积灰对光伏面板基本输出特性的影响研究

李 洋， 朱如仙， 王爱星， 陈起慢， 李艳芳

(东华理工大学 理学院， 江西 南昌 330013)

积灰对光伏面板基本输出特性的影响研究

李 洋， 朱如仙， 王爱星， 陈起慢， 李艳芳

(东华理工大学 理学院， 江西 南昌 330013)

通过实验模拟自然状态下光伏面板积灰的情况，研究了不同积灰密度下的太阳能组件伏安输出特性。通过分析可以得到：灰尘密度对光伏面板的基本输出特性(伏安特性、转换效率、填充因子、功率等)有较大的影响。并分析了各种参数随着灰尘密度的变化趋势，最终给出了合理的清除灰尘的范围。

光伏面板；积灰密度；输出特性

目前，人类社会面临着严重的环境恶化和能源短缺问题。随着地球上化石燃料的不断耗尽以及环境污染的日益加重，迫使人们不得不寻找新的可再生能源。而太阳能(白宇冰等，2016；Jeon et al., 2015)具备无污染、资源分布广、使用寿命长、安全可靠和维护轻易等一系列优点，可以说是一种真正意义上的绿色环保能源，是各国能源发展的重点。在光伏面板发电系统研究中，除面板材料及转换效率、填充因子等主要技术参数之外，由于光伏面板长期暴露在外界环境中，面板的积灰及其影响也是一个不可忽略的问题(Alonso-Garcia et al., 2006, Skoplaki et al., 2014)。由于聚集在光伏面板处的灰尘对太阳辐射具有反射、散射和吸收等作用，导致接收到的太阳能辐射量大大的减少，最终使太阳能光伏面板的工作效率降低。另外，由于聚集在面板上的灰尘致使面板的遮挡，导致面板的散热效果也变的较差，加剧降低太阳能面板的转换效率。所以，研究积灰对太阳能光伏面板的影响就变的很有必要。

近年来，国内外的学者对光伏面板积灰问题进行了详细的研究。其中英国拉夫堡大学的 Qasem等人(Qasem et al., 2011.)研究了积灰量与电池板玻璃盖板光谱透射率之间的关系，结果表明各个波长光子的透过率随着积灰量的增多而减小；Kaldellis等(2011)做了红壤、石灰石和灰烬三种类型的灰尘在电池板上积累对其发电效率的影响的实验，结果显示红壤对光伏发电影响最大，石灰石次之，灰烬影响最小。张风等(2013)研究表明，灰尘在光伏面板板表面沉积，首先会影响表面的透光率，其次会改变部分光线的入射角，使得光线在光伏组件中传播的不均匀;居发礼等(2011)建立了光伏板表面积灰“三情景”模型，并提炼出了光伏板表面积灰的统一表达式;陈芳菊等(2011)研究了暴露在自然环境下1至3个月的光伏面板,发现沉积的灰尘使得透过率降低了1.3%～4.0%。

国内外现有的研究主要集中在对灰尘的影响因素、灰尘机理和面板除尘清洁等方面(张利等,2009)，但是对于灰尘影响光伏面板的基本输出参数的研究较少。本文通过实验，利用计算机仿真计算(吕波等，2013；吕波，2010)，较为全面地研究归纳出灰尘对光伏面板组件基本参数的影响。希望实验结果对今后研究光伏面板积灰问题起到一定的借鉴作用。

1 实验原理

1.1 太阳能光伏电池模型

光伏电池的基本原理是光电效应。光照射到面板材料上，光子转换成电子，其基本的等效电路图图1所示。

图1 光伏电池等效电路Fig.1 The equivalent circuit of solar module

其中，Ish为光生电流；Id为二极管结电流；Cj为结电容；Rsh为并联电阻(阻值较大，数量级为103Ω)；Rs为串联电阻(阻值较小，小于1Ω)。

一般来说串联电阻Rs的阻值较小可以将其忽略，则太阳能电池的伏安输出可以表示为(邓玲娜等，2014)

I=Ish-Id=Ish-I0[exp(qUD/nkBT)-1]

(1)

式中，UD为结电压；I为输出电流；I0为二极管的反相饱和电流；n为理想系数，q为电子电荷；kB为波尔兹曼常数；T为温度。由上式分别可得，该系统的短路电流Isc和开路电压Uoc表达式：

Ish=Isc

(2)

Uoc=NKBT/qln(Isc/i0+1)

(3)

即短路为光生电流，与接收到的光强成正比。

当光伏面板搭载负载的时候，对应不同的输出功率，从理论上可得该系统的最大输出功率Pmax为：

Pmax=Im×Um

(4)

Um和Im分别为最佳工作电压和最佳工作电流。

另外衡量光伏面板的工作效率，一个重要的指标就是填充因子FF为：

(5)

填充因子FF代表太阳能电池在带最佳负载时，输出的最大功率的特性。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度等，同时也会受到积灰等对其产生的影响。

转换效率，是表征该系统将所吸收的太阳能转成电能的效率。它与电池的结构、材料性质、工作温度和环境变化等有关。Pin表示入射光的功率：

(6)

光伏面板的输出特性参数主要由：开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成，这些参量都是衡量光伏面板性能好坏的标志。当光伏面板表面有积灰时，光伏面板的输出指标将会有变化，从而导致其输出性能降低，并且表面积灰密度越大，其输出性能下降越大。

1.2 实验装置

本实验所用装置如图2所示：该装置主要由单板面积为36cm2的太阳能光伏板、白炽灯和一台THQTN-1型光伏面板特性测试实验仪构成。白炽灯模拟太阳光源，变阻箱用于改变光伏面板的负载。

图2 光伏面板组件的实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device for solar module

2 实验数据和分析

2.1 无灰情况下的光伏面板输出特性的测定

为了进行对比试验，先测量光伏面板无灰情况下的输出特性。将光伏面板放置于一暗室内，调整好光源距太阳能电池板的距离，固定并测得入射光强为1.14cd、太阳能电池板的光照面积S为72cm2。通过调节变阻箱电阻，得到不同分压下对应的电流，分别测出Uoc，Isc和不同阻值下的U，I(表1)。

表1 光伏面板组件的输出特性测量值

将该伏安特性曲线作图，如图3所示：

图3 光伏面板组件的 U-I拟合曲线Fig.3 U-I curve of the solar modules

从图3可以看出，实验结果与理论分析比较符合，其电压和电流之间呈非线性的变化关系，且存在一个最优的输出功率。

2.2 积灰情况下的组件的输出特性

为了进一步研究在积灰情况下，测量不同灰尘密度下光伏面板组件的输出特性，并结合上式(4)、(5)、(6)，采用Origin8.0软件对实验所测数据进行了相应的计算(表2)。为使测量值更接近真实值，实验时所用的模拟灰尘为自然积灰，用天平称取一定量积灰，每一份为0.05 g，均匀覆盖在光伏面板上。为了保证实验数据的可比性,以及与外界真实环境相同,试验时均在常温(24～26 ℃)下进行。在分撒灰尘的时候，尽量保证灰尘的均匀分布，使电池板各处均有灰尘沉积，实验采取逐次递加灰尘的方法。为了标记灰尘密度的单位，定义为克每平方毫米，记为σ。分别测出在不同灰尘密度下，光伏面板的输出特性U，I，Uoc，Isc，FF等值。

表2 不同灰尘密度下光伏面板组件输出特性测量值

2.2.1 灰尘对输出电压、电流及功率的影响

在一定灰尘密度覆盖下，改变光伏面板的负载，逐渐递加灰尘密度，得到不同灰尘密度下的U，I输出特性。利用Origin 8.0软件得到不同质量灰尘下光伏面板的伏安特性曲线，如图4所示。

图4 不同灰尘密度下光伏面板组件的U-I，U-P，ρ-Uoc，ρ-Isc曲线Fig.4 The U-I，U-P，ρ-Uoc，ρ-Isc curve under different density of dust with the solar modulesA.U-I曲线；B.U-P曲线；C.ρ-Uoc曲线；D.为ρ-Isc曲线

由图4的曲线看出灰尘对光伏电池输出影响较大。图4(A)表示积灰情况下组件的伏安特性曲线，当加入总量为0.05 g(σ=0.069 4 g/mm2)的灰尘时，输出电压和电流都急剧下降，说明表面有积灰的组件较之清洁的组件输出电流和电压的差异是相当大的。当光伏面板表面积灰总量达到0.35 g(σ=0.486 1 g/mm2)时，其U-I曲线接近重合，即灰尘对光伏面板的电压和电流的影响已经达到最大。但是，由图中也可以看出，灰尘对其输出的形态没有影响。

图4(B)表示光伏电池的输出功率随灰尘密度的变化情况。可以看出光伏面板的表面一旦有了少量的灰尘，其输出功率就会显著下降。随着灰尘密度的增加，导致输出功率以及最大输出功率逐渐减小。由4(B)可以看出灰尘密度从0.2 g/mm2变化到0.3 g/mm2时，其曲线下降较为明显，而后下降幅度明显减小。当电池表面积灰达到一定值(约0.35 g/mm2)时，其输出功率基本不发生变化，此时灰尘对光伏面板输出功率的影响达到极限。同时也可看出，P的最高点随着灰尘质量的增加逐渐向左移动，即光伏面板的最大输出功率所对应的输出电压值Um和Im逐渐减小。通过计算可得当灰尘量在均匀增加时，其所对应的最大输出功率变化有所区别，组件表面积灰在0.2～0.35 g/mm2之间，最大输出功率下降了31.7%，其所对应的最大输出功率下降最快，即图中曲线斜率最大。所以在光伏面板积灰的初期，对其输出功率影响较大。

图4(C)和图4(D)分别展示了积灰密度σ与Uoc和Isc的关系。从图中可以看出，灰尘对光伏面板的Uoc和Isc都有很大影响。当初始的灰尘密度为0.069 4 g/mm2时，其短路电流Isc下降了25.4%，开路电压Uoc下降了8.8%；当灰尘密度从0.2 g/mm2变化到0.35 g/mm2时，其短路电流Isc下降了21.9%，开路电压Uoc下降了7.2%；当灰尘密度从0.07 g/mm2变化到0.55 g/mm2时，其短路电流Isc下降了46.2%，开路电压Uoc下降了15.1%。由此可见，灰尘对其短路电流影响较大，对开路电压影响较小。且灰尘密度在0.2 ～0.35 g/mm2范围内对Isc和Uoc影响较为显著，在此范围内曲线下降速率最快。随着灰尘密度的增加，光伏面板的短路电流下降的速度要比开路电压下降的速度快得多。主要原因在于灰尘的覆盖导致光伏面板的散热效果减弱，从而大大的影响了输出效率。

2.2.2 灰尘对转换效率和填充因子的影响

转换效率η和填充因子FF是衡量光伏面板性能优劣有两个非常重要的参数，其值越大则组件能输出的功率越高，性能越好。从图5(A)可得，当组件表面覆盖积灰很少量0.05 g(σ=0.069 4 g/mm2)时，其转换效率下降极为明显,转换效率下降了33.5%，由此可知积灰对光伏面板的影响很大。随着表面积灰逐渐增加时，转换效率逐渐下降，当灰尘增加到一定量(σ=0.4 g/mm2)时，转化效率将不再发生改变。

图5 光伏面板组件的ρ-η、ρ-FF曲线图Fig.5 ρ-η、ρ-FF curve of the solar modulesA.ρ-η曲线;B.ρ-FF 曲线

由图5(B)可得出不同灰尘密度下对填充因子的影响。当光伏面板组件表面覆盖有微量的灰尘0.05 g(σ=0.069 4 g/mm2)时，填充因子下降了2.1%。随着灰尘质量的不断增加，填充因子变化减小。灰尘密度从0.15 g/mm2增加到0.35 g/mm2时填充因子下降最快，此阶段曲线的斜率在整个变化过程中最大。随着灰尘密度的增加，当灰尘质量达到0.35 g/mm2时，FF的值将逐渐稳定为固定常数，即灰尘对填充因子的影响达到最大。

综合以上数据，可以看出在积灰情况下，太阳能面板的短路电流、断路电压、填充因子都会受到很大的影响。由于光照片条件的改变会导致太阳能电池的伏安输出特性受到影响,所以最重要的参考参数就是填充因子和转化效率,在考虑太阳能面板积灰问题时应着重考虑。通过分析可得积灰密度在0.2～0.35 g/mm2范围内，其对各种输出值影响较大。由于无法避免灰尘的影响，通过综合考虑，在灰尘质量为0.2～0.35 g/mm2区间时(此时光伏面板的工作效率受灰尘影响最大)，在条件允许的情况下应该及时清理灰尘。

3 结论

本研究通过搭建合理的实验平台，模拟自然状态下的光伏面板积灰情况。利用Origin8.0等软件进行处理和分析数据，研究了不同灰尘密度对光伏面板输出性能的影响。通过大量的实验和分析，得到以下结论：

(1)由拟合图像知，灰尘对光伏组件U-I，U-P曲线形态无影响。当光伏面板表面积灰达到一定值时，ρ-Uoc，ρ-Isc，ρ-η，ρ-FF曲线形态固定，即此时继续积灰，对光伏面板的输出影响达到最大。

(2)灰尘对光伏组件的输出影响较大，由于无法避免灰尘的影响，所以力求通过实验数据找出清理灰尘的最佳时机。通过综合分析，积灰在0.2～0.35 g/mm2之间时，此时光伏面板的各项输出受灰尘影响最大，因此需要特别注意在这个范围内灰尘对光伏发电的影响。

对积灰情况下光伏面板组件输出特性的研究，不仅在日常生活中能够得到广泛的应用，而且在航空、军事等光伏发电领域的应用方面也具有一定的参考意义，更是为何时清灰才能节约成本提供了理论实验依据。对光伏系统的合理设计，以及清理积灰的合理范围给出了一定的指导作用。

白宇冰，王秋莹，吕瑞涛，等.2016. 钙钛矿太阳能电池研究进展 [J].科学通报，61(4):489-500.

陈菊芳，沈辉，李军勇，等. 2011. 广州地区空气洁净度对光伏电站的影响 [J].太阳能学报, 32(4)：481-484.

邓玲娜，章世晅. 2014. 大学物理实验 [M].成都：西南交通大学出版社：136-139.

居发礼. 2011. 积灰对光伏发电工程的影响研究 [D]. 重庆：重庆大学.

吕波，饶黄云. 2013. 大学物理实验教学中融入数值计算与模拟技术的研究 [J].东华理工大学:社会科学版, 32(1):74-77.

吕波. 2010.基于Matlab的光学衍射仿真 [J].东华理工大学:自然科学版, 33(4):363-368.

张风，白建波，郝玉哲，等. 2013. 光伏组件表面积灰对发电性能的影响 [J].华东电力, 41(2)：364-366.

张利，钟云，张建成. 2009. 考虑阴影影响的光伏电池组件实验研究 [J], 太阳能. (5):27-28.

Alonso-Garcia M C, Ruiz J M. 2006. Experimental study of mismatch and shading effects in the I-V characteristic of a photovoltaic module [J]. Solar Energy Materials & Solar cells, 90:329-340.

Jeon N J，Noh J H，Yang W S，et al. 2015. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells [J].Nature, 517:476-480.

Kaldellis J K, Kapsali M. 2011. Simulating the dust effect on the energy performance of photovoltaic generators based on experimental measurements [J]. Energy, 36(8): 5154-5161.

Qasem H， Betts T R. Müllejans H, et al.2011. Effect Of Dust Shading On Photovoltaic Modules [C]. 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (26th EU PVSEC), Hamburg, Germany.

Skoplaki E, Palyvos J A. 2014. Operating temperature of photovoltaic modules:A survery of pertinent correlation [J]. Renewable Energy, 34:23-29.

Theoretical Research on Output Characteristics of Fouled Solar Module

LI Yang, ZHU Ru-xian, WANG Ai-xing, CHEN Qi-man, LI Yan-fang

(School of Science, East China University of Technology, Nanchang,JX 330013, China)

The condition of fouled solar module is simulated under the natural state in the laboratory, and the VA(Voltage and Ampere) output characteristics of solar modules is studied under different densities of dust. According to the analysis of experiment dates, the density of dust has an on obvious infect on output characteristics (volt-ampere characteristic, conversion efficiency, fill factor, power, etc.) The trend of different parameters with the change of dust density is analyzed, and the reasonable range of removing dust is given.

solar module; density of dust; output characteristics

2016-09-03

国家自然科学基金理论物理专款(11547116)；江西省教育厅青年科学基金(GJJ14499，GJJ14500)；江西省教育厅教学改革研究(JXJG-15-6-3)；东华理工大学博士启动基金(DHBK2013205);江西省大学生创新创业训练计划资助项目(201410405007，201510405012)；东华理工校级教改课题(2014)

李 洋(1984—)，男，博士研究生，主要从事光信息处理、光机电一体化、大学物理实验等方面的研究。E-mail:liyang@ecit.cn 通讯作者：李艳芳(1984—)，主要从事大学物理、大学物理实验等方面的研究。E-mail:scu_lyf@ecit.cn

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.04.014

P0472.3

A

1674-3504(2016)04-0390-06

李洋，朱如仙，王爱星,等. 积灰对光伏面板基本输出特性的影响研究2016[J].东华理工大学学报：自然科学版，39(4)：390-395.

Li Yang, Zhu Ru-xian, Wang Ai-xing，et al.2016. Theoretical research on output characteristics of fouled solar module[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(4)： 390-395.