光伏板自動加熱除雪技術(shù)研究

徐陽

上海安悅節(jié)能技術(shù)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(qū)積雪比較嚴重，利用傳統(tǒng)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(xiàn)，然而在光伏車棚方陣既高又陡，除雪時需登高作業(yè)，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(chǎn)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(chǎn)損失，此外，光伏板上積雪還會影響發(fā)電效率。本文提出的光伏板自動加熱除雪技術(shù)是基于光伏電池的結(jié)構(gòu)和原理，利用光伏電池p-n結(jié)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(fā)電原理

光伏陣列輸出直流電壓，通過直流開關(guān)和EMC濾波器后經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)。利用光伏特性將原有光伏系統(tǒng)中的逆變器進行改造和軟件技術(shù)升級，升級后的逆變器具有能量雙向轉(zhuǎn)換功能，并設置雙向保護功能，故稱為并網(wǎng)雙向逆變器。

2 自動除雪原理

光伏板自動除雪技術(shù)，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(qū)動模塊控制IGBT功率模塊進行交直流電雙向轉(zhuǎn)換，當積雪壓力達到預設閥值時，光伏系統(tǒng)逆變器將會切換至整流狀態(tài)，將大電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)為1．0左右，加熱后靜摩擦系數(shù)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(shù)分析

根據(jù)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(jù)傳熱模型求出在一定環(huán)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(shù)的主要影響因數(shù)：積雪厚度、雪密度、環(huán)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(guī)律和除雪效率，積雪厚度、環(huán)境溫度、加熱功率以及光伏板傾角等因數(shù)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(jù)雪的物理性質(zhì)可知，雪內(nèi)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(huán)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(shù)，即雪的保溫效果，而雪的導熱系數(shù)對于傳熱效果具有重大影響。同時，雪的密度還關(guān)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(shù)的因數(shù)之一。

3.3 環(huán)境溫度對除雪性能的影響

環(huán)境溫度決定了雪層表面與環(huán)境之間、光伏板背面與環(huán)境之間對流換熱量；環(huán)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(huán)境溫度決定了光伏板與環(huán)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(huán)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(huán)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(chǎn)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(jù)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(nèi)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(huán)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(jié)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(jié)

本文提出了由于光伏板內(nèi)硅電池片的p-n結(jié)構(gòu)，光伏板硅電池即可作為發(fā)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(zhuǎn)換成電能，可給直流負載供電，此時光伏電池相當于發(fā)電電源。夜間，光伏電池不會產(chǎn)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(nèi)部可形成穩(wěn)定的單向?qū)娏鳎译娏鞯拇笮‰S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(shù)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(fā)電系統(tǒng)是整體回路，產(chǎn)生單向?qū)娏?，由于硅電池p-n結(jié)能級差以及半導體區(qū)電阻的存在，當電流通過時會在光伏組件半導體區(qū)域產(chǎn)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(chǎn)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(huán)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(wěn)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(fā)生小幅度的下降，此后溫度基本保持穩(wěn)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(fā)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(jié)果與實際實驗結(jié)果進行參照對比，驗證理論依據(jù)的可行性和實驗結(jié)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(fā)明專授權(quán)，并榮獲2018年中國工業(yè)設計研究院創(chuàng)新設計大獎賽優(yōu)秀創(chuàng)新設計產(chǎn)品獎（國家級）。