沙漠沙尘对光伏组件输出性能影响实验研究

沙漠沙尘对光伏组件输出性能影响实验研究

罗彦

湖北省电力规划设计研究院有限公司 湖北 武汉 430040

摘要：为合理利用资源，大部分光伏电站建在太阳能资源丰富沙漠地区，这些区域沙物质丰富，在外力作用下，松散的沙尘颗粒易覆盖在光伏组件表面，影响其正常工作，所以研究分析沙漠沙尘覆盖对光伏组件输出性能的影响，对沙漠地区光伏电站的高效运行意义重大。

关键词：沙漠沙尘；光伏组件；输出性能影响

太阳能发电作为一种清洁可再生能源利用技术，其合理利用对解决全球能源问题和改善温室效应具有重要意义。沙尘覆盖现象会对光伏组件的温度和输出性能产生不同程度影响。沙漠光伏电站作为光伏发电系统重要应用形式，需研究沙漠沙尘对光伏组件性能的影响。

一、实验布置

1、实验设备。基于对沙漠光伏电站的实地考察，研究以综合收益较高的多晶硅太阳能光伏组件为实验样品。为保证实验数据的准确性，使用TP700多路数据记录仪外接Pt100温度传感器，实时测量样本积沙前后的背板温度，并自动记录存储。另外，利用Fluke Norma 5000功率分析仪及PROVA200A太阳能电池分析仪采集光伏组件积沙前后输出功率和工作参数数据。

2、实验用沙来源。积沙现象与积尘现象相似，其沙尘属性具有区域性，不同地区沙漠地表沙源粒度分布存在差异。积沙密度对光伏组件输出特性影响的实验研究阶段使用的沙尘样品来源于某电站光伏组件表面自然沉降沙尘；沙尘粒径对光伏组件输出特性影响实验研究使用从光伏组件附近地表采集的沙尘样品。

3、实验方法

①积沙密度实验阶段。使用精度为0.01g的电子天平对光伏组件表面采集的沙尘样品进行称重，并基于实验中使用的光伏组件样品实际采光面积，计算积沙密度。将称量后的沙粒均匀铺撒在安装于实验台架上的光伏组件表面，实验台架设置倾斜角即光伏组件安装倾角是实验室所在地最佳安装倾角，实验期间的气象数据由重点实验室自备的气象站测得。

②透光率实验。沙尘对光伏组件玻璃盖板透光率影响实验操作为：在实验台架上安装玻璃盖板，并依次铺设不同积沙密度沙尘，同时测量积沙及清洁玻璃盖板另一侧的辐照强度，将积沙与清洁玻璃盖板的辐照强度记为积砂及清洁，并多次测量以获得其平均值，再铺设不同积沙密度的钢化玻璃板后，将清洁光伏组件单独放置，并测量其输出功率。

③沙尘粒径实验阶段。沙源粒度分布是沙尘的重要物理属性，所以在实验前期用Helos型粒度分析仪分析测试收集沙漠地表的沙尘。这一过程使用筛分法完成，该方法使用一系列规格的筛网界定沙尘颗粒的粒径区间，再在各粒径区间称质量相同沙粒，并将其均匀铺撒在光伏组件表面。另外，沙尘密度和其粒径实验期间的整体风速较低，最大风速不超3.7m/s，不影响实验变量的准确稳定性。

二、实验结果

1、积沙密度实验结果

①不同积沙密度对光伏组件最大输出功率的影响。随着光伏组件表面积沙密度的增大，组件最大输出功率逐渐减小，当达到一定程度时，最大输出功率值波动减小，并逐渐趋于稳定。光伏组件表面的积沙密度从0增加到40g/m2，最大输出功率下降32.2%。可见，沙尘对光伏组件的输出功率有着显著影响。

对于不同积沙密度沙尘覆盖下光伏组件的温度变化，次日进行了补充实验，密度梯度为1g/m2，从30增至40g/m2，测试对应积沙密度下组件温度变化，可见，组件温度随积沙密度变化拐点在35g/m2密度值附近。

此外，光伏组件的输出功率由光伏组件表面钢化玻璃盖板相对透光率及光伏组件温度共同影响，所以在研究沙尘密度对光伏组件最大输出功率的影响时，要整理两者的变化趋势并进行耦合分析。随积沙密度的逐渐增大，光伏组件相对透光率及其输出功率几乎线性下降。当积沙密度相同时，与相对输出功率相比，相对透光率下降程度更显著，这是因光伏组件输出功率同时受组件透光率和转换效率影响，而组件的工作温度直接影响转换效率。当玻璃盖板表面有沙尘时，光伏组件的温度低于清洁的光伏组件温度，所以组件温度的降低提高了其转换效率，因而当积沙密度相同时，与相对输出功率相比，相对透光率下降程度更大。

②不同积沙密度对光伏组件填充因子的影响。对于组件温度随积沙密度变化而出现拐点的密度区间，细化其密度值，并进行补充实验。随着积沙密度的逐渐增大，光伏组件填充因子呈现先增大后减小趋势。对于硅太阳能电池，影响其填充因子的内部因素是组件的开路电压和短路电流。通过对实验数据的分析测试，得出开路电压和短路电流对组件温度的敏感性存在显著差异，填充因子随组件温度的变化趋势与开路电压随温度变化大致相同。当积沙密度从0增到30g/m2时，组件温度随积砂密度增大而逐渐降低，此时计算出的组件填充因子值逐渐增大；当填充因子在积沙密度30g/m2时，其发生骤变，在将积沙密度从30增加到40g/m2过程中，填充因子值显著降低，并在积沙密度为40g/m2时降至除清洁组件外的最小值。此外，根据从补充实验中获得的数据，在35g/m

2积沙密度下，组件温度显示谷值，并且填充因子值在该密度下达到峰值。根据实验数据趋势可推断，当光伏组件表面积沙密度小于等于35g/m2时，填充因子值逐渐增大；当光伏组件的表面积沙密度大于35g/m2时，光伏组件计算填充因子值逐渐减小。

2、沙尘粒径实验结果

①同沙尘质量下不同沙尘粒径对光伏组件最大输出功率的影响。清洁光伏组件的最大输出功大于有沙尘时组件输出功率，最大输出功率整体随粒径增大而逐渐上升(无沙尘时除外)，并最终趋于稳定。

当粒径为0.04～0.06mm时，组件最大输出功率达到其最低值，最大降幅0.5W。原因是当光伏组件表面积沙时，沙尘形成的遮挡效应削弱了光伏组件接收的辐射总能，即降低了玻璃盖板在光伏组件表面的透光率，导致其输出功率下降。此时，组件相对透光率降低了26.7%。粒径区间0.30～0.40mm时组件最大输出功率达到最大值，与清洁组件相比，该粒径区间覆盖的光伏组件最大输出功率降幅仅6.0%，最小降幅低至0.2%。这是因当覆盖组件表面的沙尘总质量相同时，其粒径越大，颗粒越少，颗粒间隙增大，能减少光伏组件透光率影响。当粒径0.06～0.10mm时，组件相对透光率比粒径为0.04～0.06mm时提高了11.7%，表明组件最大输出功率相对回升。

对于粒径0.08～0.10mm范围内输出功率突降情况，将分析不同粒径覆盖下光伏组件温度特性研究成果，其功率突降的粒径区间与温度峰值所处粒度区间一致。尽管该区间沙尘粒径略有增大，导致玻璃盖板相对透光率增加，但同时，该粒径区间沙尘覆盖下的光伏组件呈现出温度峰值，组件的转化效率与其温度呈负相关，所以组件输出功率受到影响的两种方式可解释为，此处功率突降是由于温度的显著升高，降低了组件转换效率，并占据了影响功率的主导地位。

②同沙尘质量下不同沙尘粒径对光伏组件填充因子影响。组件填充因子随沙尘粒径的变化趋势与光伏组件的温度随粒径变化趋势近乎呈相反状态。对于实验设置的沙尘粒径区间，填充因子两个峰值出现在光伏组件温度谷值所在粒径区间，在0.04～0.06mm粒径范围获得最大值，与清洁组件相比，最大升幅为4%，组件填充因子最小值出现在组件温度峰值所在粒径区间，即0.08～0.10mm。通过对填充因子的影响因素分析可知，填充因子几乎随组件温度的升高而单调下降。因此，光伏组件在不同粒径沙尘覆盖下的填充因子在很大程度上取决于组件温度，随着沙尘粒径的不断增大，组件温度呈现先升高、后降低、再升高趋势，这种变化是由于沙尘粒径变化导致沙尘颗粒的遮挡面积和间隔大小不同，导致沙尘覆盖的光伏组件辐照度效应削弱，以及沙物质本身物理性质引起的热阻效应影响。沙漠沙尘主要成分是流沙石英，其导热率低，热容量小，不利于组件散热，所以当沙尘覆盖组件表面时，会形成热阻效应。不同沙尘粒径覆盖的组件受两种温度影响方式程度占比不同，因此粒径影响的温度变化趋势呈波动状，从而得出结论，沙尘粒径对组件填充因子影响趋势呈波动状，且与前者趋势相反。

参考文献：

[1]闫旭洲.灰尘覆盖对光伏组件性能影响的原位实验研究[J].太阳能学报，2016，37(08):1944-1950.