition， particle size and structure of the dust were analyzed with special material characterization technology， and the mechanism of dust deposition on the photovoltaic panel was analyzed. The results of this study strongly support the dust removal strategy and clean operation and maintenance of photovoltaic power stations in this area.

Keywords： dust accumulation; wind speed; photovoltaic panel; physical property analysis; West Sichuan Plateau; ultra-high altitude

目前的太陽電池種類繁多，包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdTe和鈣鈦礦等。以晶硅組件為例，主要由封裝玻璃、EVA、電池片、背板及邊框等組成[1]。其中封裝玻璃直接面向陽光，常采用鋼化玻璃，具有很高的硬度，適合晝夜溫差大的環(huán)境，也能夠抵擋風沙、冰雹等擊打，同時封裝玻璃也是灰塵沉積的基板。組件在戶外的安裝，包括支架式安裝和非支架式安裝。支架式安裝一般包括固定角度的安裝、可調(diào)角度的安裝。而非支架式安裝一般沿著一定傾角的基面，比如民居屋、車棚、廠房等安裝。無論采用哪種方式安裝，光伏組件在戶外發(fā)電，都極容易受到環(huán)境因素的影響，包括太陽輻照度、溫度、濕度、積塵和風速等。而積塵的影響非常復(fù)雜，一方面造成了遮光，將會減少玻璃的透光率，使得到達電池片上的太陽輻射降低，減少組件的輸出功率；另一方面造成組件升溫并出現(xiàn)熱斑，極端情況下導(dǎo)致組件燒毀，嚴重影響組件使用壽命。大氣中的各種灰塵是光伏面板上積塵的主要來源。大氣灰塵是各種懸浮顆粒物的統(tǒng)稱，這些顆粒物的源頭可以分為自然來源和人為來源兩大類。自然來源主要是由于巖石、土壤和沙塵顆粒被風化成更細小的顆粒，如果顆粒粒徑達到微米級別，在風速的作用下，就可以被輸送到大氣中進行流動，并擴散輸送到另一個地區(qū)。而人為來源主要包括人類活動，比如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)和物流等活動造成的揚塵。另外，如鳥糞、落葉、花粉等也是積塵的重要來源。不同地區(qū)的積塵來源與構(gòu)成是有區(qū)別的。其主要成分是硅、鋁、鐵、鈣、鎂和鈉等元素的氧化物[2-3]。本文分析的川西高原地區(qū)，其典型的地理環(huán)境與氣候條件見表1[4]。

基于以上分析，本文在電站現(xiàn)場采集了面板上附著的積塵，并采用專門的材料測試技術(shù)，對積塵的結(jié)構(gòu)、形貌、粒徑進行分析，在此基礎(chǔ)上，采用模擬軟件分析了光伏面板灰塵沉積的機理。

本文采取的積塵電站實物圖如圖1所示。

使用專門的工具在光伏面板上收集積塵，采用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡對樣本進行形貌、粒徑與EDS測試；采用XRD-6100型X射線衍射儀對樣本進行微觀結(jié)構(gòu)測試，使用的是Cu-Kα（λ=0.154 059 nm）射線作為入射源，掃描角度范圍為5～85°；采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku ZSX Primus II型XRF對樣本進行元素種類和含量的半定性分析。

1" 積塵物理化學(xué)性質(zhì)分析

圖2為積塵粒度的掃描電鏡圖，圖2（a）為放大1 000倍，標尺為20 μm的積塵粒度掃描圖，圖2（b）為放大10 000倍，標尺為2 μm的積塵粒度掃描圖。在圖2（a）中，積塵分布比較規(guī)則，大顆粒尺寸接近20 μm，小顆粒尺寸不足1 μm。圖2（b）中展示了積塵的細微形貌，有很多顆粒為片狀結(jié)構(gòu)，但邊緣有較強的鈍化，分層明顯，說明該地區(qū)空氣中灰塵成因復(fù)雜，積塵碰撞容易破碎為小片。積塵表面為非規(guī)則形狀，在干燥的情況下，不易附著，但在潮濕環(huán)境中，這些顆粒間的縫隙容易形成毛細管通道，容易在面板上附著。因此在對積塵作用力進行分析時，應(yīng)區(qū)別對待，并形成差異的除塵策略。采用SEM自帶的EDS對積塵元素含量進行定性測試，結(jié)果顯示，積聚在面板表面的大部分灰塵由碳（C）、氧（O）、鐵（Fe）、鎂（Mg）、鋁（Al）、硅（Si）、鉀（K）和鈣（Ca）等元素組成。

圖3為面板積塵的XRD圖譜，從圖中可以看出，曲線擇優(yōu)取向的峰對應(yīng)氧化硅物相。其他較弱的峰，由于互相干擾，不能確定對應(yīng)的是何種成分。

本文對面板上積塵進行了XRF測試。在所選地區(qū)的積塵中，SiO2占比為59.24%，Al2O3占比為18.80%，F(xiàn)e2O3占比為5.64%，K2O占比為2.80%，MgO占比為2.46%， CaO占比為1.00%，TiO2占比為0.84%，Na2O占比為0.625%，其余物質(zhì)含量低于1%。對應(yīng)元素Si、Al、Fe、K、Mg、Ca和Ti的組成分別為27.70%、9.95%、3.94%、2.32%、1.49%、0.718%及0.504%。作為對比，本文同時分析了川西高原甘孜藏族自治州另外一個光伏電站面板上積塵的XRF，測試發(fā)現(xiàn)，不同位置的微量Cr、Zr、Zn、Rb、Ni、Co、Cu、Y和Sr元素含量相同，在其他沙漠地區(qū)的粉塵研究中未發(fā)現(xiàn)這些微量元素；Si和O元素同樣是積塵中的主要成分；Ti、Na、P、Mn和S元素的含量均小于1%。

2" 積塵沉積機理分析

積塵在面板上的附著，可以用Hertz模型、DMT模型、JKR模型及MD模型等經(jīng)典接觸力學(xué)模型進行分析，也可以采用彈簧阻尼模型進行分析[5-6]。在分析時，應(yīng)首先明確積塵的受力情況。在不考慮接觸形變時，光伏面板上積塵受力如圖4所示。

本文采用EDEM和FLUENT仿真模擬了積塵在面板上附著分布的情況。模擬條件：固定組件安裝角度為30°，顆粒與面板材料的泊松比分別為0.17和0.25，密度分別為2.5 g/cm3和2 g/cm3，摩擦系數(shù)0.2，顆粒產(chǎn)生位置為隨機，速度為30 000個/s，并以前文測得的積塵粒徑做參考，顆粒與顆粒之間、顆粒和面板之間均為Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型、k-epsilon湍流模型，其他條件參考軟件自帶參數(shù)。在模擬中，本文只改變風速，且風從面板正面吹來。模擬結(jié)果如圖5所示。

在面板安裝角度固定，灰塵粒徑大小均勻時，風速越大，灰塵顆粒沉積越難。當風速很小時，如圖5所示，空氣中大部分灰塵在風的帶動下，由于重力作用而在組件上沉降。值得注意的是，當組件安裝角度較大時，如圖4所示，灰塵顆粒沿面板向下的分力很大，較小的風速不能將顆粒帶走，反而克服了一部分重力，讓灰塵顆粒不再下滑，進而與其他灰塵結(jié)合而停留在組件表面。對于大粒徑灰塵而言，風速的增大可能會有助于顆粒的沉積，而對于小顆粒基本上是風速越大，沉積越難。另外風速的增加還能導(dǎo)致更多的顆粒在空中懸浮，從而增加沉積量。當風速逐漸增大時，如圖5（b）和（c）所示，積塵量減少。特別要注意的是，邊框邊緣處沉積的大多是小顆粒，組件的近地側(cè)多為大顆粒。通過模擬可以看出，在正面迎風時，后排組件上面幾乎都是小顆粒。這說明，前方的組件對后方的組件具有灰塵遮擋的作用。造成以上現(xiàn)象的主要原因：當風速較小時，空中的顆粒會逐漸降落，顆粒越大下降越快，大顆粒在飛過第一排光伏組件之前大部分就降落了，而小顆粒可以飛行更遠，甚至沉落在最后幾排組件上，造成越往后面，組件面板上的積塵顆粒越小，越靠近風口，越多大顆粒沉積，且大部分位于組件的近地側(cè)。當風速持續(xù)增大時，如圖5（d）所示，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，積塵量非常依賴組件的傾斜角度。這與圖4進行的受力分析相關(guān)，安裝角度的變化，導(dǎo)致顆粒在組件上合力的大小與方向發(fā)生變化。當正面風速很大時，如圖5（e）所示，灰塵幾乎無法在組件表面附著，只是在邊框處由于阻擋而附著一部分，這與實際積塵效果相一致。這可以通過圖4的受力情況進行分析。風速很大時，灰塵顆粒受到的流體作用力很大，導(dǎo)致重力、摩擦力被抵消，顆粒受到的合力使得顆粒反而朝上遷移，直到碰到邊框。在碰撞的過程中，有些顆粒會停留下來進而沉積，有些顆粒會直接飛出組件表面[7]。

本文還采用軟件分析了風向、安裝角、顆粒大小等因素對光伏面板上的積塵量的影響，限于篇幅，只介紹結(jié)果：一般而言，正面風對光伏面板上的積塵量影響最大，側(cè)面風的影響較小。組件安裝角度越大，大粒徑的積塵越少，以小粒徑的積塵為主。小顆粒的灰塵比大顆粒的灰塵更容易沉積，大顆粒灰塵更容易附著在組件下邊框而小顆粒灰塵分布較廣。

基于以上模擬，本文提出了典型的積塵沉積機理，主要包括4個步驟：吸附、擴散、成核和長大。當細小的灰塵入射到組件面板表面時有些會和面板表面的顆粒進行能量交換而被吸附，有些發(fā)生彈性碰撞被反彈回空中。而灰塵要變成積塵，顯然是需要發(fā)生非彈性碰撞。被吸附的顆粒將失去在表面法線方向的速度，只剩下具有平行于表面方向的速度。在殘留的速度下，顆粒在組件面板上進行擴散遷移。在擴散過程中，當顆粒的能量耗盡時就會停下，或者和其他已吸附的顆粒發(fā)生碰撞而合并在一起。當越來越多的灰塵合并在一起，就會突破能量的限制，形成一個穩(wěn)定的核，此后在表面上擴散的顆粒就會更容易吸附到這個核上，導(dǎo)致核長大。隨著越來越多的核長大，相互之間發(fā)生融合與延伸，最終演變?yōu)橐粚佑泻穸鹊姆e塵。前面提到，已經(jīng)有積塵的表面更容易附著灰塵，這可以看成是先吸附的灰塵顆粒在組件面板表面發(fā)揮了“核”的作用。后續(xù)灰塵一層一層地堆積就對應(yīng)于“核”不斷長大，連成一層層薄膜的過程。

3" 結(jié)束語

本文對選用典型川西光伏電站進行了積塵分析，并探索了其產(chǎn)生的機理。應(yīng)該看到，光伏電池板自然積塵實驗期較長，自然環(huán)境復(fù)雜多變，模擬時應(yīng)充分考慮真實的應(yīng)用場景參數(shù)，以使結(jié)果更真實可信。在自然環(huán)境中，不管是自然的灰塵還是人為產(chǎn)生的灰塵，都具有不同的形態(tài)和大小，往往并非是剛性的小球。光伏面板上積塵的受力分析對于明確積塵的吸附機理很重要，特別是對環(huán)境中一直有變化的風速和濕度等來說。所有的積塵特性分析，均是為電站清潔運維服務(wù)，并為光伏組件的清潔策略提供數(shù)據(jù)支撐，以便在不同的光伏電站尋找到最適合、最經(jīng)濟的清潔技術(shù)。本文所選的川西地區(qū)海拔高，建設(shè)電站難度大，電站后期運維諸多不便，如果能對積塵實現(xiàn)遠程自動化分析，建立積塵量（厚度）與組件輸出功率的對應(yīng)關(guān)系，并產(chǎn)生不同時間的響應(yīng)，必然可以大幅度減少無序的清潔成本，提高光伏電站的能效管理。

參考文獻：

[1] 朱美芳，熊紹珍.太陽電池基礎(chǔ)與應(yīng)用（上冊）[M]2版.北京：科學(xué)出版社，2014.

[2] 喬永力.積塵對太陽能光伏板性能影響及清潔裝置的研究[D].杭州：中國計量大學(xué)，2018.

[3] 金國輝，湯偉，楊世俊.光伏板積灰清理方案綜合評價研究[J].科技促進發(fā)展，2019，15（7）：746-753.

[4] 石渠縣人民政府.自然環(huán)境[EB/OL].（2022-6-15）[2022-12-22].http：//www.shiqu.gov.cn/gzsqx/c101887/common_list.shtml.

[5] KUMAR A， STAEDLER T， JIANG X. Role of relative size of asperities and adhering particles on the adhesion force[J].Journal of Colloid and Interface Science，2013，409：211-218.

[6] PETEAN P G C， AGUIAR M L. Determining the adhesion force between particles and rough surfaces[J].Powder Technology，2015，274：67-76.

[7] ZHAO W， LV Y， ZHOU Q， et al. Collision-adhesion mechanism of particles and dust deposition simulation on solar PV modules[J].Renewable Energy，2021，176：169-182.