粉尘对太阳能利用的影响C..docx

1、粉尘对太阳能利用的影响甘肃省光伏重点实验室甘肃省科学院自然能源研究所摘要： 太阳能利用产品是利用太阳能光辐射转换成电能或者热能的，由于自然环境中的粉尘和污染物附着或者沉积在太阳能产品受光面时，将会影响阳光的射入导致太阳能利用效率下降。 本研究采用两种不同的方法试验粉尘附着在透光玻璃和反射镜面时对太阳辐射透过性能和反射性能的影响， 量化分析研究粉尘对太阳能产品效率的影响程度，为各种太阳能利用工程提供可参考的数据。关键词： 太阳能，粉尘，转换效率，影响0 引言粉尘根据粒径大小可分为飘尘和降尘， 对太阳能利用的影响主要是指降尘，也就是大气中粒径大于 10um的固体颗粒，由于重力作用可在较短时间内沉降

2、到地面。 而几乎所有太阳能产品都是置于户外环境中，因此很容易受到降尘的影响。1 测试试验系统1.1 试验原理本研究通过利用高透光钢化玻璃和普通镀银反光镜作为试验载体，采用 2 台高灵敏度进口太阳能辐射仪测试钢化玻璃在保持干净和自然粉尘积累状态的透光性能， 用另外两台太阳能辐射仪测试镀银镜面在保持干净和自然粉尘积累状态对太阳光的反射性能， 通过对比干净和粉尘积累状态下的测试数据， 分析粉尘对钢化玻璃透光性和镜面反射性能的影响。1.2 试验模型1.2.1粉尘对玻璃透光性能的影响的模型在粉尘对玻璃透光性能的影响试验中，用木板材料制作一个无盖的 0.6m*0.3m*0.05m 长方体模型，选取一块儿

3、0.6m*0.3m 的钢化玻璃作为长方体模型的上表面，中间用一块儿木板将玻璃等分为0.3*0.3的两部分，太阳能辐射探头分别安装在模型内部等分后两部分玻璃的几何中心位置，辐射探头引出数据线置于模型外面方便连接辐射仪表。1.2.2粉尘对镜面反射性能的影响的模型制作一块儿 1m*1m*0.2m的木质试验台，将一片0.8m*0.4m 的普通镀银反光镜用一条红线等分为0.4m*0.4m 的两部分固定在试验台的几何中心，两个能辐射探头分别安装在两个半球形塑料模具的内部，塑料模具的内表面涂黑防止漏光，再将装有探头的模具固定在试验台的一侧，保证两个探头分别对准等分后两部分反光镜的几何中心位置。1.3 试验方

4、法此次试验地点选择在中国兰州市，在市中心的楼顶选择一片空旷的区域，将两个试验模型置于自然条件下，保证两个模型的四个探头在中午 1 点时分能够完全接收到太阳光的辐射。将每个模型的两个探头分别用 1 和 2 标注用于区别读数。实验之前先用干净的抹布将四个探头表面轻轻的擦干净，并且将钢化玻璃和镀银反光镜的外表面也擦干净。 实验开始后在每天中午的 12 点 45 分先用干净的抹布清理干净两个 1 号探头对应的玻璃和反光镜面，两个 2 号探头对应的玻璃和反光镜面保持在自然积灰状态下，在 12 点 50 分将四个辐射表和四个探头的数据线分别连接好，等待读书趋于稳定后在 1 点整开始读数并记录，连续测试共采

5、集了32 天的实验数据。以粉尘自然累积的天数作为量化指标来进行测试，观察粉尘积累的情况和对光透过性和光反射性的影响。采样设施如图 1 和图 2 所示。图 1 检测阳光穿透玻璃盖板示意图图 2 检测阳光镜面反射示意图2 粉尘对太阳辐射的影响大气中的粉尘主要由尘粒，粉尘，烟尘，烟雾，粉末，砂石等构成。而粉尘对太阳辐射的影响主要是吸收、散射和反射三个方面。当太阳辐射照射到粉尘时， 粉尘本身会吸收一部分辐射转光成热能。 粒径较大的尘粒和砂石会直接反射太阳光。粒径较小的粉尘，烟尘，粉末对太阳光主要起散射作用， 大气中粉尘对太阳光的散射作用不像大气中气体那样只会散射紫、蓝、青三色光，由于粉尘粒径的大小差别

6、比较大，因此粉尘对太阳光的散射作用比较复杂。2.1 粉尘对太阳辐射的吸收作用自然界中的大多数物质都能够吸收太阳能， 粉尘也不例外， 太阳光在传播过程中， 不管粒径大小都能够选择性的吸收太阳辐射中波长较大的红外线部分和可见光中的红、 黄色光，主要转换成自身的热能。2.2 粉尘对太阳辐射的反射作用当太阳光照射到粉尘中粒径相对很大的的尘粒和砂石的表面时，粉尘会将照射到它上面的太阳辐射沿一定角度返回大气中， 这种反射是没有选择性的。2.3 粉尘对太阳辐射的散射作用当太阳辐射在传播的过程中遇到的粉尘粒径比波长小时， 辐射中波长越短的部分散射的越严重， 波长越长的部分散射程度越小， 此时太阳辐射中的蓝、绿

7、、紫光和紫外线部分散射更严重，这是一种有选择性的散射作用。 当太阳辐射在传播的过程中遇到的粉尘粒径比波长大时，则辐射的各种波长部分全部被散射， 这种散射作用是没有选择性的。3 降尘对钢化玻璃透光性能的影响本实验研究的是附着在钢化玻璃外表面的粉尘对玻璃透光性的影响，而不考虑大气中的粉尘造成的影响。 由于实验地点没变并且在同一个季节，因此在本实验周期内降尘成份和各成份的比例关系基本不变。通过分析粉尘对玻璃透光性能的影响的实验结果，对比观察钢化玻璃在干净和积灰状态下的实验数据可发现，测试的前两天降尘对玻璃的透光性能几乎没影响， 第三天到第五天对玻璃透光性能的影响急速增大，之后的测试天数中对玻璃透光性

8、能的影响趋于稳定，并且下降的幅度近似成线性比例关系。 由此得出的结果是平均每天降落在钢化玻璃表面的粉尘对阳光透射的影响是每天下降0.38 ，在普通晴朗季节，玻璃表面一个月积累的粉尘将会导致当天的太阳光辐射损失达到 11.5 ，按照这个曲线规律，若不及时清理玻璃表面的粉尘，随着粉尘积累量的增加损失的太阳辐射还会继续增加，如图3 所示。实测证明，在兰州地区粉尘对太阳能器件外表面的透光性能的影响是比较大的。若遇沙尘天气， 粉尘对太阳能产品的透光性能的影响将会急剧增加。钢化玻璃表面的降尘导致平均每天损失的 0.38 的太阳辐射主要是由附着在玻璃表面的粉尘对太阳辐射的吸收、 反射、和散射作用造成的。从太

9、阳光谱图我们知道波长靠近红光的光所含热能比较大， 波长靠近紫光的光所含热能比较小， 当太阳辐射照射在钢化玻璃表面附着的粉尘时，一部分红外线和可见光部分的红， 黄色光会被粉尘颗粒吸收而转变成自身的热能。 这就是附着在玻璃表面的粉尘颗粒吸收辐射的部分热量造成对太阳辐射的消减作用。太阳光是沿直线传播的， 但当太阳辐射碰到附着在钢化玻璃表面直径比太阳辐射波长大很多且表面相对光滑的粉尘时， 辐射原来传播的方向会发生改变， 反射光线的方向可根据光线的反射定律知道， 一般发生反射后的光线不可能直接穿透钢化玻璃。 反射作用也会使直射到玻璃的太阳辐射产生损失。由于附着在钢化玻璃表面的粉尘的粒径大小不同，根据粉尘

10、对不同波长太阳辐射的影响特点， 粒径大于辐射波长的粉尘可以使所有波长的辐射全部发生散射作用， 而粒径小于辐射波长的粉尘对辐射中波长越小的部分散射作用越严重，而对波长越大的部分散射作用越小。由此可见，由附着在玻璃表面的粉尘的散射作用引起的太阳辐射的损失中波长较大的红外线和可见光部分的红、黄光占的比例较小， 而波长较小的紫外线和可见光部分的绿、蓝光所占比例较大。由于附着在玻璃表面的粉尘颗粒层层排布，因此发生反射作用后的辐射有一部分又可以发生散射作用，本来反射后无法穿透玻璃的辐射有一部分又有可能穿透玻璃， 而发生散射后的辐射也有一部分还可以发生二次散射或反射， 当玻璃表面的降尘越多时这种反射和散射的

11、交替作用越明显。） 14（率响 12影尘粉1086420051015202530天数（天）图 3 粉尘对玻璃透光性能的影响典型实测数据4 粉尘对镀银镜面反射性能的影响由于反射镜面的物理结构和太阳光线的路径等因素， 附着在反射镜表面的粉尘影响反射镜对太阳光的反射效果比透射影响要严重的多。由图 4 可以看到，太阳直射光线须2 次穿透粉尘层才能达到目标，光线经过反射镜的整个传播要更复杂，并且光线在反射后穿透粉尘和空气界面时还会发生漫反射。图 4 太阳光线的反射路径及粉尘的影响通过对比分析粉尘对镜面反射性能的影响的实验数据， 发现实验数据的变化规律和玻璃投射性能的实验数据的变化规律几乎一致， 平均每天

12、降落在镀银反光镜面的粉尘对太阳光反射性能的影响是平均每天下降 0.73 左右，下降幅度近似成线性比例关系。一个月积累的粉尘将会使当天的太阳光反射量的 22损失掉，若不及时清理反射镜表面的粉尘损失还会继续增加，如图 5 所示。附着在镀银反射镜表面的粉尘对直射到反射镜表面的太阳辐射的削减作用由吸收、反射、散射和漫反射四个方面造成的。反射镜对太阳辐射的反射作用可分为两部分， 到达反射镜面涂层之前是第一部分，经过反射镜面涂层反射之后是第二部分。 在第一部分中粉尘对太阳辐射的影响和在玻璃透射性能的影响几乎相同， 只是多穿越了一层透光材料但对太阳辐射几乎不受影响， 第二部分可看作是是第一部分的反方向，不过

13、在辐射穿透粉尘和空气界面时发生了漫反射。对比两组实验数据可见， 在反射性能实验中对太阳辐射的消减作用几乎是透射性能实验的两倍， 因此第二部分中漫反射作用对太阳辐射的影响不大。） 30（率响 25影尘粉20151050051015202530天数（天）图 5 粉尘对镜面反射性能影响的典型实测数据5 降尘对光伏和光热的不同影响基于以上两个实验的结果分析可以得出一个结论， 降尘对光伏和光热两个应用领域的影响是不同的。对于光伏应用方面， 太阳能电池板通过太阳辐射产生电能， 而电池板的转换效率与温度成反比， 温度越高光伏效率越低。 由于附着在电池板表面的粉尘， 一方面吸收了一部分热能通过热传递作用容易使电池板内部温度升高使光伏效率降低， 另一方面粉尘有选择性的散射作用使一部分热能含量较低的绿、 蓝光和紫外线无法到达电池片表面使光伏效率降低。由于太阳能热发电系统通常采用大型反射镜聚光系统， 不仅需要当地太阳能辐射资源丰富， 更要求太阳直射辐