積塵對太陽能光伏電池板表面玻璃透過率的影響分析

摘 要：灰塵是廣泛存在于大氣中的微粒，影響大氣對太陽光的折射率和透過率并進而影響空氣能見度，累積在太陽能光伏組件表面，遮擋了光線的入射，降低太陽能光伏組件表面封裝玻璃透過率，從而降低太陽能光伏組件的功率輸出。通過對光伏組件表面積塵對透過率的影響研究，可為光伏發(fā)電技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)，實驗結(jié)果可會對進一步的光伏發(fā)電研究起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：太陽能光伏；積塵；透過率

0 引 言

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

灰塵在太陽能電池板上的沉降遮擋了光線的射入，直接影響到太陽能電池玻璃透過率，透過率的大小可以通過如下理論分 析進行計算。

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

式中：為只考慮玻璃吸收時的陽光透過率;

為陽光透過玻璃的光程;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，大氣對陽光的選擇性吸收與散射，使得到達地球表面上的的太陽的輻射強度發(fā)生改變 ，這樣就會引起玻璃透過率的改變^[3]。

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

式中：為玻璃的透過率;為只考慮玻璃反射的透過率;為只考 慮玻璃吸收的透過率。

   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。

  對于非偏振的太陽光，可用式（5）計算：

當(dāng)時，;當(dāng)時，應(yīng) 取兩個偏振分量的平均透過率來計算值。

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

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

利用精密的測試儀器測量積塵對透過率的影響，將有更可靠的說服力。

2 實驗測試

2．1 實驗方案

本文驗以內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)省部共建風(fēng)能太陽能重點實驗室為實驗場地，以置于室外的普通平飯玻璃為研究對象，在有限時間的積塵條件下，對比當(dāng)?shù)靥柲芄夥l(fā)電站光伏組件的實際安裝角度與水平面，分析太陽能光伏發(fā)電站光伏組件的實際安裝角度與水平面的積塵對透過率的影響；其次是通過對比置于室外不同角度的普通平板玻璃在一定時間內(nèi)的積塵對透過率的影響，分析不同角度的積塵規(guī)律。

2．2 實驗設(shè)備

本實驗中測試透過率所采用的設(shè)備為島津UV3600紫外、可見近紅光分光光度計，詳細(xì)參數(shù)如表l所示。

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

透過率:

式中: 為入射光強度;  為透射光強。

    根據(jù)Lambert-Beer定律，入射光的強度為：

式中：吸收光強度; 透射光強度;反射光強度。

    當(dāng)一束強度為的單色光透過濃度為C、光程為L的溶液時，一部分光被溶液中的吸光物質(zhì)吸收后，透過光的強度為 ，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、單位厚度時的吸光度。

島津UV3600紫外、可見近紅光分光光度計主要特點如下：

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

    （2）高分辨率。采用高性能的雙單色器實現(xiàn)了超高的分辨率和超低的雜散光。測量范圍覆蓋紫外、可見和近紅外區(qū)域，滿足多種領(lǐng)域的測量要求。UVProbe實現(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行絕對反射率的測定，另外還有多種恒溫池架和超微量池架以及自動進樣器可供選擇，測定多種類型的樣品。

     電磁波的區(qū)分在紫外、可見、震動紅外和近紅外區(qū)域（如圖1），晶體硅太陽能電池對光譜各波段的響應(yīng)不同，相同輻射強度下，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)針對太陽能光伏電池的量子效率與光譜響應(yīng)實驗研究結(jié)果表明，量了效率較高的光譜響應(yīng)分布在200~3200nm^[6]，所以在本文的測量分析過程中主要在200~3200nm。

圖1 電磁波分布

2．3 實驗內(nèi)容

2.3.1 固定傾角與水平面的積塵對透過率影響對比

選擇兩塊相同的清潔玻璃，按照當(dāng)?shù)靥柲芄夥l(fā)電站光伏組件的實際安裝角度(41°)及水平角度(0°)分別置于室外，進行自然積塵一個月后，對積塵的玻璃進行透過率測量，得出積塵前后透過率的影響情況。

2.3.2 不同傾角積塵對透過率的影響

選取四塊相同的清潔玻璃，以39°、4l°、43°、45°傾角進行固定置于室外，進行自然積塵一周后，對積塵的玻璃進行透過率測量，得出積塵前后透過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透過率的影響本實驗為了研究積塵對透過率的影響，選用的是普通平板玻璃，其透過率要低于光伏電池封裝玻璃。首先測定4l°傾角與水平傾角清潔玻璃片的透過率，如圖2、圖3所示，當(dāng)波長為522nm時，透過率達到最高值，為88.913％；經(jīng)過一個月的自然積塵后，透過率降低為87.027％和75.94％，由圖可見灰塵主要遮擋了波長為312～2424nm這一段，灰塵附著后透過率減小明顯，水平玻璃片上附著的灰塵比傾角為4l°的多，在波長482nm時阻礙最大，32.103%被阻礙。傾角4l°時，波長在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、波長為522 nm 時，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月后玻璃的透過率不超過80％ ，而水平傾角的透過率已經(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個月前后透過率對比

圖3 水平傾角積塵1個月前后透過率對比

圖4 41°傾角與水平傾角積塵1個月后透過率對比

3．2 不同傾角灰塵對透過率的影響

    測定39°、41°、43°、45°傾角清潔玻璃的透過率，固定置于室外進行自然積塵一周后，對積塵后的玻璃進行透過率的測量，得出積塵前后透過率的對比結(jié)果如圖5～圖8所示，一周的邊界條件見表2。

圖5 39°傾斜角一周對比

圖6 41°傾斜角一周對比

圖7 43°傾斜角一周對比

圖8 45°傾斜角一周對比

表2 一周的邊界條件

由測試結(jié)果可知：39°傾斜面玻璃的透過率，一周后與清潔時對比平均減小了2.819％，透過率減少最大；41°傾斜面玻璃的透過率，一周后與清潔時相比平均減小了2.662％；43°傾斜面玻璃的透過率，一周后與清潔時對比平均減小了2.284％；45°傾斜面玻璃的透過率，一周后與清潔時對比平均減小了2.234％，透過率減小最少。由上述結(jié)果分析可以知道：置于室外進行一周自然積塵的普通平板玻璃的透過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

通過紫外、可見近紅光分光光度計對玻璃上附著有灰塵后的透過率的測量，得出在內(nèi)蒙古呼和浩特市將普通平板玻璃按當(dāng)?shù)靥柲芄夥l(fā)電站光伏組件的實際安裝角度(41°)置于室外，進行自然積塵一個月后，波長在522 nm時其透過率阻礙最大，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率將減小2.819％ ，1個月積塵后阻礙透過率最大可將減小12.973％ ，45°傾斜面玻璃的透過率，一周后的透過率將減小2.234％ 。比較不同傾斜角的灰塵積累，透過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：

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本文作者：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 趙明智，張旭