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1.沙漠环境下不同季节光伏组件输出性能的研究
作者：赵明智;刘 鑫;胡小明;梅傲寒;董 江硕;段佩瑶;冯勇
作者单位：内蒙古工业大学
关键词：光伏组件;功率损耗率;温差;不同季节;相关系数;沙漠环境
摘要：沙漠环境下，测试积沙条件下光伏组件的输出功率与温度和积沙量的数值，通过运用相关系数的方 法，进而分析在不同季节时积沙、温差、功率损耗率的相互关系。结果表明秋季时的积沙量高于其他季节，夏 季的温差波动最大，冬季的功率损耗要高于其他季节。三者的相关系数在不同季节时相差较大，对组件的作 用存在着较大的差异，在秋季时的影响作用要大于其他季节，积沙与温度相关系数为－０．８６２，温度与功率损 耗率相关系数为－０．８６６，而积沙与功率损耗率相关系数达到了０．８５２。得到的相关规律对沙漠环境下光伏 电站在不同季节的清洁规划提供一定的参考。
０ 引 言
我国西北地区太阳能资源丰富，具有光伏资 源充足、日照时间长等优点，因此在西北地区建立 太阳能光伏电站可以有效利用太阳能而减少化石 能源的 消 耗［１－２，１２］。然 而，西 北 地 区 多 为 沙 漠 地 带，沙尘暴［２］等极端天气频发，沙尘对光伏组件的 输出功率可以造成不同程度的损耗。Ｐａｂｌｏ等［３］ 研究了积沙后对光伏组件的输出功率的影响，验 证了沙尘粒径、形状和化学成分对组件的损耗作 用，但缺少了沙尘覆盖后温度对组件功率损耗研 究。Ｓｗａｐｎｉｌ和 Ａｎｄｒｅｗ［４］学者研究了积尘下光 伏组件的输出效率，发现在１００ｄ的积尘条件下 功率损耗为１０％。同时，光伏组件的其他因素也 影响着其输出功率。Ｍａｎｉ和 Ｒｏｈｉｔ［５］学者发现光 伏组件的输出功率与经纬度、安装倾角等相关，并 且当因素确定后，积尘被认为严重影响光伏组件 的输出性能，但也未详细介绍积尘带来的温度影 响。Ａｈｍｅｄ等［６］在阿联酋研究了积沙与光伏组 件输出功率的关系，发现两者之间呈线性关系，灰 尘的积累是光伏组件倾角的函数，进而影响组件 的 输 出 功 率，并 且 在 ０°时 功 率 损 害 到 达 了 ３７．６３％，其他不同角度的光伏组件也有了不同程 度的损耗。Ｗａｓｉｍ 等［７］研究了光伏组件积沙对 性能的影响，得出积沙粒径随暴露时间增加而减 小，终值达到稳定，可知积沙随着组件的倾角不 同，终值具有不同的效果。学者研究了温度对光 伏组件的影响，得出光伏组件过热会降低开路电 压并进一 步 影 响 光 伏 组 件 的 输 出 性 能［８，１１］。然 而，相关文献中积沙与光伏组件输出功率的相关 系数研究较少。
温度的特性与输出功率密切相关［９］，并且积 沙会影响组件的温度分布；积沙的过程需要长时 间的积累，而风沙运动在不同季节表现出不同的 效果，因此分析三者的相关系数成为研究的重要 因素之一。
针对研究，本文提出了应用相关系数对不同 季节和不同光伏倾角组件的积沙、温差、功率损耗 率的相关关系进行研究，并且分析得出不同季节 的相关系数，进而分析得出相关规律，为实际沙漠 光伏电站在不同季节的清洁规划提供一定的参考。
１ 实验布置
１．１ 实验测试仪器
实验测试地点选在内蒙古某沙漠光伏电站内，按照光伏电站中光伏组件的摆放规律，采用等 距的方式布置了７×１２阵列的光伏组件，选用０° ～９０°等差角为１５°的７个角度进行实验，现场布 置如图１所示。
实验采用江苏图泰光伏科技有限公司生产的 １０ Ｗ 多晶硅太阳能光伏电池板，其具体参数见 表１。实验采用 Ｆｌｕｋｅ Ｎｏｒｍａ ５０００ 功率分析仪 和Ｐｔ１００温度传感器记录光伏组件的输出参数和 温差变化。
１．２ 实验测试方案
实验条件下的光伏组件均暴露在自然环境下 不外接任何设备与仪器，无人为因素的干扰，提前 三个月布置实验现场，不清理光伏组件表面积沙， 实验期间天气均为晴天。为了测试在不同季节光 伏组件性能的差异与温度的关系，每隔七或八余 天时间收集一次数据，一个自然月收集四次，并取 平均值减少误差，总期共一年，在立春，立夏，立 秋，立冬四个节点代表着此季节开始的时间，并在 此节点采集数据一次，使用此节点实验结果进行 分析。利用电子天平测出三个月在外暴露的光伏 组件与清洁光伏组件的质量差，从而得出积沙量； 利用 Ｆｌｕｋｅ Ｎｏｒｍａ ５０００功率分析仪和 Ｐｔ１００温 度传感器测试光伏组件积沙后与清洁光伏组件的 输出功率，板面温度。实验时间为２０２０年自然日 的１２：３０—１３：３０。分析沙漠环境下积沙以及板 面温度对光伏组件输出性能影响，并且通过引入 相关性函数判断变量间的相关性。为便于实验的 分析，引入两个变量，功率损耗率和温差。功率损 耗率为清洁组件与积沙组件的输出功率的差值与 清洁组件功率的比值ｎ，如式（１）所示。温差为清 洁组件与积沙组件的温度差，如式（２）所示。
２ 实验结果分析
图２（ａ）为不同季节、不同倾角下光伏组件的 积沙量，图２（ｂ）是四个节点时的积沙量，由图２ 可知秋季时的积沙量要高于其他季节，其他季节 的积沙量均小于０．２０ｇ，秋季时的积沙量可以达 到１．２９ｇ，这主要是由于秋季时气候干燥，降水量较少，
受西北风的影响风沙较大，从而导致光伏组 件的积沙量增加，其他季节由于雨雪天气作用使 得组件表面积沙量减少。对比于不同角度的光伏 组件，可以看出秋季时光伏倾角为１５°的积沙量 最多，并且不同角度的光伏组件的积沙量具有波 动性。对于其他季节的光伏组件，积沙量随着光 伏倾角的增加表现出先增加后减少的趋势。这是 因为光伏组件的积沙在组件表面由于倾角不同， 导致受力不同，进而影响组件表面的积沙量。在 光伏倾角为１５°时，光伏组件倾角的角度较小，风 携带沙尘冲击光伏组件表面时，组件具有一部分 迎风面，气流在光伏板表面形成阻碍点，而沙粒自 身重力在组件表面的分离较小，使部分沙尘停留 在组件表面，不易滑落，组件的积沙量较大时，覆 盖面积增加，导致沙尘颗粒之间出现粘附力，从而 导致更多的沙尘黏附在组件表面［１０］。
２．１ 不同季节温度、功率的关系
内蒙古地区沙尘的主要成分是石英，石英的 导热率远低于组件表面的超白压延玻璃，且积沙 的增加导致沙尘密度增长，使得组件表面与沙粒 之间形成难以消除的温差，因此在组件表面形成 了一层热阻，导致光伏组件在积沙后，在不考虑阴 影效应的条件下，积沙影响了光伏组件对太阳能 的接收面积，同时对组件表面对流散热与辐射散 热有一定的影响，组件倾角影响接收的太阳能能 流密度，光伏组件处于自然风冷模式。测量结果 的多变性的实质就是不同环境条件下光伏组件温 度与表面接收的辐照能量决定的。而影响组件散 热的直观表现是温度的变化，吸收太阳光的有效 面积直观表现是输出功率。因此，我们选用组件 表面温度与输出功率的变化来代替热量与接受太 阳能的效率表征光伏组件的性能。分析在不同季 节时，积沙之后温度与输出功率的变化趋势，而为 了避免因季节导致温度以及功率的差异，采用温 差与功率损耗率代替温度与功率的变化。基于不 同季节的功率损耗率与温差如下分析。
图３（ａ）和（ｂ）分别为春季时不同倾角光伏组 件的温差与功率损耗率的关系。可知对于不同光 伏倾角的温差变化呈现出不同的趋势，在光伏倾 角小于３０°时，温差小于零，清洁组件的温度要小 于积 沙 后 的 光 伏 组 件。光 伏 倾 角 大 于 ４５°小 于 ７５°时，温差大于零。并且光伏倾角小于３０°时，功 率损耗率呈下降趋势，之后组件的功率损耗呈增 长趋势。可以看出温差与功率损耗率的转折角度 均为３０°，变化趋势呈现出相近的状态。并且由 图２的积沙量可知，春季时的积沙量在３０°时高于 其他倾角，同温差与功率损耗率的转折点相同，积 沙最多时输出功率的损耗率最小，光伏组件表面 积沙与输出功率呈现出强相关关系。
图４（ａ）和（ｂ）分别为夏季时不同倾角光伏组 件的温差与功率损耗率的关系。可知温差的变化 呈现出大幅度的波动，在 １５°、４５°、６０°的 温 差 为 正，其余光伏倾角的温差均为负值。功率损耗率 的变化呈现出大幅度的波动，７５°的功率损耗率达 到了２５．０５０％，并且温差的变化趋势与功率损耗 的相同，在光伏倾角为 １５°、３０°、７５°都 出 现 了 拐 点，呈现出明显的相关关系，但最大积沙量的倾角 为 ３０°，这 时 的 功 率 损 耗 率 达 到 了 最 小 值 为 ２．６００％，而温差的变化最小值为７５°的０．１１ ℃。 综上，温差与功率损耗率呈现出强烈的相关关系， 而积沙与功率损耗率相关性较弱，主要是因为沙 漠环境下夏季中午的基础温度较高，正午太阳高 度在夏至日达到一年中最大值，光伏组件的倾斜角度越小所接受的照射面积越大，而积沙一方面 遮挡了部分入射光的照射面积，另一方面又影响 了自然风对光伏组件的对流散热和光伏组件自身 的辐射散热，容易引起光伏组件的温度变化，从而 影响组件的功率输出。
图５（ａ）和（ｂ）为秋季时不同倾角光伏组件的 温差与功率损耗率的关系，可以看出仅在光伏倾 角为０°时的温差为负值，即清洁组件的温度低于 积沙的光伏组件，其他光伏倾角的温差均为正值。 对于功率损耗率而言，０°的光伏组件的功率损耗率 达到了２４．２００％，最小值为６０°时的１．７７２％，其余 角度的光 伏 组 件 功 率 损 耗 率 均 小 于 １０．０００％。 而秋季时的积沙是相对严重的，１５°时积沙高于其 他角度，由图２可知积沙变化趋势与温差的变化 相一致，而与功率损耗率的变化相反，积沙增长 时，功率损耗率下降。因此积沙与温差呈现正相 关关系，与功率损耗率呈现出负相关关系。
图６（ａ）和（ｂ）分别为冬季的光伏组件温度与 功率的变化，可知９０°的光伏组件的温差为负值， 其余光伏组件角度均为正值。功率损耗率仅有 ６０°时的功率损耗率最低，为１１．０００％，其余光伏倾角的损耗率均高于２０．０００％，在１５°时达到了３０．８００％。主要是因为冬季沙漠环境温度较为寒 冷，影响光伏组件本身的输出性能，且冬季太阳辐 射强度较小，从而导致组件功率损耗率较大；光伏 组件表面的积沙导热率较低，使得积沙与组件表 面形成的热阻减少了组件本身的散热，从而温差 较小。而由图２可知积沙量在４５°时达到最大值， 在４５度之前积沙量保持增长，之后呈下降趋势， 因此积沙与温差变化呈现出较强的相关关系，而 积沙与功率损耗率呈现相同的变化趋势，但转折 倾角不同，因此相关性较小。
２．２ 积沙、温差、功率损耗率相关性分析
根据四个季节的积沙、温差与功率损耗率可 以知道三个变量之间存在着明显的相关关系，但 是，无法直接判断出变量间相关性的大小，因此采 用相关系数函数对三个变量进行判断，研究积沙 与温差，积沙与功率损耗率，温差与功率损耗率的 相关性。其中，函数表达式如式（３）所示。
式中：Ｃｏｖ（Ｘ，Ｙ）为协方差，Ｖａｒ Ｘ 为方差［８］。
根据积差 计 算 方 法 计 算，数 据 组 采 用 ０°到 ９０°的７个数据组，从而得出其相关关系，当绝对 值越接近于０时表示越无关，结果如图７所示。
由图７可知积沙、温差、功率损耗率在不同季 节的相关性并不同，而且存在着较大的差异。在 春季时，积沙与温差的相关系数为０．６００，温差与 功率损耗率相关系数为－０．４１０，积沙与功率损耗 率的相关系数为０．６００。因此根据相关系数的正 负性，可知积沙的增长导致了温差的增加，而温差 的增长反而降低了功率损耗率，积沙也同时导致 了功率损耗率的增加。根据相关系数的大小可 知，积 沙 对 温 差 与 功 率 损 耗 率 具 有 几 乎 相 同 的 影响。
夏季时积沙与温差的相关系数为－０．３８０，温 差与功率损耗率相关系数为０．４７０，积沙与功率 损耗率的相关系数为－０．４９０。根据相关系数的 正负可知，积沙与温差呈负相关关系，积沙的增长 导致温差的降低，同时导致功率损耗的降低，而温 差与功率损耗率呈现正相关关系。对比相关系数 的大小可知，积沙对功率的影响最高，从而证明积 沙减少了光伏组件的入射光，进而降低组件的功 率损耗。而温差与功率损耗率的相关系数达到了 ０．４７０，低于积沙对功率损耗率的影响。积沙对温 差的影响最低，证明积沙对温差的影响较弱。综 上，积沙对光伏组件的损耗主要是影响入射光照 射有效面积，且积沙对光伏组件的透光率也有影 响，从而减少了组件对光照强度的吸收。
秋季时积沙与温差的相关系数为－０．８６２，温 差与功率损耗率相关系数为－０．８６６，积沙与功率 的相关系数为０．８５２。根据相关系数的正负值， 积沙与温差呈负相关关系，表面积沙的增长，导致 温差的增加，同时导致功率损耗率的增加，而温差 与功率损耗率呈现负相关关系。根据相关系数的 数值大小可知，积沙对温差的影响最大，从而通过 影响光伏组件的散热增大温差，进而影响功率损 耗率，而且温差与功率损耗率的相关系数达到了 －０．８７，证明温差的增加导致了功率损耗的增加。 而积沙与功率损耗率的相关关系仅为０．８５，小于 前两者，因此在秋季时，功率损耗主要通过积沙对 温差的影响。
冬季时积沙与温差的相关系数为－０．４４０，温 差与功率损耗率相关系数为－０．６２０，积沙与功率 损耗率的相关系数为０．３５０。根据相关系数的正 负性可知，积沙与温差呈负相关关系，表面的积沙 导致了温差的减小，积沙与功率损耗率呈正相关 关系，积沙导致了功率损耗增加，而温差与功率损 耗率呈负相关关系，温差的增加导致了功率损耗 的增加。根据相关系数的大小可知，温差的增加 降低了功率损耗，而积沙的增加导致了温差的减 小，并且积沙增加了功率损耗。因此，冬季时光伏 组件积沙主要影响温差，而温差影响组件的输出 功率。
３ 结 论
沙漠环境下季节性的差异比较大，不同季节 的环境温度、风速和风速带来的携沙能力也有所 不同，导致了光伏组件表面的积沙量有所差异，从 而影响了光伏组件的输出功率和自身温度。
根据相关系数函数分析可得春季时积沙通过 影响光伏组件的散热与入射光的吸收共同决定光 伏组件的功率损耗，相关系数均达到了０．６００；夏 季时主要通过减少光伏组件的有效入射光照射面 积，影响光伏组件的功率损耗，相关系数达到了 －０．４９０；秋季时积沙要远高于其他季节，通过积 沙形成一层热阻，对组件表面对流散热与辐射散 热有一定的影响，导致了功率损耗的增加，相关系 数达到了－０．８６６；冬季时，光伏组件表面积沙主 要影响 温 度，形 成 一 定 温 差，相 关 系 数 达 到 了 －０．６２０。
通过研究证明了光伏组件表面的积沙量对组 件自身的输出功率具有较大的影响，运用相关系 数说明在各个季节积沙对温度和输出功率影响大 小不一，并得出相关规律，为实际沙漠光伏电站在 不同季节的清洁规划提供一定的参考。
