沙塵對光伏組件表面沖蝕行為影響實驗研究

趙明智，王 帥，孫 浩，張 丹

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

我國西北地區(qū)的太陽能資源比較豐富，非常有利于太陽能資源的大規(guī)模開發(fā)、利用，因此，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國西北地區(qū)發(fā)展迅速[1]。但是，該地區(qū)的風(fēng)沙天氣較多，風(fēng)沙在光伏組件表面的沉降、沖蝕會對光伏組件的發(fā)電效率造成嚴(yán)重影響[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對固體顆粒沖蝕情況的研究取得了不少成果。杜曉虎[3]在不同風(fēng)力等級和沖蝕角下，對不同強度等級的渠道混凝土試件進行了沖蝕磨損試驗，試驗結(jié)果表明：該混凝土的沖蝕磨損率會隨著風(fēng)力等級的增大而增大；當(dāng)沖蝕角增大時，該混凝土的沖蝕率也會增大；該混凝土的沖蝕率隨著沙粒含量的增加呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。段志強[4]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒以較大的角度和速率多次撞擊葉片壓力面時，會導(dǎo)致葉片壓力面的部分區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重磨損。曹輝祥[5]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果明確了氣固兩相流管道受沖蝕最嚴(yán)重的部位，還分析了氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨氣體流量、固體量和壓力的變化規(guī)律，分析結(jié)果表明：沖蝕最嚴(yán)重部位為閥后彎管處，隨著氣體流量逐漸增大，最大沖蝕速率逐漸增大，顆粒沉積密度逐漸減小；隨著壓力逐漸升高，最大沖蝕速率逐漸減小，顆粒沉積密度逐漸增大；隨著固體量逐漸增大，最大沖蝕速率逐漸增大，顆粒沉積密度逐漸增大。趙明智[6]利用離散相模型（DPM）分析了風(fēng)沙氣固兩相流中的沙粒對光伏組件表面的沖蝕磨損，分析結(jié)果表明： 光伏組件表面的沖蝕率隨著風(fēng)速的變化呈指數(shù)的變化趨勢；光伏組件表面的沖蝕率隨著安裝傾角的變化而發(fā)生明顯的變化。綜上可知，風(fēng)速和安裝傾角是影響光伏組件表面沖蝕率的兩個重要因素?？禃圆╗7]分析了風(fēng)向角、來流風(fēng)速和光伏組件安裝傾角對光伏組件表面沙塵沖蝕率分布情況的影響，研究結(jié)果表明：隨著風(fēng)速逐漸增大，最大沖蝕率逐漸增大；隨著光伏組件安裝傾角逐漸增大，光伏組件表面的最大沖蝕率逐漸減??；隨著風(fēng)向角逐漸增大，光伏組件表面的沖蝕率呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，并且當(dāng)風(fēng)向角為75°時，達到最大值。

目前，關(guān)于固體顆粒對物體表面沖蝕情況的研究較多，但是，關(guān)于固體顆粒沖蝕對光伏組件發(fā)電效率影響的研究較少。因此，本文根據(jù)沖蝕實驗裝置模擬沙漠環(huán)境中的風(fēng)沙吹蝕情況，采用氣流挾沙噴射法，研究不同條件下風(fēng)沙沖蝕對光伏組件發(fā)電效率的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗用沙取自內(nèi)蒙古庫布奇沙漠中某光伏電站的附近區(qū)域。通過篩分法對所取的沙塵樣本進行粒徑分析?；跍y量結(jié)果可知：實驗用沙中粒徑小于0.05 mm 的沙粒的體積含量小于0.2%；粒徑大于0.3 mm 的沙粒的體積含量小于0.23%；粒徑為0.05～0.3 mm 的沙粒的體積含量為99.57%。由此可知，實驗用沙的粒徑大體上為0.05～0.3 mm。此外，實驗用沙的硬度為6.75 GPa，密度為2.7 g/cm3。

實驗所用的鋼化玻璃為太陽能光伏組件常用的鋼化絨面玻璃，彈性模量為74 GPa，硬度為6.4 GPa，密度為 2.5 g/cm3，幾何尺寸為 60 mm×80 mm×3 mm。

實驗所用的太陽能光伏滴膠板的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 光伏組件參數(shù)Table 1 The PV component parameters

1.2 實驗方法及設(shè)備

本文所用的實驗系統(tǒng)為沙漠風(fēng)沙沖蝕模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the experimental system

由圖1 可知，本文的實驗系統(tǒng)由空氣壓縮機、氣流控制閥、沙箱、噴沙槍、沖蝕室和回收箱等設(shè)備組成。

實驗步驟：首先，利用空氣壓縮機提供高壓氣流，并由氣流控制閥控制高壓氣流的沖蝕速度；然后，來自沙箱的沙流在噴灑槍內(nèi)與高壓氣流混合，而后送入到?jīng)_蝕室內(nèi)對實驗試件進行沖蝕；最后，沖蝕完畢的沙粒流入回收箱，該回收箱所收集到的沙?？梢赃M行重復(fù)使用。

沖蝕對比實驗的流程：實驗前、后，利用精密電子天平稱量鋼化玻璃（試件）的質(zhì)量，然后利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋼化玻璃表面的沖蝕形貌，并進行分析。最后將組合光伏組件放置在光照條件下，利用Fluke Norma 5000 功率分析儀和PROVA 200 A 太陽能電池分析儀分別記錄有、無沖蝕情況下光伏組件各項參數(shù)的變化情況。

本文著重分析當(dāng)沙粒的沖蝕速度分別為25，30 m/s（分別記為 V1，V2。V1，V2分別為極端沙塵天氣條件下的最大、極大風(fēng)速），沖蝕角分別為 15，30，45，60，75，90 °時，沙粒的沖蝕對光伏組件各項參數(shù)的影響。由于實驗過程中所選取的沙粒粒徑較小，并且風(fēng)沙對鋼化玻璃的沖蝕是一個長期的過程，因此本次實驗的沖蝕時間設(shè)定為3 min[8]。

1.3 沖蝕結(jié)果評價

沖蝕損傷程度可以用相對沖蝕率E 進行表述。E 的表達式為[9]

式中：m1為沖蝕前鋼化玻璃的質(zhì)量，mg；m2為沖蝕后鋼化玻璃的質(zhì)量，mg；Δm 為沖蝕前、后鋼化玻璃的質(zhì)量差，mg；m 為沙粒的流量，g/min；t 為沖蝕時間，min。

1.4 光伏組件發(fā)電效率評價

光伏組件輸出功率降低率n 的表達式為

式中：P 為沖蝕前光伏組件的輸出功率，W；P1為沖蝕后光伏組件的輸出功率，W。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 鋼化玻璃的相對沖蝕率與沖蝕角的關(guān)系

圖2 為不同沖蝕速度條件下，鋼化玻璃的相對沖蝕率E 隨沖蝕角α 的變化情況。

由圖2 可知，當(dāng)沖蝕速度分別為25，30 m/s時，鋼化玻璃的相對沖蝕率均隨著沖蝕角的增大而增大，并且當(dāng)沖蝕角為90°時，鋼化玻璃的相對沖蝕率達到最大值，分別為0.018，0.09 mg/g。這是由于鋼化玻璃為脆性材料，其相對沖蝕率會與sin2α 成正比，并且最大相對沖蝕率會出現(xiàn)在沖蝕角為 90°的條件下[10]。

圖2 不同沖蝕速度條件下，鋼化玻璃的相對沖蝕率隨沖蝕角的變化情況Fig.2 Change of relative erosion rate of tempered glass with erosion angle under different erosion speed conditions

由圖2 還可看出，不同沖蝕速度條件下，當(dāng)沖蝕角較小時，鋼化玻璃的相對沖蝕率均較小，并且均隨著沖蝕角的逐漸增大而增大。這是由于鋼化玻璃具有較高的硬度和彈性模量[11]，當(dāng)沖蝕角較小時，鋼化玻璃的質(zhì)量損失主要由沙粒的微切削作用引起的，在此沖蝕過程中，鋼化玻璃表面上沙粒的法向速度較小，使得沙粒的動能較小，沖擊能量也較小，該鋼化玻璃表面法線方向上沙粒的動能還不足以對其造成較大的破壞。隨著沖蝕角逐漸增大，鋼化玻璃表面上沙粒的法向速度逐漸增大，沙粒的動能也隨之增大，使得沙粒與鋼化玻璃表面的接觸面積逐漸增大，從而造成鋼化玻璃被沖擊部位的橫向和徑向裂紋越來越多，隨著沖蝕時間和沖蝕次數(shù)的逐漸增加，鋼化玻璃表面材料大量流失，其相對沖蝕率也越來越大。

2.2 沖蝕損傷機理分析

沖蝕損傷一般有兩種類型： 低角度微切削作用與高角度彈性塑性變形所引起的沖蝕損傷；低角度微切削作用與高角度疲勞裂紋的擴展交叉所引起的沖蝕損傷[7]。因此，在沖蝕實驗中，沖蝕角的變化對沖蝕損傷實驗具有關(guān)鍵作用。

圖3 為當(dāng)沖蝕速度為30 m/s 時，不同沖蝕角條件下的鋼化玻璃SEM 形貌圖。

圖3 當(dāng)沖蝕速度為30 m/s 時，不同沖蝕角條件下的鋼化玻璃SEM 形貌圖Fig.3 SEM morphology of tempered glass at different erosion angles at an erosion velocity of 30 m/s

由圖3（a）可知，當(dāng)沖蝕角為 30 °時，鋼化玻璃的表面存在犁削和劃痕。其中，劃痕分布得較為均勻且長度不一。此外，還有一些大小不一的凹坑，凹坑周圍的部分玻璃材料受力后被擠出表面，并伴有微裂紋的產(chǎn)生，這是由于鋼化玻璃在低角度沖蝕條件下的損傷主要為微切削作用下的質(zhì)量損失。由圖3（b），（c）可知，當(dāng)沖蝕角為 90 °時，鋼化玻璃的表面存在脆性斷裂凹坑，并且在凹坑周圍存在數(shù)量較多的顆粒狀材料，極少數(shù)的區(qū)域還會出現(xiàn)切削薄片。這是由于當(dāng)沖蝕角為90°時，鋼化玻璃表面上沙粒的法向速度達到最大值，使得這些沙粒的動能也達到了最大值，沖蝕過程中產(chǎn)生的劃痕、裂紋的長度和深度均增大，裂紋疊加的損傷程度也達到最大，此時由于鋼化玻璃受力不均且自身受力區(qū)域的應(yīng)力又太集中，從而產(chǎn)生明顯的脆性斷裂，并生成大量顆粒狀材料和少量碎片狀材料，最終造成鋼化玻璃質(zhì)量損失。綜上可知，當(dāng)沖蝕角較小時，鋼化玻璃的質(zhì)量損失主要是由微切削作用導(dǎo)致的；隨著沖蝕角逐漸增大，鋼化玻璃的質(zhì)量損失逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛汕邢骱土鸭y疊加共同導(dǎo)致的；當(dāng)沖蝕角達到90°時，鋼化玻璃的質(zhì)量損失主要由裂紋疊加導(dǎo)致的。

2.3 沖蝕行為對太陽能光伏組件輸出特性的影響

當(dāng)太陽輻照度F 一定時，不同沖蝕速度條件下，光伏組件的輸出功率隨沖蝕角的變化情況如圖4 所示。

圖4 當(dāng)太陽輻照度一定時，不同沖蝕速度條件下，光伏組件的輸出功率隨沖蝕角的變化情況Fig.4 When the solar irradiance is constant，the change of the output power of photovoltaic modules with the erosion angle under different erosion speed conditions

由圖4 可知，實驗過程中太陽輻射強度F 大體上保持穩(wěn)定。不同沖蝕速度條件下，隨著沖蝕角α 逐漸增大，光伏組件的輸出功率P 均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。這是由于當(dāng)沖蝕角較小時，鋼化玻璃表面的沖蝕輪廓主要呈現(xiàn)出兩邊開口的橢圓形狀，沖蝕面積較大，在此沖蝕過程中，沙粒對鋼化玻璃的沖蝕程度較低，但鋼化玻璃的透光率有所降低，造成光伏組件的輸出功率隨之減小。隨著沖蝕角逐漸增大，鋼化玻璃表面的沖蝕輪廓逐漸由兩邊開口的橢圓形狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^完整的橢圓形狀，沖蝕面積逐漸減小。當(dāng)沖蝕角由15°逐漸增大至45°時，光伏組件輸出功率逐漸增大；當(dāng)沖蝕角為45°時，光伏組件的輸出功率達到最大值；當(dāng)沖蝕角由45°逐漸增大至90°時，光伏組件的輸出功率逐漸減??；當(dāng)沖蝕角為90°時，光伏組件的輸出功率達到最小值，這是由于當(dāng)沖蝕角較大時（尤其是當(dāng)沖蝕角為90°時），雖然鋼化玻璃表面的沖蝕面積較小，當(dāng)沙粒沖擊鋼化玻璃表面時，會有部分沙粒出現(xiàn)無規(guī)則的反彈，然后與隨后噴出的沙粒發(fā)生碰撞，會在偏離原沖擊路徑的情況下再次沖擊鋼化玻璃表面，造成更大的沖蝕面積，并使得鋼化玻璃產(chǎn)生更為嚴(yán)重的磨損，即對鋼化玻璃造成二次沖蝕作用，最終導(dǎo)致光伏組件輸出功率較小。

通過測量發(fā)現(xiàn)，對于本文實驗所用的光伏組件，當(dāng)其未被沖蝕時，輸出功率為0.362 W。由圖4還可看出，當(dāng)沖蝕速度為25 m/s 時，與未沖蝕光伏組件的輸出功率相比，不同沖蝕角條件下，光伏組件的輸出功率分別降低了9.82%～16%，平均降低了13%。在此沖蝕速度條件下，當(dāng)沖蝕角為15°時，光伏組件的輸出功率低于沖蝕角為90°時光伏組件的輸出功率，這是因為當(dāng)沖蝕速度較低時，高沖蝕角引起的二次沖蝕對光伏組件的沖蝕作用較小，甚至可以忽略。此外，當(dāng)沖蝕速度為30 m/s時，與未沖蝕光伏組件的輸出功率相比，不同沖蝕角條件下，光伏組件的輸出功率分別降低了15.42%～24.46%，平均降低了19.39%。在此沖蝕速度條件下，當(dāng)沖蝕角為90°時，光伏組件輸出功率與未沖蝕光伏組件輸出功率之間的差值最大，為24.46%。

3 結(jié)論

①當(dāng)沖蝕速度為30 m/s 時，鋼化玻璃的沖蝕率隨著沖蝕角的增大而增大，當(dāng)沖蝕角為90°時，該沖蝕率達到最大值。此結(jié)果符合典型脆性材料的沖蝕規(guī)律。

②當(dāng)沖蝕角較低時，鋼化玻璃的質(zhì)量損失主要是由微切削作用產(chǎn)生的；隨著沖蝕角逐漸增大，鋼化玻璃的質(zhì)量損失逐漸由切削和裂紋疊加共同引起的；當(dāng)沖蝕角達到90°時，鋼化玻璃的質(zhì)量損失主要由裂紋疊加引起的。

③當(dāng)沖蝕速度分別為25，30 m/s 時，與未沖蝕光伏組件的輸出功率相比，不同沖蝕角條件下，光伏組件的輸出功率分別降低了9.82%～16%，15.42%～24.46%。當(dāng)沖蝕速度為30 m/s，沖蝕角為90°時，光伏組件輸出功率與未沖蝕光伏組件的輸出功率之間差值的最大，為24.46%。