风沙环境下光伏板表面风荷载及积尘仿真研究

发布时间：2020-06-22 11:23

【摘要】：传统化石能源面临枯竭危险,其所造成的环境污染也越来越严重,寻求新型绿色能源已成为全球共识。太阳能光伏发电拥有无污染、可持续等传统能源无法比拟的优点,因此获得了广泛关注并得以快速发展。荒漠化地区是发展大型光伏电站的优势区域,但风沙环境中沙尘沉积和冲击对光伏发电量预测和光伏电站安全运行存在严重影响,对其相关科学问题的研究仍有着很多不足。因此,本文借助流体动力学仿真方法分别模拟分析了光伏电池板表面及周围的流场结构和光伏电池板表面沙尘冲蚀和沉降规律。主要研究内容和结果如下:首先,基于DPM模型分析了风速、颗粒粒径恒定时不同安装倾角光伏板表面及其周围流场结构,讨论了不同安装倾角光伏电池板对来流风速的放大作用,及其对光伏板的冲蚀规律,结果表明:(1)夹沙气流作用下光伏板表面的风压系数大于净风条件下的对应值,且随着光伏板安装倾角的变化,风压系数发生明显改变,压力中心逐渐上移到达板面中心位置;(2)随着光伏板安装倾角的增加,沙尘颗粒对光伏板的冲蚀面积逐渐增加,并分散在整个光伏板面,且沙尘颗粒对板面的最大冲蚀率和总冲蚀率均近似幂指数型增加。其次,讨论了不同条件下光伏板表面沙尘沉积率的变化规律,结果表明:(1)不同风速、不同沙尘体积浓度来流作用下,倾斜板面上沉积的沙尘颗粒分布并不均匀,沿板面向上呈现分层现象,这意味着在积尘影响下光伏板的各栅光伏模块发电效率将存在差异,这必将导致光伏板出现大型“热斑”现象;(2)当光伏板倾角和来流风速固定时,随着空气中夹杂颗粒粒径的增加,沙尘沉积量呈指数增加趋势;当粒径和倾角固定时,随着风速增加,小颗粒在光伏板表面的沉积量增加很少,大颗粒呈现线性增加趋势;(3)光伏板表面沙尘沉降量随着来流中沙尘颗粒体积分数的增加而逐渐增加,随着光伏板倾角的增加而先增大后减小,在倾角为35°时达到最大值;(4)光伏板的倾角会影响其表面最大沙尘沉积量所在的位置,且倾斜角小于30°时板面上部积尘最多;倾角超过30°时随着其倾角的增加,最大积尘位置由板面下部逐渐上移;(5)光伏板表面沙尘沉积量越大,玻璃板光透过率越小;颗粒粒径越大,玻璃板光透过率越小。最后,利用积尘玻璃板的光透过率模型,讨论了以上不同工况环境下积尘对光伏电池透光率的影响。结果表明:随着沙尘沉积量增大,其对光伏电池透光率影响愈加显著,当光伏板表面积尘量一定时,沉积物粒径越大,光伏玻璃板的透光率越好。上述研究结果可以为光伏电站安全运行、光伏电池板的结构设计以及光伏电池板除尘技术提供理论和设计依据。
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615
【图文】：

光伏电池,板图

逦第一章绪论逡逑伏板上的沙粒还会影响光伏电池板表面热量向外传递，使板面自身热量得不到释放，从而直接影逡逑响光伏电池的发电效率［Ｍ］。图１－３为西北某光伏电站表面有大量沙尘沉降的光伏电池板。逡逑ＨｉＳＳｌｆｌＨＫ逡逑图１－２受损光伏电池板图逦１－３沙尘沉降后光伏电池板逡逑近几年随着人们对灾害性环境的重视，越来越多的学者利用新兴的计算流体数值仿真软件对逡逑环境污染、风沙运动等问题进行仿真预测但是关于风沙环境对光伏电池板影响的研究相对逡逑较少。对风沙环境下光伏板的风载荷和风沙沉积过程进行准确的量化研究，可为荒漠化地区光伏逡逑电站的设计施工、光伏发电量的准确预测提供指导。逡逑１．２国内外研究现状逡逑１．２．１积尘对光伏电池发电效率影响的研究现状逡逑在各国政府的大力支持下，光伏产业进入快速发展阶段。光伏发电系统通过光伏电池将光能逡逑转化为电能，而光伏电池工作原理是基于半导体ＰＮ结的光生伏特效应。如何准确预测光伏发电逡逑量，了解影响光伏发电量的因素显得尤为重要。太阳能电池的出力特性取决于ＰＮ结实际接受的逡逑太阳辐射强度及其自身温度［ｎ］。处于荒漠化地区的光伏板势必会受到积尘的影响，主要表现在：逡逑１）沉积在光伏板表面的沙尘会遮挡入射光，降低光伏板接受太阳辐射强度；２）附着在光伏板表逡逑面的灰尘会阻挡热量向外传递

微观形貌,沙粒,微观形貌,粒径

逦（ｂ）邋１２５）ｉｍ＜粒径＜２５0ｎｍ显微图像逡逑图２－１粒径＜２５０叫１地表沙粒微观形貌特征丨逡逑图２－１是沙漠地表粒径小于２５0ｎｍ的沙粒显微图像。通过图像可以看出大多数沙粒呈现表面逡逑不光滑、磨损严重、表面凹凸不平且带有锋利棱角的多边形和楠圆形。粒径越小透明的沙粒越多，逡逑这意味着基于传统理论所得颗粒对太阳辐射强度的衰减存在过高估计的问题。同时，沙粒颜色分逡逑布较广泛，有黄色、褐色、白色、晶体透明色、黑色等，这些性状也会影响其对太阳辐射的衰减逡逑程度。逡逑２．２沙粒的光学性质逡逑空中沙尘颗粒对太阳辐射有散射和吸收作用。严重情况下显著降低了地表太阳辐射强度，从逡逑而影响光伏发电量。部分沙粒受重力、湍流作用沉降在光伏电池板上，阻挡光伏板的有效太阳辐逡逑射强度。另外，沙尘天气中含有很多有害浮尘易与沙粒吸附，并粘附到光伏板表面上。当空气中逡逑水分较大时，容易发生化学反应［１２］，生成吸附性更强的物质，增加了对干沉降颗粒物的擦除难度，逡逑同时粘附的颗粒物同样会对太阳辐射产生遮挡

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