光伏板自动加热除雪技术研究

徐阳

上海安悦节能技术有限公司

0 序言

目前上汽集团的光伏项目大部分为光伏车棚项目，分布在全国各地。华东地区积雪比较严重，利用传统除雪方式，如：撒盐或喷融雪剂，在单位面积上有效果，由于光伏方阵面积较大，除雪效果不佳；人工扫雪方式，地面上较易实现，然而在光伏车棚方阵既高又陡，除雪时需登高作业，造成除雪难度较大、效率低。更严重的是光伏方阵上积雪融化时会产生大量的冰凌，冰凌掉落时会造成下面成品车一定的损伤和财产损失，此外，光伏板上积雪还会影响发电效率。本文提出的光伏板自动加热除雪技术是基于光伏电池的结构和原理，利用光伏电池p-n结特性，光生伏特效应原理。将光伏板作为负载使用，在其两端加正向额定电压通电融化光伏板上表面的积雪，光伏板表面融化的雪水相当于“润滑剂”，促使积雪从倾斜光伏板上滑落下来，从而达到一次性除雪的目的。

1 光伏发电原理

光伏阵列输出直流电压，通过直流开关和EMC滤波器后经三相全桥IGBT功率模块进行逆变，输出三相高频斩波电压，通过LCL滤波电流和交流EMC滤波器，输出与电网同相位同频率的三相正弦波电流，然后通过升压变压器并入电网。利用光伏特性将原有光伏系统中的逆变器进行改造和软件技术升级，升级后的逆变器具有能量双向转换功能，并设置双向保护功能，故称为并网双向逆变器。

2 自动除雪原理

光伏板自动除雪技术，由压力传感器将单位面积积雪压力信号传送至逆变器采样模块，采样模块采集和检测积雪压力信号，然后由DSP处理器处理该信号并由驱动模块控制IGBT功率模块进行交直流电双向转换，当积雪压力达到预设阀值时，光伏系统逆变器将会切换至整流状态，将大电网交流电转换成直流电输出，在光伏组件两端加额定的正向电压电流，一段时间后光伏板表面会产生一定的热量，光伏板表面的雪会形成一层冰膜，从而减少积雪与光伏板表面的摩擦力（不加热前积雪与光伏板静摩擦系数为1．0左右，加热后静摩擦系数为0．3左右），最终达到一次性除雪的效果。利用积雪密度和压力以及雪层保温性能（热传导率）进行除雪，除雪效率很高。

3 影响除雪性能因数分析

根据雪的融化特性将光伏板自动加热除雪过程分为两个阶段，即：待融和融化阶段。利用传热学原理，建立光伏板表面温度的传热模型，根据传热模型求出在一定环境和积雪厚度下，输入电流负荷的大小。利用物理学原理，对光伏板上的积雪进行力的分析，明确去除积雪的必要条件。综合传热模型和力学模型，归纳出光伏板除雪技术的主要影响因数：积雪厚度、雪密度、环境温度、加热负荷、光伏组件板的倾斜角度。分析研究光伏板通电融雪过程中加热温度随时间的变化规律和除雪效率，积雪厚度、环境温度、加热功率以及光伏板倾角等因数对光伏板自动加热过程中的作用效果和影响程度。

3.1 积雪厚度对除雪性能的影响

积雪厚度包括干雪层和湿雪层厚度。根据雪的物理性质可知，雪内部有很多孔隙，因此覆盖在光伏板上的积雪相当于一个保温层，其厚度直接影响光伏板的温度变化及融雪速率，干雪层和湿雪层的厚度直接影响传热过程中温度场的分布。实验研究表明：只有当积雪厚度大于本身密度下的“平衡高度”时，才能依靠光伏板通电加热的方法除雪，当加热功率为230W,积雪密度为420kg/m3、环境温度为-6℃、光伏板倾角为18°时，每增加1cm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加约0．052℃/min，待融时间平均缩短2分钟,光伏板表面坡峰温度平均降低约0．101℃，融化阶段中的融化温度平均降低约0．104℃，融化时间缩短约4分钟，除雪总时间缩短约6分钟，除雪时间受积雪厚度影响较大。光伏板能承载5 400Pa压强，积雪越厚下滑速度越快。测试工况见表1（1-5）测试工序。

3.2 积雪密度对除雪性能的影响

雪密度的大小代表雪的松软程度，即雪的空隙率，其决定了雪的导热系数，即雪的保温效果，而雪的导热系数对于传热效果具有重大影响。同时，雪的密度还关系到雪水在毛细作用下的“平衡高度”，从而影响湿雪层的厚度。因此，雪密度也是影响光伏板除雪技术的因数之一。

3.3 环境温度对除雪性能的影响

环境温度决定了雪层表面与环境之间、光伏板背面与环境之间对流换热量；环境温度还影响空气有效温度，从而决定了雪层表面和光伏板背面与外界的长波辐射量。也就是说环境温度决定了光伏板与环境之间的散热量，进一步影响融雪热量。当积雪厚度为6cm、积雪密度为420kg/m3、加热功率为230W/㎡、光伏板倾角为18°时，每升高1℃的环境温度，待融阶段中光伏板表面温度提升速率增加约0．119℃/min，待融时间缩短约6分钟，光伏板表面温度曲线上的坡峰温度升高约0．093℃，融化阶段中的温度升高约0．0069℃，融化时间缩短约11分钟，除雪时间缩短约17分钟，因此，环境温度对光伏板自动加热除雪具有重要影响。测试工况见表1（6～10）测试工序。

3.4 加热功率对除雪性能的影响

加热功率即是光伏板通电后产生的热能量，加热功率的大小直接影响到雪层各部位的热量传递速率和散热性能，当积雪厚度为6cm、积雪密度为420kg每m3、光伏板倾角为18度时，每增加10W的加热功率，待融中的光伏板的表面温度提升速率约0．043/min，待融时间缩短约4分钟，光伏板表面温度曲线上“坡峰温度”升高约0．094℃，融化阶段的融化温度升高约0．064℃，融化时间缩短约4分钟，除雪总时间受加热功率的影响较大，加热功率的大小直接决定积雪融化时间长短。测试工况见表1（11-15）测试工序。

3.5 倾斜角度对除雪性能的影响

光伏板倾斜角度决定积雪下滑力度，根据积雪在光伏板上的受力分析，增大光伏板倾斜角度，能增大积雪沿光伏板平行方向的分力（有利于积雪下滑的拉力），同时减小积雪沿光伏板垂直方向的压力，从而减小阻碍积雪下滑的摩擦力，达到促进积雪下滑的作用。为要使积雪在不受外力的作用下滑出光伏板，必然存在一个最小的倾斜角度，光伏倾斜角度必须大于最小倾斜角度，通过实验得出在5小时内从通电加热的光伏板上滑落而下的最小倾斜角为14度。当积雪密度为6cm，加热功率为200W/㎡、环境温度为-6℃时，光伏板倾斜角每增加1度，则除雪时间减少4min。由此得出结论，除雪时间随着光伏板倾斜角度的增大而减少，受光伏板倾角的影响不大。测试工况见表1（16～20）测试工序。

表1 测试工况

4 总结

本文提出了由于光伏板内硅电池片的p-n结构，光伏板硅电池即可作为发电单元，也可以作为负载。当太阳光线射在光伏板硅电池上，这时光子被电池板吸收，即光生伏特效应。光伏电池将太阳光能转换成电能，可给直流负载供电，此时光伏电池相当于发电电源。夜间，光伏电池不会产生光伏效应，在光伏电池两端加一定的正向电压时，不能超过光伏组件本身的额定电压，电池内部可形成稳定的单向导通电流，且电流的大小随着电压的增大而增大，此时，光伏板电池相当于负载，光伏板自动加热技术是利用这个可逆原理。在光伏板自动除雪装置中，光伏组件作为负载，在其两端加额定的正向电压，光伏发电系统是整体回路，产生单向导通电流，由于硅电池p-n结能级差以及半导体区电阻的存在，当电流通过时会在光伏组件半导体区域产生一定的热量，从而使光伏板表面温度升高，光伏板上的冰膜融化。施加的正向电压越大，电流越大，光伏板上产生的热量也越大。加热时融化的雪水相当于润滑剂，促使整个积雪从倾斜的光伏板滑落下来，从而达到一次性除雪的目的。

利用传热学和力学原理，光伏板加热通电前，光伏板及积雪的初始温度约等同于环境温度，光伏板通电加热后，光伏板表面和背面温度均随加热时间的推移而上升。在加热过程中，表面和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，温度上升速度随着时间的推移而不断下降，直至温升速度几乎为零，温度基本保持稳定，表明积雪具有保温性能。

当光伏板表面温度上升到0℃以上的某个值时，存在一个峰值，到达峰值前，光伏板表面温度上升较快，到达峰值后，温度上升速度骤减至零，并发生小幅度的下降，此后温度基本保持稳定，因此，光伏板上表面温度曲线上的峰值相当于一个分水岭，也是光伏板上的积雪发生相变时的分界点。所以将光伏板上积雪融化过程分为两个阶段——待融阶段和融化阶段。

我们将理论计算结果与实际实验结果进行参照对比，验证理论依据的可行性和实验结果的可靠性。并在上汽大众江苏省仪征工厂和南京工厂光伏电站作为试验，2018年1月江苏省遭受大雪期间应用成功。《光伏板自动化雪装置以及控制方法》于2018年9月18日已获得发明专授权，并荣获2018年中国工业设计研究院创新设计大奖赛优秀创新设计产品奖（国家级）。