光伏板自加熱除雪性能研究

豐 敏

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，上海 200241)

0 引言

在光伏發(fā)電發(fā)展中，光伏板上積雪的清除已成為當(dāng)今研究關(guān)注的焦點(diǎn)。若不能及時清除光伏板上的積雪，將會降低發(fā)電效率、影響組件壽命、成為安全隱患[1-2]。盡管目前已存在一些清除光伏板積雪的手段，如人工除雪[3]、機(jī)械除雪[4-7]、納米自清潔涂層[8-10]等，但各自均有一定的弊端：人工除雪易損壞光伏組件，機(jī)械除雪裝置復(fù)雜、操作不便，納米自清潔涂層成本高。這些弊端限制了上述除雪技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

為此，本文提出了一種新型的除雪手段——光伏板自加熱除雪技術(shù)。此技術(shù)將光伏板作為負(fù)載，在電池板正負(fù)兩極施加正向電壓。利用光伏電池的結(jié)構(gòu)原理[11-12]及內(nèi)部p-n結(jié)的特性，光伏組件內(nèi)部產(chǎn)生熱量，溫度升高，緊貼光伏板表面的積雪融化。受熱融化的雪水相當(dāng)于“潤滑劑”，由于光伏板一般為傾斜放置，其上面的積雪層在底部雪水的潤滑作用下滑落而下，從而順利除雪。

通過建立并研究光伏板自加熱除雪理論模型、查閱相關(guān)文獻(xiàn)[13-17]、結(jié)合前期預(yù)實驗，歸納出影響光伏板除雪性能的因素主要有：積雪厚度、雪密度、環(huán)境溫度、加熱功率、光伏板傾斜角度。在本文實驗條件下，所用積雪為同一批次，密度一定，均為420 kg/m3左右。因此，本文實驗中主要研究積雪厚度、環(huán)境溫度、加熱功率和光伏板傾斜角度對除雪性能的影響。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗系統(tǒng)準(zhǔn)備

本實驗系統(tǒng)主要由四個部分組成：直流穩(wěn)壓電源、光伏板、溫度采集系統(tǒng)以及焓差實驗室，如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

直流穩(wěn)壓電源(AN50501S，輸出電壓0～60 V，輸出電流0～50 A，輸出功率0～3 000 W)為系統(tǒng)的供電裝置，使電流正向流經(jīng)組件內(nèi)部p-n結(jié)。

光伏板(CSUN245-60P，額定功率245 W)相當(dāng)于一個負(fù)載，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源在其正負(fù)兩極施加正電壓時，在其內(nèi)部的p-n結(jié)作用下，產(chǎn)生單向?qū)娏?，繼而發(fā)熱，以融化積雪。

溫度采集系統(tǒng)(包括T型熱電偶線和Agilent34970A型數(shù)據(jù)采集儀)對通電后的光伏板正面及背面溫度分別進(jìn)行采集。如圖2，在光伏板的正面及背面分別均勻地布置5個溫度測點(diǎn)并進(jìn)行編號(正面測點(diǎn)的編號為①～⑤，背面測點(diǎn)的編號為⑥～⑩)。且正面測點(diǎn)與背面測點(diǎn)一一對應(yīng)：①對應(yīng)⑥，②對應(yīng)⑦……依此類推，取十根已標(biāo)定好的熱電偶線，分別將一端固定在測點(diǎn)上，另一端連接安捷倫數(shù)據(jù)采集儀，實時監(jiān)測溫度變化。

焓差實驗室可進(jìn)行溫濕度的調(diào)節(jié)來模擬外界露天環(huán)境。

圖2 溫度測點(diǎn)分布示意圖

1.2 實驗工況設(shè)置

本實驗分別對影響光伏板上積雪融化滑落的四個主要因素——積雪厚度、光伏板傾角、環(huán)境溫度和加熱功率進(jìn)行探究。每個影響因素設(shè)置5個實驗工況，見表1。

Jordan[18]和Hockersmith[19]等人研究發(fā)現(xiàn)，雪在融化過程中存在“平衡高度”，經(jīng)實驗測定約為3 cm。若積雪厚度小于“平衡高度”，雪層底部融化而成的雪水立馬結(jié)成冰，將整個雪層牢牢地凍結(jié)在光伏板上，在此情況下無論再怎么延長加熱時間或增大光伏板傾角，均無法使雪層滑落。因此本實驗中積雪厚度均大于“平衡高度”，即大于3 cm。

表1 實驗工況列表

工況編號積雪厚度h/cm環(huán)境溫度t/℃加熱功率q/W·m-2光伏板傾角θ/°142536-6.02301847586-3.07-4.586-6.0230189-7.510-9.01117012200136-6.023018142601529016141715186-6.02301619172018

對光伏板上的積雪進(jìn)行受力分析后發(fā)現(xiàn)，若光伏板傾斜角度過?。阂环矫妫友毓夥迤叫蟹较虻姆至?相當(dāng)于有助于積雪下滑的拉力)過??；另一方面，沿光伏板垂直方向的壓力(此壓力與積雪和光伏板之間的摩擦力成正比)過大。由此造成積雪不易滑落。因此必然存在一個“最小傾角”，只有當(dāng)光伏板傾斜角度大于此值時，積雪層才能從光伏板上滑落。通過前期預(yù)實驗，得出本文試驗條件下的“最小傾角”為13°。因此本實驗中光伏板傾角均在13°以上。

2 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)表1設(shè)計的實驗工況進(jìn)行實驗。經(jīng)檢測，實驗中的雪密度約為420 kg/m3。圖3、圖4和圖5分別為不同積雪厚度、不同環(huán)境溫度和不同加熱功率下的光伏板正面(即積雪底部)溫度變化曲線。

圖3 不同積雪厚度下的光伏板正面溫度曲線

圖4 不同環(huán)境溫度下的光伏板正面溫度曲線

圖5 不同加熱功率下的光伏板正面溫度曲線

觀察圖3～圖5中溫度變化曲線可以看出：隨著加熱的進(jìn)行，光伏板正面溫度上升到0℃以上的某個值時會停止上升的步伐，轉(zhuǎn)而下降，形成“突變點(diǎn)”，此突變點(diǎn)成為溫度曲線上的“坡峰”。到達(dá)“坡峰”前，光伏板正面的溫度上升較快；到達(dá)“坡峰”后，溫度上升速度驟減為零，溫度發(fā)生小幅度地下降，此后溫度基本保持穩(wěn)定。

結(jié)合傳熱學(xué)原理分析“坡峰”產(chǎn)生的原因為：在光伏板通電加熱前期，光伏板正面溫度較低，低于雪的熔點(diǎn)，與之接觸的積雪尚未發(fā)生融化，此時光伏板積雪的傳熱過程主要是干雪內(nèi)部的導(dǎo)熱過程，為顯熱傳遞，故而溫度上升較快；當(dāng)光伏板正面溫度上升到0℃以上時，積雪開始融化，由于相變過程需要吸收大量的潛熱，顯熱傳遞轉(zhuǎn)化為潛熱傳遞，故而光伏板表面溫度發(fā)生小幅度驟降，由此形成一個小小的“坡峰”；到達(dá)“坡峰”后，光伏板加熱量幾乎全部轉(zhuǎn)化為積雪融化所需的潛熱，溫度基本不變。因此，光伏板正面溫度曲線上的“坡峰”相當(dāng)于整個融雪過程中的“分水嶺”，板上積雪是相變前后的分界點(diǎn)——“坡峰”前積雪尚未發(fā)生相變，此階段即為“待融階段”，定義其所經(jīng)歷的時間為“待融時間”；“波峰”處及之后的積雪開始融化，直至滑落，此階段即為“融化階段”，定義其所經(jīng)歷的時間為“融化時間”。在融化階段中，光伏板正面溫度基本恒定，定義該溫度為“融化溫度”?！安ǚ濉碧帉?yīng)的溫度定義為“波峰溫度”。

圖3～圖5分別為不同積雪厚度、不同環(huán)境溫度、不同加熱功率和不同光伏板不同傾角下的除雪時間(包括“待融時間”和“融化時間”)。

分析圖3～圖5，可得出以下結(jié)論：

(1)積雪厚度對光伏板融雪除雪性能的影響：當(dāng)加熱功率為230 W、雪密度為420 kg/m3、環(huán)境溫度為-6℃、光伏板傾角為18°時，積雪厚度每增大1 cm，則待融階段中光伏板正面溫度提升速率平均增大約0.05℃/min， “坡峰溫度”平均降低約0.10℃，融化溫度平均降低約0.10℃；待融時間平均縮短約2.1 min，融化時間縮短約4.4 min，除雪總時間縮短約6.5 min。

(2)環(huán)境溫度對光伏板融雪除雪性能的影響：當(dāng)積雪厚度為6 cm、積雪密度為420 kg/m3、加熱功率為230 W/m2、光伏板傾角為18°時，環(huán)境溫度每升高1℃，則待融階段中光伏板正面溫度提升速率增大約0.12℃/min， “坡峰溫度”升高約0.09℃，融化溫度升高約0.07℃；待融時間縮短約6.0 min，融化時間縮短約10.7 min，除雪總時間縮短約16.7 min。

(3)加熱功率對光伏板融雪除雪性能的影響：當(dāng)雪厚度為6 cm、積雪密度為420 kg/m3、環(huán)境溫度為-6℃、光伏板傾角為18°時，加熱功率每增大10 W，則待融階段中光伏板正面溫度提升速率增大約0.04℃/min， “坡峰溫度”升高約0.09℃，融化溫度升高約0.06℃，待融時間縮短約4.2 min，融化時間縮短約4.2 min，除雪總時間縮短越8.4 min。

(4)光伏板傾角對光伏板除雪性能的影響：當(dāng)積雪厚度為6 cm、積雪密度為420 kg/m3、加熱功率為230 W/m2、環(huán)境溫度為-6℃時，光伏板每增加1°的傾斜角度，除雪時間可縮短約4.7 min。

表2 不同積雪厚度下的“待融時間”和“融化時間”

積雪厚度/cm45678待融時間/min20.118.315.814.111.9融化時間/min71.059.754.852.753.3除雪總時間/min91.178.070.666.865.2

表3 不同環(huán)境溫度下的“待融時間”和“融化時間”

環(huán)境溫度/℃-3-4.5-6.0-7.5-9.0待融時間/min8.110.015.822.844.1融化時間/min15.828.954.886.280.0除雪總時間/min23.938.970.6109.0124.1

表4 不同加熱功率下的“待融時間”和“融化時間”

加熱功率/W170200230260290待融時間/min62.029.115.814.212.1融化時間/min58.569.354.837.87.9除雪總時間/min120.598.470.652.020.0

表5 不同光伏板傾角下的除雪時間

光伏板傾角/°1415161718除雪總時間/min89.3 85.6 81.5 69.7 70.6

3 結(jié)論

本文通過搭建實驗平臺、設(shè)計實驗，針對積雪厚度、環(huán)境溫度、加熱功率及光伏板傾角這四個參數(shù)對光伏板融雪除雪性能的影響分別進(jìn)行了探究，得出如下結(jié)論：

(1)在光伏板自加熱融雪過程中，光伏板正面溫度前期持續(xù)上升，但到達(dá)0℃以上的某個值時，溫度曲線發(fā)生突變，形成“坡峰”。到達(dá)“坡峰”前，光伏板正面溫度穩(wěn)步攀升；越過“坡峰”后，溫度不升反降，并基本穩(wěn)定在0℃以上附近。

(2)在實驗條件下，積雪厚度每增加1 cm，除雪總時間縮短約6.5 min；環(huán)境溫度每升高1℃，除雪總時間縮短約16.7 min；加熱功率每增大10 W，除雪總時間縮短約8.4 min；光伏板傾角每增加1°，除雪時間約縮短4.7 min。