积雪厚度对光伏板自加热除雪性能影响的研究

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(上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093)

0 引言

使用可再生能源，特别是太阳能，是实现节能和可持续发展的有效手段[1]。与常规能源相比，太阳能以“储量巨大、应用便利、供应持久、清洁无害”这四大优势受到了越来越多的关注和青睐，成为最具开发和利用潜力的清洁能源之一[2]。建筑物太阳能光伏发电也正被我国大力引导发展[3]。随着太阳能光伏一体化的应用增多[4-5]，如何提高太阳能光伏发电效率、延长光伏电池使用寿命是太阳能应用中的关键。

外界因素的影响极易造成光伏发电效率的降低，常见的外界影响因素包括灰尘、雾霾、温度影响等。进入冬季后，积雪对于光伏发电而言，成为最主要的影响因素。冬季严寒漫长，降雪量大，积雪厚，对太阳能光伏电池的使用产生了一定的负面影响。若覆盖在太阳能光伏组件上的积雪不及时清除，将会造成光伏电池发电量的损失，影响组件的寿命[6]，降低发电效率[7]，导致能源浪费。

太阳能光伏板的积雪问题，已成为国内外研究学者的重要课题。目前主要有以下几种除雪方式：人工除雪、机械除雪、纳米自清洁涂层和增大光伏板角度等。但是各自都存在着一些缺点，如人工除雪费用高成本大[8]，机械除雪装置复杂，操作不便[9]，纳米自清洁层性价比不高[10]，增大光伏板角度会降低发电效率[11]，限制了这些方法的广泛应用。

光伏板自加热除雪技术通过光伏板自身通电加热来融化冰雪，不需要增加额外的加热装置，简便易行。光伏板上积雪融化是从固态到液态的过程，即冰雪的相变。国内外对于积雪厚度对光伏板自加热除雪性能影响的研究较少。Jordan R.E.等[12]探究出在积雪融化过程中，积雪层厚度存在一个“平衡高度”，当积雪厚度小于这个高度时，无论加热多长时间、光伏板倾角无论多大，都无法使积雪从光伏板上滑落除净，亦无法将光伏板上的积雪融化除净。为了提高光伏板发电效率，本论文基于积雪厚度均大于该“平衡高度”时，采用实验的方法，探究积雪厚度对光伏板自加热除雪性能的影响。

1 实验原理

根据光伏电池的结构及原理，利用光伏电池内p-n结的特性，将光伏板作为负载，在其两端施加正电压使其通电发热来融化板上的积雪，融化的雪水起到积雪与光伏板之间润滑的作用，促使积雪滑落达到除雪的目的。

本实验将利用焓差实验室的室外侧模拟实际环境参数，在焓差实验室中搭建光伏板自加热除雪实验平台，在光伏板正、反面合理布置测点作为光伏板温度测量特征点，设定不同的积雪厚度，对整个除雪过程在不同积雪厚度下进行实时监控，分析研究光伏板自加热除雪过程中，特征点温度随时间的变化规律和除雪效率。

2 实验设置

2.1 实验系统

本实验主要是通过实验测量基本特征点的温度变化以及除雪过程的时间等参数，进而讨论实际光伏板融雪的热工特性和积雪融化规律。本研究主要探讨积雪厚度对光伏板自加热除雪性能的影响，因此保持积雪厚度为单一变量，同时保持雪密度、环境温度、加热功率和光伏板倾斜角度等其他影响因素一定。

本实验系统主要由直流稳压电源、光伏板及加热带、温度采集系统以及焓差实验室四个部分组成，实验系统设计如图1所示。其中，直流稳压电源为光伏板进行供电，使电流从组件接头正极流入，正向流经组件内部p-n结从负极流出。光伏板相当于一个负载，有正向电压施加在光伏板正负两极时，由于其内部的p-n结结构，会产生单向导通电流，使光伏板发热以融化积雪。为保证积雪顺利滑落，在光伏板四周的铝合金边框背面加设电加热带，以加热边框。温度采集系统对通电后的光伏板特征点的温度进行采集，以获取温度变化数据。焓差实验室通过自身的空调系统精确调节温湿度来模拟光伏板露天放置时的室外环境。

图1 实验系统图

图2 光伏板正面及背面测点布置图

图2为光伏板正面及背面测点布置图，在光伏板的正面及背面分别布置图2所示的5个温度测点，正面测点编号为1～5，背面测点编号为6～10，其中正面测点1与背面测点6位置对应，正面测点2与背面测点7位置对应，依此类推。

2.2 实验工况

根据光伏板实际使用情况及焓差实验室温湿度调节能力，环境温度设定为-6℃；考虑到常规的光伏板使用以及光伏板倾角对积雪滑落的影响，本实验光伏板倾角设置为18°；在无雪覆盖的条件下，当加热功率为230 W/m2时光伏板的加热量与损失热量达到平衡。因此，本实验条件设置加热功率为230 W/m2、光伏板倾角为18°、环境温度设定为-6℃。

对于积雪厚度设置了5个实验工况，如表1所示。

表1不同积雪厚度的实验工况

工况编号积雪厚度/cm环境温度/℃加热功率/W·m-2光伏板倾角/°142536-6230184758

在光伏板自加热除雪过程中，采集记录光伏板所有温度测点的温度变化数据，实验过程中密切关注光伏板上积雪融化情况。采集到融雪过程中光伏板上10个测点的温度，将正面5个测点数据的平均值作为光伏板正面温度，将背面5个测点数据的平均值作为光伏板背面温度，研究不同积雪厚度下，光伏板正面及背面的温度变化，并分别记录从光伏板开始通电加热到积雪滑落的时间。

3 实验结果及分析

图3～图5分别为4 cm、6 cm和8 cm厚度积雪下的光伏板通电加热后其正面及背面的温度变化情况。

图3 4 cm厚积雪下的光伏板正面及背面的温度变化

图4 6 cm厚积雪下的光伏板正面及背面的温度变化

图5 8 cm厚积雪下的光伏板正面及背面的温度变化

如图3～图5所示，光伏板正面温度曲线上的“坡峰”对应积雪即将开始融化的时刻，定义为“坡峰时刻”，对应温度为“坡峰温度”。将积雪的光伏板通电到达到“坡峰时刻”这阶段定义为“待融阶段”，从“坡峰时刻”到积雪滑落的瞬间定义为“融化阶段”，对应的时间分别定义为“待融时间”和“融化时间”。在融化阶段中，光伏板正面温度基本保持稳定，该温度定义为“融化温度”。

从图3～图5中可以看出，光伏板通电加热前，光伏板及积雪的初始温度约等于环境温度-6℃；光伏板通电加热后，光伏板正面及背面温度均随加热时间的推移而上升。在加热过程中，正面及背面温度曲线前期较陡，后期越来越平缓，直至最终曲线斜率接近于零，说明温度上升速率随着时间的推移而不断下降，直至温升速度几乎为零时，温度基本保持稳定。上述三个图中，光伏板正面温度上升到0℃以上的某个值时，会停止上升，转而突然下降，从而出现上述温度曲线上的“坡峰”。

在加热初期，由于光伏板正面及背面温度与环境温度几乎相等，所以光伏板与周围环境之间的对流换热量和辐射换热量均很小，此时光伏板获取的加热量基本用于自身的温升，因此温度上升较快。但随着光伏板温度的升高，其与环境温度的温差逐渐拉大，对流换热量和辐射换热量随之增大，且到达积雪融化温度后光伏板所获热量还提供用于融雪的潜热量，因此可用于自身升温的热量就越来越少，温度上升越来越慢，由此形成一个小小的“坡峰”。到达“坡峰”后，光伏板加热量与融雪潜热，对环境的辐射、对流换热达到平衡，温度基本达到恒定，由于辐射和对流换热的存在，此恒定温度略高于0℃。

对比图3～图5，可以发现在加热过程中，光伏板的背面温度总是略高于正面温度。由于光伏板正面和背面的位置和朝向不同，因此其正面的对流换热损失量和辐射换热损失量大于其背面的对流换热损失量，导致光伏板背面温度总是略高于正面温度。

除雪总时间可看作由“待融时间”和“融化时间”两部分组成，表2记录了从光伏板开始通电加热到板上积雪开始滑落的除雪总时间。在4～8 cm这五种不同积雪厚度下，除雪总时间中的 “待融时间”和“融化时间”的分布对比如图6所示，“坡峰温度”和“融化温度”对比如图7所示。

表2不同积雪厚度下的除雪总时间

积雪厚度/cm45678除雪总时间/min9178716765

图6 不同积雪厚度下的“待融时间”和“融化时间”

图7 不同积雪厚度下的“坡峰温度”及“融化温度”

通过对图6～图7及表2的分析，可以看出：

在待融阶段中，积雪厚度越大，由于积雪保温作用，光伏板正面温度提升速率越大、待融时间越短。如图6所示： 4～8 cm这五种积雪厚度下的待融时间分别为20 min、18 min、16 min、14 min和12 min，待融时间随着积雪厚度的增大而缩短。经计算，在待融阶段中，这五种积雪厚度下的光伏板正面温度平均提升速度分别为0.35℃/min、0.38℃/min、0.44℃/min、0.48℃/min和0.55℃/min，温升速率随着积雪厚度的增大而增大。

另外，积雪厚度越大，则“坡峰温度”越低。如图7所示：4～8 cm这五种积雪厚度下的坡峰温度分别为1.00℃、0.94℃、0.87℃、0.91℃、和0.59℃，即“坡峰温度”总体上随着积雪厚度的增大而降低。当积雪底部温度上升到0℃后，由于厚度越大的积雪层保温效果越好，则在低温环境下的显热损失量越小，可用于积雪融化的潜热量就越多，发生相变的温度点就能有所提前，即“坡峰时间”提前，所需的“坡峰温度”越低。积雪厚度越小，保温效果越差，在低温环境下的显热损失量越大，只有将积雪底部加热到较高的温度，底部积雪才能融化，即“坡峰时间”延后，所需的“坡峰温度”较高。

在融化阶段中，随着积雪厚度增大，融化温度越低，融化时间越短。如图6～图7所示：4～8 cm这五种积雪厚度下的融化温度分别为0.96℃、0.87℃、0.80℃、0.80℃和0.55℃，融化时间分别为71 min、60 min、55 min、53 min和53 min。当积雪总厚度越大，则剩余的干雪层越厚，保温作用越好，导致融化温度变低，用于积雪融化的潜热量增加，融化时间随之缩短。

随着积雪厚度的增加，除雪总时间(待融时间+融化时间)随之变短。如表2所示：4～8 cm这五种积雪厚度下的除雪总时间分别为91 min、78 min、71 min、67 min和65 min，每增大1 cm的积雪厚度，则待融阶段中光伏板正面温度提升速率平均增大约0.05℃/min，待融时间平均缩短约2 min，光伏板正面温度曲线上的“坡峰温度”平均降低约0.1℃，融化阶段中的融化温度平均降低约0.1℃，融化时间缩短约4 min，除雪总时间平均缩短约6 min。即除雪总时间随着积雪厚度的增大而缩短。

4 结论

针对上述实验结果，结合融雪过程，本实验研究得到以下结论：

(1)待融阶段，光伏板上积雪都是干雪状态，厚度越大，保温效果越佳，用于积雪融化的潜热量变多，光伏板正面的温度上升越快，待融时间越短；

(2)融化阶段，由于“毛细作用”将积雪底部融化的雪水不断向上输送，整个积雪层由下而上地由干雪转化为湿雪，若积雪总厚度越大，则剩余的干雪层越厚，保温作用越好，所需的融化温度越低，融化时间越短；

(3)积雪融化过程中，积雪厚度每增大1 cm，除雪总时间平均缩短约6 min，因此积雪厚度的增加有助于提高光伏板自加热除雪的效率，实现节能。