沙尘对光伏组件表面冲蚀行为影响实验研究

赵明智，王 帅，孙 浩，张 丹

（内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

我国西北地区的太阳能资源比较丰富，非常有利于太阳能资源的大规模开发、利用，因此，光伏发电产业在我国西北地区发展迅速[1]。但是，该地区的风沙天气较多，风沙在光伏组件表面的沉降、冲蚀会对光伏组件的发电效率造成严重影响[2]。

国内外学者对固体颗粒冲蚀情况的研究取得了不少成果。杜晓虎[3]在不同风力等级和冲蚀角下，对不同强度等级的渠道混凝土试件进行了冲蚀磨损试验，试验结果表明：该混凝土的冲蚀磨损率会随着风力等级的增大而增大；当冲蚀角增大时，该混凝土的冲蚀率也会增大；该混凝土的冲蚀率随着沙粒含量的增加呈现出先增后减的变化趋势。段志强[4]通过数值模拟发现，当颗粒以较大的角度和速率多次撞击叶片压力面时，会导致叶片压力面的部分区域发生严重磨损。曹辉祥[5]根据数值模拟结果明确了气固两相流管道受冲蚀最严重的部位，还分析了气固两相流管道最大冲蚀率和颗粒沉积密度随气体流量、固体量和压力的变化规律，分析结果表明：冲蚀最严重部位为阀后弯管处，随着气体流量逐渐增大，最大冲蚀速率逐渐增大，颗粒沉积密度逐渐减小；随着压力逐渐升高，最大冲蚀速率逐渐减小，颗粒沉积密度逐渐增大；随着固体量逐渐增大，最大冲蚀速率逐渐增大，颗粒沉积密度逐渐增大。赵明智[6]利用离散相模型（DPM）分析了风沙气固两相流中的沙粒对光伏组件表面的冲蚀磨损，分析结果表明： 光伏组件表面的冲蚀率随着风速的变化呈指数的变化趋势；光伏组件表面的冲蚀率随着安装倾角的变化而发生明显的变化。综上可知，风速和安装倾角是影响光伏组件表面冲蚀率的两个重要因素。康晓波[7]分析了风向角、来流风速和光伏组件安装倾角对光伏组件表面沙尘冲蚀率分布情况的影响，研究结果表明：随着风速逐渐增大，最大冲蚀率逐渐增大；随着光伏组件安装倾角逐渐增大，光伏组件表面的最大冲蚀率逐渐减小；随着风向角逐渐增大，光伏组件表面的冲蚀率呈现出逐渐增大的变化趋势，并且当风向角为75°时，达到最大值。

目前，关于固体颗粒对物体表面冲蚀情况的研究较多，但是，关于固体颗粒冲蚀对光伏组件发电效率影响的研究较少。因此，本文根据冲蚀实验装置模拟沙漠环境中的风沙吹蚀情况，采用气流挟沙喷射法，研究不同条件下风沙冲蚀对光伏组件发电效率的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验用沙取自内蒙古库布奇沙漠中某光伏电站的附近区域。通过筛分法对所取的沙尘样本进行粒径分析。基于测量结果可知：实验用沙中粒径小于0.05 mm 的沙粒的体积含量小于0.2%；粒径大于0.3 mm 的沙粒的体积含量小于0.23%；粒径为0.05～0.3 mm 的沙粒的体积含量为99.57%。由此可知，实验用沙的粒径大体上为0.05～0.3 mm。此外，实验用沙的硬度为6.75 GPa，密度为2.7 g/cm3。

实验所用的钢化玻璃为太阳能光伏组件常用的钢化绒面玻璃，弹性模量为74 GPa，硬度为6.4 GPa，密度为 2.5 g/cm3，几何尺寸为 60 mm×80 mm×3 mm。

实验所用的太阳能光伏滴胶板的相关参数如表1 所示。

表1 光伏组件参数Table 1 The PV component parameters

1.2 实验方法及设备

本文所用的实验系统为沙漠风沙冲蚀模拟系统，该系统的结构图如图1 所示。

图1 实验系统的结构图Fig.1 Structure of the experimental system

由图1 可知，本文的实验系统由空气压缩机、气流控制阀、沙箱、喷沙枪、冲蚀室和回收箱等设备组成。

实验步骤：首先，利用空气压缩机提供高压气流，并由气流控制阀控制高压气流的冲蚀速度；然后，来自沙箱的沙流在喷洒枪内与高压气流混合，而后送入到冲蚀室内对实验试件进行冲蚀；最后，冲蚀完毕的沙粒流入回收箱，该回收箱所收集到的沙粒可以进行重复使用。

冲蚀对比实验的流程：实验前、后，利用精密电子天平称量钢化玻璃（试件）的质量，然后利用扫描电子显微镜（SEM）观察钢化玻璃表面的冲蚀形貌，并进行分析。最后将组合光伏组件放置在光照条件下，利用Fluke Norma 5000 功率分析仪和PROVA 200 A 太阳能电池分析仪分别记录有、无冲蚀情况下光伏组件各项参数的变化情况。

本文着重分析当沙粒的冲蚀速度分别为25，30 m/s（分别记为 V1，V2。V1，V2分别为极端沙尘天气条件下的最大、极大风速），冲蚀角分别为 15，30，45，60，75，90 °时，沙粒的冲蚀对光伏组件各项参数的影响。由于实验过程中所选取的沙粒粒径较小，并且风沙对钢化玻璃的冲蚀是一个长期的过程，因此本次实验的冲蚀时间设定为3 min[8]。

1.3 冲蚀结果评价

冲蚀损伤程度可以用相对冲蚀率E 进行表述。E 的表达式为[9]

式中：m1为冲蚀前钢化玻璃的质量，mg；m2为冲蚀后钢化玻璃的质量，mg；Δm 为冲蚀前、后钢化玻璃的质量差，mg；m 为沙粒的流量，g/min；t 为冲蚀时间，min。

1.4 光伏组件发电效率评价

光伏组件输出功率降低率n 的表达式为

式中：P 为冲蚀前光伏组件的输出功率，W；P1为冲蚀后光伏组件的输出功率，W。

2 实验结果分析与讨论

2.1 钢化玻璃的相对冲蚀率与冲蚀角的关系

图2 为不同冲蚀速度条件下，钢化玻璃的相对冲蚀率E 随冲蚀角α 的变化情况。

由图2 可知，当冲蚀速度分别为25，30 m/s时，钢化玻璃的相对冲蚀率均随着冲蚀角的增大而增大，并且当冲蚀角为90°时，钢化玻璃的相对冲蚀率达到最大值，分别为0.018，0.09 mg/g。这是由于钢化玻璃为脆性材料，其相对冲蚀率会与sin2α 成正比，并且最大相对冲蚀率会出现在冲蚀角为 90°的条件下[10]。

图2 不同冲蚀速度条件下，钢化玻璃的相对冲蚀率随冲蚀角的变化情况Fig.2 Change of relative erosion rate of tempered glass with erosion angle under different erosion speed conditions

由图2 还可看出，不同冲蚀速度条件下，当冲蚀角较小时，钢化玻璃的相对冲蚀率均较小，并且均随着冲蚀角的逐渐增大而增大。这是由于钢化玻璃具有较高的硬度和弹性模量[11]，当冲蚀角较小时，钢化玻璃的质量损失主要由沙粒的微切削作用引起的，在此冲蚀过程中，钢化玻璃表面上沙粒的法向速度较小，使得沙粒的动能较小，冲击能量也较小，该钢化玻璃表面法线方向上沙粒的动能还不足以对其造成较大的破坏。随着冲蚀角逐渐增大，钢化玻璃表面上沙粒的法向速度逐渐增大，沙粒的动能也随之增大，使得沙粒与钢化玻璃表面的接触面积逐渐增大，从而造成钢化玻璃被冲击部位的横向和径向裂纹越来越多，随着冲蚀时间和冲蚀次数的逐渐增加，钢化玻璃表面材料大量流失，其相对冲蚀率也越来越大。

2.2 冲蚀损伤机理分析

冲蚀损伤一般有两种类型： 低角度微切削作用与高角度弹性塑性变形所引起的冲蚀损伤；低角度微切削作用与高角度疲劳裂纹的扩展交叉所引起的冲蚀损伤[7]。因此，在冲蚀实验中，冲蚀角的变化对冲蚀损伤实验具有关键作用。

图3 为当冲蚀速度为30 m/s 时，不同冲蚀角条件下的钢化玻璃SEM 形貌图。

图3 当冲蚀速度为30 m/s 时，不同冲蚀角条件下的钢化玻璃SEM 形貌图Fig.3 SEM morphology of tempered glass at different erosion angles at an erosion velocity of 30 m/s

由图3（a）可知，当冲蚀角为 30 °时，钢化玻璃的表面存在犁削和划痕。其中，划痕分布得较为均匀且长度不一。此外，还有一些大小不一的凹坑，凹坑周围的部分玻璃材料受力后被挤出表面，并伴有微裂纹的产生，这是由于钢化玻璃在低角度冲蚀条件下的损伤主要为微切削作用下的质量损失。由图3（b），（c）可知，当冲蚀角为 90 °时，钢化玻璃的表面存在脆性断裂凹坑，并且在凹坑周围存在数量较多的颗粒状材料，极少数的区域还会出现切削薄片。这是由于当冲蚀角为90°时，钢化玻璃表面上沙粒的法向速度达到最大值，使得这些沙粒的动能也达到了最大值，冲蚀过程中产生的划痕、裂纹的长度和深度均增大，裂纹叠加的损伤程度也达到最大，此时由于钢化玻璃受力不均且自身受力区域的应力又太集中，从而产生明显的脆性断裂，并生成大量颗粒状材料和少量碎片状材料，最终造成钢化玻璃质量损失。综上可知，当冲蚀角较小时，钢化玻璃的质量损失主要是由微切削作用导致的；随着冲蚀角逐渐增大，钢化玻璃的质量损失逐渐转变为由切削和裂纹叠加共同导致的；当冲蚀角达到90°时，钢化玻璃的质量损失主要由裂纹叠加导致的。

2.3 冲蚀行为对太阳能光伏组件输出特性的影响

当太阳辐照度F 一定时，不同冲蚀速度条件下，光伏组件的输出功率随冲蚀角的变化情况如图4 所示。

图4 当太阳辐照度一定时，不同冲蚀速度条件下，光伏组件的输出功率随冲蚀角的变化情况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

由图4 可知，实验过程中太阳辐射强度F 大体上保持稳定。不同冲蚀速度条件下，随着冲蚀角α 逐渐增大，光伏组件的输出功率P 均呈现出先增大后减小的变化趋势。这是由于当冲蚀角较小时，钢化玻璃表面的冲蚀轮廓主要呈现出两边开口的椭圆形状，冲蚀面积较大，在此冲蚀过程中，沙粒对钢化玻璃的冲蚀程度较低，但钢化玻璃的透光率有所降低，造成光伏组件的输出功率随之减小。随着冲蚀角逐渐增大，钢化玻璃表面的冲蚀轮廓逐渐由两边开口的椭圆形状转变为比较完整的椭圆形状，冲蚀面积逐渐减小。当冲蚀角由15°逐渐增大至45°时，光伏组件输出功率逐渐增大；当冲蚀角为45°时，光伏组件的输出功率达到最大值；当冲蚀角由45°逐渐增大至90°时，光伏组件的输出功率逐渐减小；当冲蚀角为90°时，光伏组件的输出功率达到最小值，这是由于当冲蚀角较大时（尤其是当冲蚀角为90°时），虽然钢化玻璃表面的冲蚀面积较小，当沙粒冲击钢化玻璃表面时，会有部分沙粒出现无规则的反弹，然后与随后喷出的沙粒发生碰撞，会在偏离原冲击路径的情况下再次冲击钢化玻璃表面，造成更大的冲蚀面积，并使得钢化玻璃产生更为严重的磨损，即对钢化玻璃造成二次冲蚀作用，最终导致光伏组件输出功率较小。

通过测量发现，对于本文实验所用的光伏组件，当其未被冲蚀时，输出功率为0.362 W。由图4还可看出，当冲蚀速度为25 m/s 时，与未冲蚀光伏组件的输出功率相比，不同冲蚀角条件下，光伏组件的输出功率分别降低了9.82%～16%，平均降低了13%。在此冲蚀速度条件下，当冲蚀角为15°时，光伏组件的输出功率低于冲蚀角为90°时光伏组件的输出功率，这是因为当冲蚀速度较低时，高冲蚀角引起的二次冲蚀对光伏组件的冲蚀作用较小，甚至可以忽略。此外，当冲蚀速度为30 m/s时，与未冲蚀光伏组件的输出功率相比，不同冲蚀角条件下，光伏组件的输出功率分别降低了15.42%～24.46%，平均降低了19.39%。在此冲蚀速度条件下，当冲蚀角为90°时，光伏组件输出功率与未冲蚀光伏组件输出功率之间的差值最大，为24.46%。

3 结论

①当冲蚀速度为30 m/s 时，钢化玻璃的冲蚀率随着冲蚀角的增大而增大，当冲蚀角为90°时，该冲蚀率达到最大值。此结果符合典型脆性材料的冲蚀规律。

②当冲蚀角较低时，钢化玻璃的质量损失主要是由微切削作用产生的；随着冲蚀角逐渐增大，钢化玻璃的质量损失逐渐由切削和裂纹叠加共同引起的；当冲蚀角达到90°时，钢化玻璃的质量损失主要由裂纹叠加引起的。

③当冲蚀速度分别为25，30 m/s 时，与未冲蚀光伏组件的输出功率相比，不同冲蚀角条件下，光伏组件的输出功率分别降低了9.82%～16%，15.42%～24.46%。当冲蚀速度为30 m/s，冲蚀角为90°时，光伏组件输出功率与未冲蚀光伏组件的输出功率之间差值的最大，为24.46%。