积尘对太阳能光伏电池板表面玻璃透过率的影响分析

摘 要：灰尘是广泛存在于大气中的微粒，影响大气对太阳光的折射率和透过率并进而影响空气能见度，累积在太阳能光伏组件表面，遮挡了光线的入射，降低太阳能光伏组件表面封装玻璃透过率，从而降低太阳能光伏组件的功率输出。通过对光伏组件表面积尘对透过率的影响研究，可为光伏发电技术提供一定的理论基础，实验结果可会对进一步的光伏发电研究起到一定的借鉴作用。

关键词：太阳能光伏；积尘；透过率

0 引 言

太阳能光伏电池是一种由光生伏特效应而将太阳辐射能直接转化为电能的器件，类似于半导体光电二极管，当太阳光照到 光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有较大输出功 率的太阳能电池方阵了^[1] 。为保证太阳能光伏组件发电功率充足，组件内部采用单晶硅太阳能电池片，外部利用在太阳电池光谱响应的波长范围内(320～1100 nm)透光率达9l％以上的低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)封装。置于室外太阳能光伏发电 系统通过接收太阳能辐射而进行光电转换发电，接收的太阳能辐射强度是影响其发电的主要因素，内部的太阳能电池片接收到的太阳能辐射强度又与太阳能电池封装玻璃的透过率有关。由于人类日常生活、工业排放废弃物质、道路老化、交通运行等多种因素产生的灰尘会沉降在太阳能光伏组件封装玻璃表面，遮挡了光线的射入，直接影响到太阳能电池玻璃透过率。当太阳能光伏组件封装玻璃沉积了一定量的灰尘后，其透过率受到影响而致使发电效率下降。一些地方由于太阳能电池板积尘较厚，无 法正常发电。As1．Soleimani曾经报道过德黑兰的灰尘能使光伏电站的发电量减少60％以上^[2]，但在不同的环境下，空气中灰 尘的成分不同，累积的厚度不同，对电站的发电量造成的影响也不卡H同。本文中针对太阳能比伏组件在同角度的积尘对太阳能入射光透过率的影响分析，对今后完善电站的安全生产、提高发电效率有一定参考作用。

1 理论分析

灰尘在太阳能电池板上的沉降遮挡了光线的射入，直接影响到太阳能电池玻璃透过率，透过率的大小可以通过如下理论分 析进行计算。

首先确定玻璃的小光系数K，测定玻璃的折射牢n，依据布格尔-比耳定律求：

式中：为只考虑玻璃吸收时的阳光透过率;

为阳光透过玻璃的光程;为玻璃的厚度;为入射 角;为折射角;为空气折射率，近似等于1。

  由于在不同大气质量条件下，大气对阳光的选择性吸收与散射，使得到达地球表面上的的太阳的辐射强度发生改变 ，这样就会引起玻璃透过率的改变^[3]。

透过率的计算。由测定的消光系数和折射率数据，便可以计算不同玻璃层次，各种入射角条件下的玻璃透过率，玻璃透过 率为：

式中：为玻璃的透过率;为只考虑玻璃反射的透过率;为只考 虑玻璃吸收的透过率。

   不同玻璃层数的值由式（4）决定：

式中：m为玻璃的层数;为玻璃的反射率。

  对于非偏振的太阳光，可用式（5）计算：

当时，;当时，应 取两个偏振分量的平均透过率来计算值。

   不同玻璃层数的值也可以由决定， 这时阳光在玻璃中的光程为    ,由式（5）可以算出玻璃的透过率^[4]。

实际情况中由于积尘对玻璃的消光系数和折射率影响无法准确确定，所以在理论计算与实际测量之间存在较大的误差，因此，

利用精密的测试仪器测量积尘对透过率的影响，将有更可靠的说服力。

2 实验测试

2．1 实验方案

本文验以内蒙古工业大学省部共建风能太阳能重点实验室为实验场地，以置于室外的普通平饭玻璃为研究对象，在有限时间的积尘条件下，对比当地太阳能光伏发电站光伏组件的实际安装角度与水平面，分析太阳能光伏发电站光伏组件的实际安装角度与水平面的积尘对透过率的影响；其次是通过对比置于室外不同角度的普通平板玻璃在一定时间内的积尘对透过率的影响，分析不同角度的积尘规律。

2．2 实验设备

本实验中测试透过率所采用的设备为岛津UV3600紫外、可见近红光分光光度计，详细参数如表l所示。

表1 岛津UV3600紫外、可见近红光分光光度计相关参数

透过率:

式中: 为入射光强度;  为透射光强。

    根据Lambert-Beer定律，入射光的强度为：

式中：吸收光强度; 透射光强度;反射光强度。

    当一束强度为的单色光透过浓度为C、光程为L的溶液时，一部分光被溶液中的吸光物质吸收后，透过光的强度为 ，它们关系如式（8）：

式中：A为吸光度;K为吸光物质在单位浓度、单位厚度时的吸光度。

岛津UV3600紫外、可见近红光分光光度计主要特点如下：

    （1）高灵敏度。安装三个检测器：光电倍增管用于紫外区和可见区;InGaAs和PbS检测器用于近红外区。InGaAs检测器覆盖了光电倍增管和PbS检测器的薄弱范围，保证了整个测量范围的高灵敏度。

    （2）高分辨率。采用高性能的双单色器实现了超高的分辨率和超低的杂散光。测量范围覆盖紫外、可见和近红外区域，满足多种领域的测量要求。UVProbe实现了真正的QA／QC功能，完全支持GLP、GMP。另外还可以加载膜厚测定、色彩分析等软件。

     (3)丰富的附件选择。用途的大样品室和积分球可以进行绝对反射率的测定，另外还有多种恒温池架和超微量池架以及自动进样器可供选择，测定多种类型的样品。

     电磁波的区分在紫外、可见、震动红外和近红外区域（如图1），晶体硅太阳能电池对光谱各波段的响应不同，相同辐射强度下，不同波段的入射光使电池产生的短路电流大小不同[5]，根据针对太阳能光伏电池的量子效率与光谱响应实验研究结果表明，量了效率较高的光谱响应分布在200~3200nm^[6]，所以在本文的测量分析过程中主要在200~3200nm。

图1 电磁波分布

2．3 实验内容

2.3.1 固定倾角与水平面的积尘对透过率影响对比

选择两块相同的清洁玻璃，按照当地太阳能光伏发电站光伏组件的实际安装角度(41°)及水平角度(0°)分别置于室外，进行自然积尘一个月后，对积尘的玻璃进行透过率测量，得出积尘前后透过率的影响情况。

2.3.2 不同倾角积尘对透过率的影响

选取四块相同的清洁玻璃，以39°、4l°、43°、45°倾角进行固定置于室外，进行自然积尘一周后，对积尘的玻璃进行透过率测量，得出积尘前后透过率的影响情况以及积尘随倾角的变化情况。

3 结果分析

3．1 积尘在固定倾角表面与平面对透过率的影响本实验为了研究积尘对透过率的影响，选用的是普通平板玻璃，其透过率要低于光伏电池封装玻璃。首先测定4l°倾角与水平倾角清洁玻璃片的透过率，如图2、图3所示，当波长为522nm时，透过率达到最高值，为88.913％；经过一个月的自然积尘后，透过率降低为87.027％和75.94％，由图可见灰尘主要遮挡了波长为312～2424nm这一段，灰尘附着后透过率减小明显，水平玻璃片上附着的灰尘比倾角为4l°的多，在波长482nm时阻碍最大，32.103%被阻碍。倾角4l°时，波长在522 nm阻碍最大，阻碍了12．973％的入射光线，320～1100 nm 的光线普遍减小了10％ 。但在平面上、波长为522 nm 时，阻碍了31．588％，两者相比平面要比41°倾角多阻挡18．615％ 。从图4中可以看出，41°倾角在自然积尘一个月后玻璃的透过率不超过80％ ，而水平倾角的透过率已经减小一半，在平面上灰尘不易脱落使得灰尘在玻璃表面黏结，光线损失严重。

图2 41°倾角积尘1个月前后透过率对比

图3 水平倾角积尘1个月前后透过率对比

图4 41°倾角与水平倾角积尘1个月后透过率对比

3．2 不同倾角灰尘对透过率的影响

    测定39°、41°、43°、45°倾角清洁玻璃的透过率，固定置于室外进行自然积尘一周后，对积尘后的玻璃进行透过率的测量，得出积尘前后透过率的对比结果如图5～图8所示，一周的边界条件见表2。

图5 39°倾斜角一周对比

图6 41°倾斜角一周对比

图7 43°倾斜角一周对比

图8 45°倾斜角一周对比

表2 一周的边界条件

由测试结果可知：39°倾斜面玻璃的透过率，一周后与清洁时对比平均减小了2.819％，透过率减少最大；41°倾斜面玻璃的透过率，一周后与清洁时相比平均减小了2.662％；43°倾斜面玻璃的透过率，一周后与清洁时对比平均减小了2.284％；45°倾斜面玻璃的透过率，一周后与清洁时对比平均减小了2.234％，透过率减小最少。由上述结果分析可以知道：置于室外进行一周自然积尘的普通平板玻璃的透过率随着安装角度的增大，受积尘影响降低，积尘量随着安装角度的增加而减少。

4 结 论

通过紫外、可见近红光分光光度计对玻璃上附着有灰尘后的透过率的测量，得出在内蒙古呼和浩特市将普通平板玻璃按当地太阳能光伏发电站光伏组件的实际安装角度(41°)置于室外，进行自然积尘一个月后，波长在522 nm时其透过率阻碍最大，阻碍了12.973％ 的入射光线，320～1100 nm的光线普遍减少了10％。 39°倾角普通平板玻璃在一周的自然积尘后透过率将减小2.819％ ，1个月积尘后阻碍透过率最大可将减小12.973％ ，45°倾斜面玻璃的透过率，一周后的透过率将减小2.234％ 。比较不同倾斜角的灰尘积累，透过率随着安装角度的增大，受积尘影响降低，积尘量随着安装角度的增加而减少。

参考文献：

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[2] 郭巍．并网型太阳能光伏发电系统设计与电网影响研究[D]．天津：天津大学，2010．

[3] ANDREWS R W，POLLARD A，PEARCE J M．The effects of snow~ll on solar photovoltaic performance[J]．Solar Energy，2013，92：84—97．

[4] KALDELLIS J，ZAFIRAKIS D．Experimental investi—gation of the optimum photovohaic panels' tilt angle during the summer period[J]．Energy，2012，38(1)：305—314．

[5] 王殿元，王庆凯，彭 丹，等．硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验[J]．物理实验，2007(9)：8一l0．

[6] 吕 欣，崇 锋，陈文浩，等．光谱响应对光伏电站发电量的影响分析[J]．太阳能，2014(9)：27—29．

本文作者：内蒙古工业大学 赵明智，张旭