摘 要：灰塵是廣泛存在于大氣中的微粒，影響大氣對(duì)太陽(yáng)光的折射率和透過(guò)率并進(jìn)而影響空氣能見(jiàn)度，累積在太陽(yáng)能光伏組件表面，遮擋了光線的入射，降低太陽(yáng)能光伏組件表面封裝玻璃透過(guò)率，從而降低太陽(yáng)能光伏組件的功率輸出。通過(guò)對(duì)光伏組件表面積塵對(duì)透過(guò)率的影響研究，可為光伏發(fā)電技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可會(huì)對(duì)進(jìn)一步的光伏發(fā)電研究起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏；積塵；透過(guò)率

0 引 言

太陽(yáng)能光伏電池是一種由光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，類似于半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到 光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有較大輸出功 率的太陽(yáng)能電池方陣了^[1] 。為保證太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電功率充足，組件內(nèi)部采用單晶硅太陽(yáng)能電池片，外部利用在太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(320～1100 nm)透光率達(dá)9l％以上的低鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃)封裝。置于室外太陽(yáng)能光伏發(fā)電 系統(tǒng)通過(guò)接收太陽(yáng)能輻射而進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換發(fā)電，接收的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度是影響其發(fā)電的主要因素，內(nèi)部的太陽(yáng)能電池片接收到的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度又與太陽(yáng)能電池封裝玻璃的透過(guò)率有關(guān)。由于人類日常生活、工業(yè)排放廢棄物質(zhì)、道路老化、交通運(yùn)行等多種因素產(chǎn)生的灰塵會(huì)沉降在太陽(yáng)能光伏組件封裝玻璃表面，遮擋了光線的射入，直接影響到太陽(yáng)能電池玻璃透過(guò)率。當(dāng)太陽(yáng)能光伏組件封裝玻璃沉積了一定量的灰塵后，其透過(guò)率受到影響而致使發(fā)電效率下降。一些地方由于太陽(yáng)能電池板積塵較厚，無(wú) 法正常發(fā)電。As1．Soleimani曾經(jīng)報(bào)道過(guò)德黑蘭的灰塵能使光伏電站的發(fā)電量減少60％以上^[2]，但在不同的環(huán)境下，空氣中灰 塵的成分不同，累積的厚度不同，對(duì)電站的發(fā)電量造成的影響也不卡H同。本文中針對(duì)太陽(yáng)能比伏組件在同角度的積塵對(duì)太陽(yáng)能入射光透過(guò)率的影響分析，對(duì)今后完善電站的安全生產(chǎn)、提高發(fā)電效率有一定參考作用。

1 理論分析

灰塵在太陽(yáng)能電池板上的沉降遮擋了光線的射入，直接影響到太陽(yáng)能電池玻璃透過(guò)率，透過(guò)率的大小可以通過(guò)如下理論分 析進(jìn)行計(jì)算。

首先確定玻璃的小光系數(shù)K，測(cè)定玻璃的折射牢n，依據(jù)布格爾-比耳定律求：

式中：為只考慮玻璃吸收時(shí)的陽(yáng)光透過(guò)率;

為陽(yáng)光透過(guò)玻璃的光程;為玻璃的厚度;為入射 角;為折射角;為空氣折射率，近似等于1。

  由于在不同大氣質(zhì)量條件下，大氣對(duì)陽(yáng)光的選擇性吸收與散射，使得到達(dá)地球表面上的的太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度發(fā)生改變 ，這樣就會(huì)引起玻璃透過(guò)率的改變^[3]。

透過(guò)率的計(jì)算。由測(cè)定的消光系數(shù)和折射率數(shù)據(jù)，便可以計(jì)算不同玻璃層次，各種入射角條件下的玻璃透過(guò)率，玻璃透過(guò) 率為：

式中：為玻璃的透過(guò)率;為只考慮玻璃反射的透過(guò)率;為只考 慮玻璃吸收的透過(guò)率。

   不同玻璃層數(shù)的值由式（4）決定：

式中：m為玻璃的層數(shù);為玻璃的反射率。

  對(duì)于非偏振的太陽(yáng)光，可用式（5）計(jì)算：

當(dāng)時(shí)，;當(dāng)時(shí)，應(yīng) 取兩個(gè)偏振分量的平均透過(guò)率來(lái)計(jì)算值。

   不同玻璃層數(shù)的值也可以由決定， 這時(shí)陽(yáng)光在玻璃中的光程為    ,由式（5）可以算出玻璃的透過(guò)率^[4]。

實(shí)際情況中由于積塵對(duì)玻璃的消光系數(shù)和折射率影響無(wú)法準(zhǔn)確確定，所以在理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量之間存在較大的誤差，因此，

利用精密的測(cè)試儀器測(cè)量積塵對(duì)透過(guò)率的影響，將有更可靠的說(shuō)服力。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2．1 實(shí)驗(yàn)方案

本文驗(yàn)以內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)省部共建風(fēng)能太陽(yáng)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，以置于室外的普通平飯玻璃為研究對(duì)象，在有限時(shí)間的積塵條件下，對(duì)比當(dāng)?shù)靥?yáng)能光伏發(fā)電站光伏組件的實(shí)際安裝角度與水平面，分析太陽(yáng)能光伏發(fā)電站光伏組件的實(shí)際安裝角度與水平面的積塵對(duì)透過(guò)率的影響；其次是通過(guò)對(duì)比置于室外不同角度的普通平板玻璃在一定時(shí)間內(nèi)的積塵對(duì)透過(guò)率的影響，分析不同角度的積塵規(guī)律。

2．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中測(cè)試透過(guò)率所采用的設(shè)備為島津UV3600紫外、可見(jiàn)近紅光分光光度計(jì)，詳細(xì)參數(shù)如表l所示。

表1 島津UV3600紫外、可見(jiàn)近紅光分光光度計(jì)相關(guān)參數(shù)

透過(guò)率:

式中: 為入射光強(qiáng)度;  為透射光強(qiáng)。

    根據(jù)Lambert-Beer定律，入射光的強(qiáng)度為：

式中：吸收光強(qiáng)度; 透射光強(qiáng)度;反射光強(qiáng)度。

    當(dāng)一束強(qiáng)度為的單色光透過(guò)濃度為C、光程為L(zhǎng)的溶液時(shí)，一部分光被溶液中的吸光物質(zhì)吸收后，透過(guò)光的強(qiáng)度為 ，它們關(guān)系如式（8）：

式中：A為吸光度;K為吸光物質(zhì)在單位濃度、單位厚度時(shí)的吸光度。

島津UV3600紫外、可見(jiàn)近紅光分光光度計(jì)主要特點(diǎn)如下：

    （1）高靈敏度。安裝三個(gè)檢測(cè)器：光電倍增管用于紫外區(qū)和可見(jiàn)區(qū);InGaAs和PbS檢測(cè)器用于近紅外區(qū)。InGaAs檢測(cè)器覆蓋了光電倍增管和PbS檢測(cè)器的薄弱范圍，保證了整個(gè)測(cè)量范圍的高靈敏度。

    （2）高分辨率。采用高性能的雙單色器實(shí)現(xiàn)了超高的分辨率和超低的雜散光。測(cè)量范圍覆蓋紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)域，滿足多種領(lǐng)域的測(cè)量要求。UVProbe實(shí)現(xiàn)了真正的QA／QC功能，完全支持GLP、GMP。另外還可以加載膜厚測(cè)定、色彩分析等軟件。

     (3)豐富的附件選擇。用途的大樣品室和積分球可以進(jìn)行絕對(duì)反射率的測(cè)定，另外還有多種恒溫池架和超微量池架以及自動(dòng)進(jìn)樣器可供選擇，測(cè)定多種類型的樣品。

     電磁波的區(qū)分在紫外、可見(jiàn)、震動(dòng)紅外和近紅外區(qū)域（如圖1），晶體硅太陽(yáng)能電池對(duì)光譜各波段的響應(yīng)不同，相同輻射強(qiáng)度下，不同波段的入射光使電池產(chǎn)生的短路電流大小不同[5]，根據(jù)針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的量子效率與光譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，量了效率較高的光譜響應(yīng)分布在200~3200nm^[6]，所以在本文的測(cè)量分析過(guò)程中主要在200~3200nm。

圖1 電磁波分布

2．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1 固定傾角與水平面的積塵對(duì)透過(guò)率影響對(duì)比

選擇兩塊相同的清潔玻璃，按照當(dāng)?shù)靥?yáng)能光伏發(fā)電站光伏組件的實(shí)際安裝角度(41°)及水平角度(0°)分別置于室外，進(jìn)行自然積塵一個(gè)月后，對(duì)積塵的玻璃進(jìn)行透過(guò)率測(cè)量，得出積塵前后透過(guò)率的影響情況。

2.3.2 不同傾角積塵對(duì)透過(guò)率的影響

選取四塊相同的清潔玻璃，以39°、4l°、43°、45°傾角進(jìn)行固定置于室外，進(jìn)行自然積塵一周后，對(duì)積塵的玻璃進(jìn)行透過(guò)率測(cè)量，得出積塵前后透過(guò)率的影響情況以及積塵隨傾角的變化情況。

3 結(jié)果分析

3．1 積塵在固定傾角表面與平面對(duì)透過(guò)率的影響本實(shí)驗(yàn)為了研究積塵對(duì)透過(guò)率的影響，選用的是普通平板玻璃，其透過(guò)率要低于光伏電池封裝玻璃。首先測(cè)定4l°傾角與水平傾角清潔玻璃片的透過(guò)率，如圖2、圖3所示，當(dāng)波長(zhǎng)為522nm時(shí)，透過(guò)率達(dá)到最高值，為88.913％；經(jīng)過(guò)一個(gè)月的自然積塵后，透過(guò)率降低為87.027％和75.94％，由圖可見(jiàn)灰塵主要遮擋了波長(zhǎng)為312～2424nm這一段，灰塵附著后透過(guò)率減小明顯，水平玻璃片上附著的灰塵比傾角為4l°的多，在波長(zhǎng)482nm時(shí)阻礙最大，32.103%被阻礙。傾角4l°時(shí)，波長(zhǎng)在522 nm阻礙最大，阻礙了12．973％的入射光線，320～1100 nm 的光線普遍減小了10％ 。但在平面上、波長(zhǎng)為522 nm 時(shí)，阻礙了31．588％，兩者相比平面要比41°傾角多阻擋18．615％ 。從圖4中可以看出，41°傾角在自然積塵一個(gè)月后玻璃的透過(guò)率不超過(guò)80％ ，而水平傾角的透過(guò)率已經(jīng)減小一半，在平面上灰塵不易脫落使得灰塵在玻璃表面黏結(jié)，光線損失嚴(yán)重。

圖2 41°傾角積塵1個(gè)月前后透過(guò)率對(duì)比

圖3 水平傾角積塵1個(gè)月前后透過(guò)率對(duì)比

圖4 41°傾角與水平傾角積塵1個(gè)月后透過(guò)率對(duì)比

3．2 不同傾角灰塵對(duì)透過(guò)率的影響

    測(cè)定39°、41°、43°、45°傾角清潔玻璃的透過(guò)率，固定置于室外進(jìn)行自然積塵一周后，對(duì)積塵后的玻璃進(jìn)行透過(guò)率的測(cè)量，得出積塵前后透過(guò)率的對(duì)比結(jié)果如圖5～圖8所示，一周的邊界條件見(jiàn)表2。

圖5 39°傾斜角一周對(duì)比

圖6 41°傾斜角一周對(duì)比

圖7 43°傾斜角一周對(duì)比

圖8 45°傾斜角一周對(duì)比

表2 一周的邊界條件

由測(cè)試結(jié)果可知：39°傾斜面玻璃的透過(guò)率，一周后與清潔時(shí)對(duì)比平均減小了2.819％，透過(guò)率減少最大；41°傾斜面玻璃的透過(guò)率，一周后與清潔時(shí)相比平均減小了2.662％；43°傾斜面玻璃的透過(guò)率，一周后與清潔時(shí)對(duì)比平均減小了2.284％；45°傾斜面玻璃的透過(guò)率，一周后與清潔時(shí)對(duì)比平均減小了2.234％，透過(guò)率減小最少。由上述結(jié)果分析可以知道：置于室外進(jìn)行一周自然積塵的普通平板玻璃的透過(guò)率隨著安裝角度的增大，受積塵影響降低，積塵量隨著安裝角度的增加而減少。

4 結(jié) 論

通過(guò)紫外、可見(jiàn)近紅光分光光度計(jì)對(duì)玻璃上附著有灰塵后的透過(guò)率的測(cè)量，得出在內(nèi)蒙古呼和浩特市將普通平板玻璃按當(dāng)?shù)靥?yáng)能光伏發(fā)電站光伏組件的實(shí)際安裝角度(41°)置于室外，進(jìn)行自然積塵一個(gè)月后，波長(zhǎng)在522 nm時(shí)其透過(guò)率阻礙最大，阻礙了12.973％ 的入射光線，320～1100 nm的光線普遍減少了10％。 39°傾角普通平板玻璃在一周的自然積塵后透過(guò)率將減小2.819％ ，1個(gè)月積塵后阻礙透過(guò)率最大可將減小12.973％ ，45°傾斜面玻璃的透過(guò)率，一周后的透過(guò)率將減小2.234％ 。比較不同傾斜角的灰塵積累，透過(guò)率隨著安裝角度的增大，受積塵影響降低，積塵量隨著安裝角度的增加而減少。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦紅，沈輝，張仁元，等．溫度對(duì)太陽(yáng)電池效率的影響及改善方法分析[C]．第八屆全國(guó)光伏會(huì)議暨中日光伏論壇論文集，2004．

[2] 郭?。⒕W(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電網(wǎng)影響研究[D]．天津：天津大學(xué)，2010．

[3] ANDREWS R W，POLLARD A，PEARCE J M．The effects of snow~ll on solar photovoltaic performance[J]．Solar Energy，2013，92：84—97．

[4] KALDELLIS J，ZAFIRAKIS D．Experimental investi—gation of the optimum photovohaic panels' tilt angle during the summer period[J]．Energy，2012，38(1)：305—314．

[5] 王殿元，王慶凱，彭 丹，等．硅太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)曲線測(cè)定研究性實(shí)驗(yàn)[J]．物理實(shí)驗(yàn)，2007(9)：8一l0．

[6] 呂 欣，崇 鋒，陳文浩，等．光譜響應(yīng)對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響分析[J]．太陽(yáng)能，2014(9)：27—29．

本文作者：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 趙明智，張旭