光伏板自加热除雪性能研究

2020-07-16丰敏

节能技术 2020年1期

丰敏

(上海电气风电集团股份有限公司，上海 200241)

0 引言

在光伏发电发展中，光伏板上积雪的清除已成为当今研究关注的焦点。若不能及时清除光伏板上的积雪，将会降低发电效率、影响组件寿命、成为安全隐患[1-2]。尽管目前已存在一些清除光伏板积雪的手段，如人工除雪[3]、机械除雪[4-7]、纳米自清洁涂层[8-10]等，但各自均有一定的弊端：人工除雪易损坏光伏组件，机械除雪装置复杂、操作不便，纳米自清洁涂层成本高。这些弊端限制了上述除雪技术的广泛应用。

为此，本文提出了一种新型的除雪手段——光伏板自加热除雪技术。此技术将光伏板作为负载，在电池板正负两极施加正向电压。利用光伏电池的结构原理[11-12]及内部p-n结的特性，光伏组件内部产生热量，温度升高，紧贴光伏板表面的积雪融化。受热融化的雪水相当于“润滑剂”，由于光伏板一般为倾斜放置，其上面的积雪层在底部雪水的润滑作用下滑落而下，从而顺利除雪。

通过建立并研究光伏板自加热除雪理论模型、查阅相关文献[13-17]、结合前期预实验，归纳出影响光伏板除雪性能的因素主要有：积雪厚度、雪密度、环境温度、加热功率、光伏板倾斜角度。在本文实验条件下，所用积雪为同一批次，密度一定，均为420 kg/m3左右。因此，本文实验中主要研究积雪厚度、环境温度、加热功率和光伏板倾斜角度对除雪性能的影响。

1 实验设计

1.1 实验系统准备

本实验系统主要由四个部分组成：直流稳压电源、光伏板、温度采集系统以及焓差实验室，如图1所示。

图1 实验系统图

直流稳压电源(AN50501S，输出电压0～60 V，输出电流0～50 A，输出功率0～3 000 W)为系统的供电装置，使电流正向流经组件内部p-n结。

光伏板(CSUN245-60P，额定功率245 W)相当于一个负载，当直流稳压电源在其正负两极施加正电压时，在其内部的p-n结作用下，产生单向导通电流，继而发热，以融化积雪。

温度采集系统(包括T型热电偶线和Agilent34970A型数据采集仪)对通电后的光伏板正面及背面温度分别进行采集。如图2，在光伏板的正面及背面分别均匀地布置5个温度测点并进行编号(正面测点的编号为①～⑤，背面测点的编号为⑥～⑩)。且正面测点与背面测点一一对应：①对应⑥，②对应⑦……依此类推，取十根已标定好的热电偶线，分别将一端固定在测点上，另一端连接安捷伦数据采集仪，实时监测温度变化。

焓差实验室可进行温湿度的调节来模拟外界露天环境。

图2 温度测点分布示意图

1.2 实验工况设置

本实验分别对影响光伏板上积雪融化滑落的四个主要因素——积雪厚度、光伏板倾角、环境温度和加热功率进行探究。每个影响因素设置5个实验工况，见表1。

Jordan[18]和Hockersmith[19]等人研究发现，雪在融化过程中存在“平衡高度”，经实验测定约为3 cm。若积雪厚度小于“平衡高度”，雪层底部融化而成的雪水立马结成冰，将整个雪层牢牢地冻结在光伏板上，在此情况下无论再怎么延长加热时间或增大光伏板倾角，均无法使雪层滑落。因此本实验中积雪厚度均大于“平衡高度”，即大于3 cm。

表1 实验工况列表

工况编号积雪厚度h/cm环境温度t/℃加热功率q/W·m-2光伏板倾角θ/°142536-6.02301847586-3.07-4.586-6.0230189-7.510-9.01117012200136-6.023018142601529016141715186-6.02301619172018

对光伏板上的积雪进行受力分析后发现，若光伏板倾斜角度过小：一方面，雪层沿光伏板平行方向的分力(相当于有助于积雪下滑的拉力)过小；另一方面，沿光伏板垂直方向的压力(此压力与积雪和光伏板之间的摩擦力成正比)过大。由此造成积雪不易滑落。因此必然存在一个“最小倾角”，只有当光伏板倾斜角度大于此值时，积雪层才能从光伏板上滑落。通过前期预实验，得出本文试验条件下的“最小倾角”为13°。因此本实验中光伏板倾角均在13°以上。

2 实验数据处理与分析

根据表1设计的实验工况进行实验。经检测，实验中的雪密度约为420 kg/m3。图3、图4和图5分别为不同积雪厚度、不同环境温度和不同加热功率下的光伏板正面(即积雪底部)温度变化曲线。

图3 不同积雪厚度下的光伏板正面温度曲线

图4 不同环境温度下的光伏板正面温度曲线

图5 不同加热功率下的光伏板正面温度曲线

观察图3～图5中温度变化曲线可以看出：随着加热的进行，光伏板正面温度上升到0℃以上的某个值时会停止上升的步伐，转而下降，形成“突变点”，此突变点成为温度曲线上的“坡峰”。到达“坡峰”前，光伏板正面的温度上升较快；到达“坡峰”后，温度上升速度骤减为零，温度发生小幅度地下降，此后温度基本保持稳定。

结合传热学原理分析“坡峰”产生的原因为：在光伏板通电加热前期，光伏板正面温度较低，低于雪的熔点，与之接触的积雪尚未发生融化，此时光伏板积雪的传热过程主要是干雪内部的导热过程，为显热传递，故而温度上升较快；当光伏板正面温度上升到0℃以上时，积雪开始融化，由于相变过程需要吸收大量的潜热，显热传递转化为潜热传递，故而光伏板表面温度发生小幅度骤降，由此形成一个小小的“坡峰”；到达“坡峰”后，光伏板加热量几乎全部转化为积雪融化所需的潜热，温度基本不变。因此，光伏板正面温度曲线上的“坡峰”相当于整个融雪过程中的“分水岭”，板上积雪是相变前后的分界点——“坡峰”前积雪尚未发生相变，此阶段即为“待融阶段”，定义其所经历的时间为“待融时间”；“波峰”处及之后的积雪开始融化，直至滑落，此阶段即为“融化阶段”，定义其所经历的时间为“融化时间”。在融化阶段中，光伏板正面温度基本恒定，定义该温度为“融化温度”。“波峰”处对应的温度定义为“波峰温度”。

图3～图5分别为不同积雪厚度、不同环境温度、不同加热功率和不同光伏板不同倾角下的除雪时间(包括“待融时间”和“融化时间”)。

分析图3～图5，可得出以下结论：

(1)积雪厚度对光伏板融雪除雪性能的影响：当加热功率为230 W、雪密度为420 kg/m3、环境温度为-6℃、光伏板倾角为18°时，积雪厚度每增大1 cm，则待融阶段中光伏板正面温度提升速率平均增大约0.05℃/min， “坡峰温度”平均降低约0.10℃，融化温度平均降低约0.10℃；待融时间平均缩短约2.1 min，融化时间缩短约4.4 min，除雪总时间缩短约6.5 min。

(2)环境温度对光伏板融雪除雪性能的影响：当积雪厚度为6 cm、积雪密度为420 kg/m3、加热功率为230 W/m2、光伏板倾角为18°时，环境温度每升高1℃，则待融阶段中光伏板正面温度提升速率增大约0.12℃/min， “坡峰温度”升高约0.09℃，融化温度升高约0.07℃；待融时间缩短约6.0 min，融化时间缩短约10.7 min，除雪总时间缩短约16.7 min。

(3)加热功率对光伏板融雪除雪性能的影响：当雪厚度为6 cm、积雪密度为420 kg/m3、环境温度为-6℃、光伏板倾角为18°时，加热功率每增大10 W，则待融阶段中光伏板正面温度提升速率增大约0.04℃/min， “坡峰温度”升高约0.09℃，融化温度升高约0.06℃，待融时间缩短约4.2 min，融化时间缩短约4.2 min，除雪总时间缩短越8.4 min。

(4)光伏板倾角对光伏板除雪性能的影响：当积雪厚度为6 cm、积雪密度为420 kg/m3、加热功率为230 W/m2、环境温度为-6℃时，光伏板每增加1°的倾斜角度，除雪时间可缩短约4.7 min。

表2 不同积雪厚度下的“待融时间”和“融化时间”