摘 要：為提升光伏發(fā)電效率，以本校YL250P-29b型多晶硅太陽(yáng)電池封裝組成的光伏組件串聯(lián)而成的光伏陣列為研究對(duì)象，建立光伏組件溫度數(shù)值模型。通過(guò)對(duì)比人工積灰試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，驗(yàn)證了該數(shù)值模型的合理性。以此模型為基礎(chǔ)，模擬分析風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度、積灰密度對(duì)光伏組件溫度的影響；依據(jù)光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的經(jīng)驗(yàn)公式，探究了上述環(huán)境因素對(duì)光伏組件輸出特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率與風(fēng)速之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與輻照度、環(huán)境溫度、積灰密度之間為正相關(guān)關(guān)系；光伏組件輸出功率與環(huán)境溫度和積灰密度之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速和輻照度之間為正相關(guān)關(guān)系。在該文的研究范圍內(nèi)，各環(huán)境因素與光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)聯(lián)順序均為：環(huán)境溫度gt;輻照度gt;風(fēng)速gt;積灰密度，與輸出功率的關(guān)聯(lián)順序?yàn)椋狠椪斩萭t;積灰密度gt;環(huán)境溫度gt;風(fēng)速；環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏組件溫度也升高約1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率分別下降約0.06%和0.4%；積灰使光伏組件溫度下降，光電轉(zhuǎn)換效率升高，但會(huì)極大降低光伏組件的輸出功率。

關(guān)鍵詞：光伏組件；光電轉(zhuǎn)換效率；輸出功率；環(huán)境因素；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

使用可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的必然選擇［1］。太陽(yáng)能是中國(guó)可再生能源體系的重要組成部分。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率與光伏組件溫度關(guān)系密切［2］。研究表明，光伏組件溫度對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率有負(fù)面影響：光伏組件溫度每升高1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率將下降約1%和0.3%［3］。當(dāng)風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度、積灰密度等環(huán)境因素變化時(shí)，會(huì)影響光伏組件溫度和輸出特性［4-6］。因此，探究上述環(huán)境因素對(duì)光伏組件溫度和輸出特性的影響規(guī)律，對(duì)提高太陽(yáng)能利用率、增加光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率和光伏系統(tǒng)的發(fā)電量有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏組件溫度及輸出特性展開(kāi)了諸多研究：在試驗(yàn)研究方面，Goverde等［7］進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究大風(fēng)環(huán)境下光伏組件溫度的變化情況，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：輻照度為1000 W/m2且風(fēng)速分別為3、5、10 m/s時(shí)，光伏組件溫度分別降低11、16和21 ℃；Firoozzadeh等［8］在光伏組件背板加裝鋁制翅片，并在其最高工作溫度為85 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加裝翅片后光伏組件溫度最多可降低7.4 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率提高2.7%；于佳禾等［9］在某山地光伏電站進(jìn)行試驗(yàn)，研究光伏組件溫度變化規(guī)律，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)速較高的情況下，光伏電站內(nèi)的組件溫度主要受環(huán)境溫度的影響；山地條件下，光伏電站內(nèi)不同區(qū)域的風(fēng)速差異較大，這會(huì)導(dǎo)致不同地點(diǎn)的光伏組件出現(xiàn)溫差； Chanchangi等［10］調(diào)查研究積灰對(duì)4種不同類(lèi)型太陽(yáng)電池（碲化鎘、非晶硅、多晶硅、單晶硅）封裝而成的光伏組件的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：自然積灰1 a后，4種光伏組件的輸出功率分別損失70%、69%、79%和78%。在數(shù)值模擬方面， Siddiqui等［11］建立融合光伏組件電氣性能的瞬態(tài)傳熱模型，模擬結(jié)果顯示：組件溫度上升，光電轉(zhuǎn)換效率將下降； 肖雷等［12］利用CFD方法研究光伏陣列在不同風(fēng)速下的溫度分布，結(jié)果顯示：風(fēng)速會(huì)直接影響光伏陣列的溫度分布，風(fēng)速越高，光伏組件散熱效果越好； 孟炎等［13］利用ANSYS軟件模擬了交變溫度下的光伏組件的瞬態(tài)傳熱過(guò)程，最終發(fā)現(xiàn)：隨著環(huán)境溫度的升高，光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率線性下降，環(huán)境溫度變化越劇烈，光電轉(zhuǎn)換效率下降速度越快。

目前，針對(duì)光伏組件的溫度和輸出特性的研究中，大多僅考慮了單一環(huán)境因素的影響，并未考慮多種環(huán)境因素耦合下的情況；且采用試驗(yàn)研究時(shí)，周期較長(zhǎng)、受環(huán)境影響較大。而采用多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL進(jìn)行模擬研究時(shí)，研究周期短、成本低、便于分析單一環(huán)境因素和多種環(huán)境因素變化時(shí)對(duì)光伏組件溫度的影響規(guī)律，可彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的不足。

因此，本文利用COMSOL軟件模擬并對(duì)比分析清潔與積灰狀態(tài)下風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度對(duì)光伏組件溫度的影響；依據(jù)光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的經(jīng)驗(yàn)公式，探究上述諸多因素對(duì)光伏組件輸出特性的影響規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型及控制方程

光伏組件與外部環(huán)境的熱量交換過(guò)程是流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合作用的結(jié)果。因此，在模擬時(shí)主要使用COMSOL Multiphysics軟件中的流場(chǎng)模塊和溫度場(chǎng)模塊。

1.1 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及控制方程

模擬時(shí)將流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的氣體設(shè)置為空氣，且將其視為不可壓縮黏性流體。此外，空氣流經(jīng)光伏組件表面的過(guò)程為外部湍流流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生湍流脈動(dòng)，因此選取RANS k-ε模型模擬光伏組件外部的空氣流場(chǎng)［14-15］。其控制方程為：

[ρa(bǔ)ir（u?▽?zhuān)﹗=▽?[-pI+（μair+μT）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ▽u+（▽u）T-23ρa(bǔ)irkI+F▽?u=0ρa(bǔ)ir（u?▽?zhuān)﹌=▽?μair+μTσk▽k+pk-ρa(bǔ)irερa(bǔ)ir（u?▽?zhuān)│?" " " " ▽?μair+μTσε▽?duì)?Cε1εkpk" " " " " " " "-Cε2ρa(bǔ)irε2kμT=ρa(bǔ)irCμk2εpk=μT▽u：▽u+（▽u）T] （1）

式中：[ρa(bǔ)ir]——空氣密度，kg/m3；[u]——流場(chǎng)速度，m/s；[I]——主應(yīng)力張量，Pa；[μair]——空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；[μT]——湍流動(dòng)力黏度，Pa·s；[k]——湍流動(dòng)能，m2/s2；[F]——體積力，N/m3；[σk]、[σε]、[Cε1]、[Cε2]——湍流模型參數(shù)；[pk]——湍動(dòng)能源項(xiàng)，W/m3；[ε]——湍流耗散率，m2/s3；[Cμ]——黏度系數(shù)。

1.2 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及控制方程

自然環(huán)境下的光伏組件會(huì)從太陽(yáng)輻射和周?chē)h(huán)境中吸收能量，同時(shí)也會(huì)通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱這3種方式釋放能量。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)光伏組件溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，其吸收和釋放的能量將形成平衡［16］。模型構(gòu)建時(shí)假設(shè)光伏組件的性能參數(shù)都是各向同性的，與溫度無(wú)關(guān)。溫度場(chǎng)控制方程為：

[qsun=qconv+qcond+qrad-n?qsun=Spvqconv=ρa(bǔ)ircpu?▽Tpvqcond=-k′▽Tpvn?qrad=εpvσ（T4pv-T4amb）] （2）

式中：[qsun]、[qconv]、[qcond]、[qrad]——光伏組件從外界接收到的熱通量、與周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱熱通量、表面向內(nèi)部的導(dǎo)熱熱通量、表面與周?chē)h(huán)境的輻射熱通量，W/m2；[n]——朝向環(huán)境中的法向量；Spv——光伏組件表面太陽(yáng)輻照度，W/m2；[cp]——流體比熱容，J/（kg·K），m/s；[Tpv]——光伏組件溫度，K；[Tamb]——環(huán)境溫度，K；[k′]——光伏組件導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?K）；[εpv]——光伏組件表面的發(fā)射率；[σ]——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.68×10-8 W/（m2?K4）。

2 光伏組件溫度數(shù)值模型與模擬方法的合理性驗(yàn)證

本節(jié)將介紹光伏組件人工積灰試驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)比人工積灰試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，驗(yàn)證光伏組件溫度數(shù)值模型與模擬方法的合理性。

2.1 人工積灰試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

利用安裝于本校燃燒實(shí)驗(yàn)室屋頂?shù)墓夥嚵羞M(jìn)行人工積灰試驗(yàn)，光伏陣列由3塊YL250P-29b型多晶硅太陽(yáng)電池封裝組成的光伏組件串聯(lián)而成，安裝傾角為45°，如圖1所示。人工積灰試驗(yàn)中所需其他儀器見(jiàn)表1。

2.1.2 試驗(yàn)方案

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)光伏組件表面與背面的溫度同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。由于重力作用，灰塵顆粒主要分布于光伏組件表面下部，光伏組件中上部溫度與其整體溫度較為接近。因此，溫度測(cè)點(diǎn)布置于每塊光伏組件斜對(duì)角上，如圖2所示，其中實(shí)心點(diǎn)為熱電偶測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程中，利用數(shù)據(jù)采集器連接熱電偶線對(duì)3塊光伏組件表面與背面的溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

在實(shí)際環(huán)境中，光伏組件表面與背面溫度非常接近，溫差約1 ℃［17］，故在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中取B、E、H、A′、B′、D′、E′、G′、H′共9個(gè)點(diǎn)的溫度平均值作為光伏組件溫度。

以之前進(jìn)行過(guò)的自然積灰試驗(yàn)［18］中的單塊光伏組件積灰量為基準(zhǔn)，按近似約1、2、3、4、7、10、13的倍數(shù)關(guān)系確定本試驗(yàn)中單塊光伏組件表面的布灰質(zhì)量分別為1.9、3.8、5.7、7.6、13.0、19.0、25.0 g。單塊光伏組件的有效面積為1575 mm×950 mm，經(jīng)計(jì)算可得單塊光伏組件表面的積灰密度分別為1.270、2.540、3.810、5.079、8.688、12.700、16.710 g/m2。

為保證人工積灰試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，根據(jù)MS3000馬爾文激光粒度分析儀對(duì)光伏組件表面自然沉積試驗(yàn)中灰塵粒度的分析結(jié)果［19］，選取了化學(xué)成分和粒徑分布與自然積灰接近且易大量獲得的電站煤粉作為試驗(yàn)用灰。

人工積灰的試驗(yàn)時(shí)間為每天12：00—13：00。試驗(yàn)前，利用靜電吸附紙擦除光伏組件表面的積灰以使其處于清潔狀態(tài)，并測(cè)量此狀態(tài)下光伏組件溫度；再利用電子天平稱(chēng)取等質(zhì)量灰塵3份，布撒在3塊光伏組件表面使其處于積灰狀態(tài)，按上述布灰步驟依次完成各積灰密度下光伏組件溫度的測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)條件下的光伏組件溫度數(shù)值模擬

2.2.1 物理模型建立及網(wǎng)格劃分

模擬時(shí)，在COMSOL軟件中構(gòu)建一個(gè)6.5 m×4.0 m×2.5 m的長(zhǎng)方體作為計(jì)算域，以保證空氣流動(dòng)能充分發(fā)展；在計(jì)算域中根據(jù)光伏組件尺寸構(gòu)建物理模型，如圖3所示。光伏組件表面使用加密的自由三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，其他實(shí)體域采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行剖分。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)約為135萬(wàn)時(shí)，能較好地滿足計(jì)算精度和時(shí)間的要求。

2.2.2 單值性條件設(shè)置

計(jì)算域內(nèi)的空氣在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的動(dòng)力粘度等參數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)［20-21］計(jì)算得到；光伏組件四周邊框設(shè)置為鋁合金，表面設(shè)置為玻璃。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

物理場(chǎng)邊界條件具體設(shè)置如圖3所示。流場(chǎng)模擬采用速度入口、壓力出口。為使流域不受其余壁面條件的影響，將剩余的4個(gè)壁面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件。風(fēng)速、環(huán)境溫度、濕度均根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

在溫度場(chǎng)中，將投射到光伏組件表面的太陽(yáng)輻照度設(shè)定為恒定熱流密度，其大小按試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。在進(jìn)行積灰狀態(tài)下的模擬時(shí)，需考慮積灰對(duì)透光率的影響。眾多研究表明：積灰密度對(duì)光伏玻璃透光率的影響趨勢(shì)是一致的，即隨著積灰密度的增加，光伏玻璃透光率會(huì)降低到一個(gè)飽和值，二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式受灰塵的粒徑分布影響較大。其中官艷玲等［22］進(jìn)行了光伏組件覆灰試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出透光率與積灰密度的關(guān)系式如式（3）所示，其試驗(yàn)中直徑小于54 μm的灰塵顆粒占顆粒總數(shù)的91%，粒度分布與本文基本一致。

[γg=γ0[1-0.0884?ln（Rad+0.92）]] （3）

式中：[γg]——玻璃表面的透光率；[γ0]——清潔狀態(tài)下玻璃表面的透光率，取1；[Rad]——積灰密度，g/m2。

光伏組件表面和背面與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，設(shè)置為第3類(lèi)邊界條件。對(duì)流換熱過(guò)程遵循牛頓冷卻定律，見(jiàn)式（4）。對(duì)流換熱系數(shù)可根據(jù)特征數(shù)方程求得，見(jiàn)式（5）。本文試驗(yàn)環(huán)境為空氣湍流流動(dòng)且光伏組件周?chē)幸欢ńㄖ蜆?shù)木遮擋，根據(jù)Sartori［23］的研究結(jié)果，此種環(huán)境下系數(shù)[C2=5.74]，[m=0.8。]

[qn=hTPV-Tamb] （4）

[h=C1RemLPrnk′L=C2vmLm-1] （5）

式中：[h]——對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[Re]——雷諾數(shù)；[Pr]——普朗特?cái)?shù)；[v]——風(fēng)速，m/s；[L]——特征長(zhǎng)度，在本文中[L]指光伏組件的長(zhǎng)度，m；[C1]、[C2]、[m、n]——通過(guò)試驗(yàn)確定的系數(shù)。

根據(jù)式（4）和式（5）可得對(duì)流換熱密度隨風(fēng)速的變化情況為：

[?q?v=?q?h·?h?v=4.592TPV-TambL-0.2v0.2gt;0?2q?v2=-0.9184TPV-TambL-0.2v1.2lt;0] （6）

除對(duì)流換熱外，光伏組件還與外部環(huán)境進(jìn)行輻射換熱，故模擬時(shí)將光伏組件表面與背面均設(shè)置為灰體，空間溫度設(shè)為環(huán)境溫度。相關(guān)材料的反射率、輻射率、吸收率如表3所示。

2.3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

將清潔狀態(tài)和積灰狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行計(jì)算。模擬與試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4a計(jì)算得清潔狀態(tài)下試驗(yàn)值與模擬值之間的相對(duì)誤差最大為15.02%，最小為2.21%，平均相對(duì)誤差為9.93%。根據(jù)圖4b計(jì)算得積灰狀態(tài)下試驗(yàn)值與模擬值之間的相對(duì)誤差最大為16.27%，最小為2.59%，平均相對(duì)誤差為7.97%。綜上，兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)誤差均在工程誤差的允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了所建模型及模擬方法的合理性。

3 光伏組件溫度數(shù)值模擬及光電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算

光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，其定義式為：

[η=FF?Isc?VocγgSpvApv] （7）

式中：[η]——光電轉(zhuǎn)換效率；[FF]——填充因子；[Isc]——短路電流，A；[Voc]——開(kāi)路電壓，V；[Apv]——光伏組件的有效面積，m2。

太陽(yáng)電池電流方程為［24］：

[I=Iph-I0expV+IRsndVth-1-V+IRsRsh" " =γgφ-I0expqV+IRsndkBTPV-1-V+IRsRshIph=γgSpvSref·MMrefIph，ref+αIscTPV-TrefI0=I0，refTPVTref3exp1kBEg，refTref-Eg，PVTPVEg，PVEg，ref=1-0.0002677TPV-Tref] （8）

式中：[I]——輸出電流，A；[V]——輸出電壓，V；[Iph]——光生電流，A；[I0]——二極管反向飽和電流，A；[Eg]——材料帶隙寬度，eV；[Rs]——等效串聯(lián)電阻，Ω；[Rsh]——等效并聯(lián)電阻，Ω；[nd]——二極管理想因子；[kB]——玻爾茲曼常數(shù)；[M]——空氣質(zhì)量系數(shù)；[αIsc]——二極管溫度系數(shù)；角標(biāo)ref、PV——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件和實(shí)際工況。

由式（8）可知，組件溫度[TPV]、輻照度[Spv]和透光率[γg]會(huì)影響太陽(yáng)電池的I-V特性，當(dāng)太陽(yáng)電池的I-V特性發(fā)生變化時(shí)，短路電流[Isc]、開(kāi)路電壓[Voc]以及填充因子[FF]的大小都會(huì)發(fā)生改變，最終影響光電轉(zhuǎn)換效率。眾多研究表明，對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率影響最大的是光伏組件溫度。光電轉(zhuǎn)換效率和光伏組件溫度的關(guān)系式為［25］：

[η=ηref[1-βref（TPV-Tref）]] （9）

式中：[βref]——光伏組件的溫度系數(shù)。

3.1 清潔狀態(tài)下環(huán)境因素對(duì)光伏組件溫度及光電轉(zhuǎn)換效率影響分析

3.1.1 風(fēng)速對(duì)光伏組件溫度及光電轉(zhuǎn)換效率的影響

風(fēng)速會(huì)影響光伏組件與空氣間的對(duì)流換熱過(guò)程，進(jìn)而影響其溫度和光電轉(zhuǎn)換效率。圖5為光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率隨風(fēng)速的變化情況。

分析圖5可知：風(fēng)速增大時(shí)，光伏組件溫度降低，光電轉(zhuǎn)換效率上升。這是因?yàn)椋猴L(fēng)速增大會(huì)加劇光伏組件與空氣間的對(duì)流換熱過(guò)程，使光伏組件溫度降低，而光電轉(zhuǎn)換效率與光伏組件溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，故光電轉(zhuǎn)換效率上升。此外，環(huán)境溫度一定，風(fēng)速增大時(shí)，輻照度越高，光伏組件溫度的降低速率越快，光電轉(zhuǎn)換效率的上升速率越快。環(huán)境溫度為25 ℃且輻照度為1200 W/m2時(shí)，風(fēng)速由2 m/s增大到8 m/s，光伏組件溫度下降15 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率提高1%。因此在選擇光伏電站的建造地點(diǎn)時(shí)，可選擇風(fēng)速較大的區(qū)域，有利于降低光伏組件溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

3.1.2 輻照度對(duì)光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率的影響

輻照度將影響光伏組件表面接收到的太陽(yáng)能輻射量，進(jìn)而影響光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率。圖6為光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率隨輻照度的變化情況。

分析圖6可知，輻照度增大時(shí)，光伏組件溫度上升，光電轉(zhuǎn)換效率下降。這是因?yàn)椋弘S著輻照度的增大，光伏組件表面接收到的太陽(yáng)能輻射量逐漸增多。此外，環(huán)境溫度增大時(shí)，不同輻照度下光伏組件溫度的變化量均與環(huán)境溫度的變化量一致，即：環(huán)境溫度每增加1 ℃，光伏組件溫度也增大約1 ℃；環(huán)境溫度每升高10 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率均降低約0.6%。

3.1.3 環(huán)境溫度對(duì)光伏組件溫度的影響

環(huán)境溫度將直接影響光伏組件溫度。圖7為光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率隨環(huán)境溫度的變化情況。

分析圖7可知：光伏組件溫度隨環(huán)境溫度的增加而上升。輻照度為900 W/m2時(shí)，光伏組件最高溫度接近60 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，這會(huì)嚴(yán)重影響光伏組件的性能和壽命。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，不同風(fēng)速下光伏組件溫度的變化量均與環(huán)境溫度的變化量一致。隨著風(fēng)速的增大，光伏組件溫度的降幅和光電轉(zhuǎn)換效率的增幅均逐漸減小，光伏組件與環(huán)境的溫差也逐漸減小。結(jié)合式（6）分析可知，隨著風(fēng)速的增大，對(duì)流換熱密度的增長(zhǎng)速率逐漸減小，即對(duì)流換熱效果的增強(qiáng)幅度逐漸降低。

綜合圖6和圖7的分析結(jié)果可知，環(huán)境溫度變化時(shí)，光伏組件溫度的變化量基本不受風(fēng)速和輻照度的影響；在不同的輻照度或風(fēng)速下，光伏組件溫度的變化量與環(huán)境溫度的變化量基本一致。由此可推斷：環(huán)境溫度對(duì)光伏組件溫度的影響最大，二者間有著很強(qiáng)的相關(guān)性。

3.2 積灰狀態(tài)下環(huán)境因素對(duì)光伏組件溫度及光電轉(zhuǎn)換效率影響分析

積灰會(huì)降低光伏組件對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收量，增大光伏組件表面熱阻，進(jìn)而影響光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率。圖8示出了積灰狀態(tài)下光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率隨環(huán)境因素的變化情況。

綜合分析圖8可知，環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，不同積灰密度下的光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率的變化趨勢(shì)與清潔狀態(tài)下相同。

在圖8所示各環(huán)境因素變化范圍內(nèi)，風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度對(duì)光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率的影響均大于積灰密度。積灰會(huì)降低光伏組件溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率。這表明：積灰降低了光伏玻璃透光率使光伏組件接收到的太陽(yáng)輻射量減少，溫度下降；同時(shí)還增大了光伏組件表面熱阻，使其對(duì)流換熱量減少，溫度上升，但前者對(duì)光伏組件溫度的影響更大。這與官燕玲等［22］的研究結(jié)果相同。

此外，隨著積灰密度的增大，光伏組件溫度及光電轉(zhuǎn)換效率的變化量越來(lái)越小。當(dāng)積灰密度≥10 g/m2時(shí)， 光伏組件溫度及光電轉(zhuǎn)換效率變化并不明顯，這是因?yàn)椋河墒剑?）可知，透光率和積灰密度之間為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨著積灰密度的增長(zhǎng)，透光率的降低速率逐漸下降。從宏觀角度分析，積灰量較少時(shí)，大部分灰塵顆粒分布較為均勻，不會(huì)發(fā)生堆疊現(xiàn)象，此時(shí)每個(gè)灰塵顆粒都會(huì)阻擋一部分太陽(yáng)光到達(dá)光伏組件表面，透光率下降明顯；但隨著積灰量的增加，部分灰塵顆粒會(huì)發(fā)生堆疊，而堆疊在一起的灰塵并不會(huì)遮擋額外的太陽(yáng)光，這就導(dǎo)致透光率的下降速率逐漸降低。

分析圖8b可知：輻照度越高，積灰對(duì)光伏組件溫度影響越明顯，當(dāng)輻照度為1200 W/m2且積灰密度為22 g/m2時(shí)，清潔與積灰狀態(tài)下的光伏組件溫差大約為8 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率上升約0.55%。光伏組件一般安裝在輻照度較高的地區(qū)，故積灰對(duì)光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率的影響不可忽略。分析圖8c可知，積灰狀態(tài)下，光伏組件溫度仍與環(huán)境溫度保持著很強(qiáng)的相關(guān)性。

3.3 光伏組件溫度與環(huán)境因素相關(guān)性分析

由3.2節(jié)分析可知，在風(fēng)速、輻照度、環(huán)境溫度、積灰這些因素中，環(huán)境溫度對(duì)光伏組件溫度的影響較大，積灰密度對(duì)其影響較弱。為深入分析不同環(huán)境因素與光伏組件溫度間的關(guān)聯(lián)程度，采用CRA-灰色關(guān)聯(lián)度和MIC-最大信息系數(shù)兩種方法，對(duì)320組模擬數(shù)據(jù)和60組試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行相關(guān)性分析。最終綜合上述兩種方法的分析結(jié)果可確定，各環(huán)境因素與光伏組件溫度相關(guān)性排序：環(huán)境溫度gt;輻照度gt;風(fēng)速gt;積灰密度。各環(huán)境因素與光電轉(zhuǎn)換效率的相關(guān)性排序與上述順序相同。

4 環(huán)境因素對(duì)光伏組件輸出功率的影響分析

除光電轉(zhuǎn)換效率外，光伏組件輸出功率也將直接影響光伏系統(tǒng)收益，是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，計(jì)算公式為：

[Pout=γgηSpvApv] （10）

式中：[Pout]——輸出功率，W。

4.1 清潔狀態(tài)下環(huán)境因素對(duì)光伏組件輸出功率影響

4.1.1 風(fēng)速對(duì)光伏組件輸出功率的影響

風(fēng)速影響光伏組件溫度進(jìn)而影響光電轉(zhuǎn)換效率，最終影響光伏組件輸出功率。圖9a為輸出功率隨風(fēng)速的變化情況。

分析圖9a可知，光伏組件輸出功率隨風(fēng)速的增大而增大，但增長(zhǎng)量較小。環(huán)境溫度為25 ℃且輻照度為1200 W/m2時(shí)，風(fēng)速由2 m/s增大到8 m/s，輸出功率增長(zhǎng)量最大，約為55 W。同風(fēng)速下，輻照度每增加300 W/m2，輸出功率增大約200 W。在圖9a中各環(huán)境因素的變化范圍內(nèi)，輻照度對(duì)輸出功率的影響遠(yuǎn)大于風(fēng)速。

4.1.2 輻照度對(duì)光伏組件輸出功率的影響

輻照度對(duì)光伏組件輸出功率的影響表現(xiàn)為兩方面，一方面為直接影響：輻照度增加會(huì)直接提高光伏組件所接收到的能量，使其輸出功率增大。另一方面為間接影響：輻照度增加會(huì)使光電轉(zhuǎn)換效率降低，從而令輸出功率有所下降。圖9b為輸出功率隨輻照度的變化情況。

由圖9b分析可知，輸出功率隨輻照度的增加而增大。這說(shuō)明輻照度對(duì)輸出功率的直接影響較強(qiáng)。此外，風(fēng)速一定，不同輻照度下，環(huán)境溫度由15 ℃升高到35 ℃，輸出功率均降低約8%。

4.1.3 環(huán)境溫度對(duì)光伏組件輸出功率的影響

分析圖9c可知，環(huán)境溫度對(duì)輸出功率的影響大于風(fēng)速。輻照度一定，不同風(fēng)速下，環(huán)境溫度由5 ℃升高到35 ℃，輸出功率均降低約12%。再結(jié)合圖9b的分析結(jié)果可得：在圖9a和圖9b中各環(huán)境因素變化范圍內(nèi)，環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏組件輸出功率將下降約0.4%；不同輻照度或風(fēng)速下，環(huán)境溫度對(duì)輸出功率的影響程度相似。

4.2 積灰狀態(tài)下環(huán)境因素對(duì)光伏組件輸出功率影響

積灰會(huì)影響光電轉(zhuǎn)換效率和透光率進(jìn)而影響光伏組件輸出功率。圖10為光伏組件輸出功率隨環(huán)境因素的變化情況。分析圖10可知，當(dāng)環(huán)境因素改變時(shí)，積灰狀態(tài)下光伏組件輸出功率的變化趨勢(shì)與清潔狀態(tài)下基本相同。

分析圖10a可知，風(fēng)速由2 m/s增大到8 m/s時(shí)，不同積灰密度下輸出功率均增大約30 W。積灰密度由4 g/m2增大到22 g/m2時(shí)，不同風(fēng)速下輸出功率均降低約165 W。因此，在圖10a中各環(huán)境因素變化范圍內(nèi)，積灰密度對(duì)輸出功率的影響大于風(fēng)速。這是因?yàn)椋狠椪斩纫欢〞r(shí)，輸出功率主要受光電轉(zhuǎn)換效率和透光率的影響，風(fēng)速增大以及表面積灰會(huì)提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)積灰也會(huì)降低透光率，且透光率變化對(duì)輸出功率的影響較大。由此可見(jiàn)，雖然積灰會(huì)使光電轉(zhuǎn)換效率上升，但卻極大降低了光伏組件輸出功率。

分析圖10b可知，在各環(huán)境因素的變化范圍內(nèi)，輻照度對(duì)輸出功率的影響大于積灰密度。原因是：輻照度將直接影響輸出功率，積灰會(huì)影響光電轉(zhuǎn)換效率和透光率從而間接影響輸出功率。此外，輻照度較低時(shí)，積灰對(duì)輸出功率的影響較小。但當(dāng)輻照度為1200 W/m2，積灰密度由0 g/m2（清潔狀態(tài)）增大到22 g/m2時(shí)，輸出功率降低27%。由此可見(jiàn)，在光伏電站運(yùn)行中，需及時(shí)清灰以減少輸出功率的損失。

分析圖10c可知，環(huán)境溫度由5 ℃增大到35 ℃，不同積灰密度下輸出功率均降低約60 W。積灰密度由0 g/m2（清潔狀態(tài)）增大到22 g/m2時(shí)，不同環(huán)境溫度下輸出功率均降低約150 W。在圖10c中各環(huán)境因素的變化范圍內(nèi)，積灰對(duì)輸出功率的影響大于環(huán)境溫度。這是因?yàn)椋涵h(huán)境溫度變化僅僅影響光電轉(zhuǎn)換效率，而積灰密度變化除影響光電轉(zhuǎn)換效率外，還會(huì)影響透光率，且透光率變化時(shí)對(duì)輸出功率的影響較大。

5 結(jié) 論

1）風(fēng)速增大有利于降低光伏組件溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，在選擇光伏電站的建造地點(diǎn)時(shí)，若不同地點(diǎn)均能滿足輻照度要求，則可優(yōu)先選擇風(fēng)速較大的區(qū)域，以有利于降低光伏組件溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。

2）隨著輻照度的增大，光伏組件溫度和輸出功率增大，光電轉(zhuǎn)換效率降低。輻照度越大，風(fēng)速對(duì)光伏組件溫度、光電轉(zhuǎn)換效率、輸出功率的影響越明顯。

3）環(huán)境溫度升高使光伏組件溫度增大，光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率下降：環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏組件溫度也升高約1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率分別下降約0.06%和0.4%。在環(huán)境溫度較高的地區(qū)，可對(duì)光伏組件加裝散熱裝置。

4）當(dāng)輻照度為1200 W/m2且積灰密度為22 g/m2時(shí)，與清潔狀態(tài)下相比，光伏組件溫度降低值為8 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率上升了約0.55%，輸出功率卻衰減了約27%，這表明積灰使光伏組件溫度下降，光電轉(zhuǎn)換效率升高，但嚴(yán)重抑制了光伏組件的輸出功率。

5）在本文的研究范圍內(nèi)，各環(huán)境因素與光伏組件溫度和光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)聯(lián)順序?yàn)椋涵h(huán)境溫度gt;輻照度gt;風(fēng)速gt;積灰密度；與輸出功率的關(guān)聯(lián)順序?yàn)椋狠椪斩萭t;積灰密度gt;環(huán)境溫度gt;風(fēng)速。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 鄭雋卿， 羅勇， 常蕊， 等. 大規(guī)模光伏開(kāi)發(fā)對(duì)局地氣候生態(tài)影響研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2023， 44（8）： 253-265.

ZHENG J Q， LUO Y， CHANG R， et al. Study on impact of large-scaled photovoltaic development on local climate and ecosystem［J］. Acta energiae solaris sinica， 2023， 44（8）： 253-265.

［2］ 時(shí)雯. 傳熱能力對(duì)光伏電池特性的影響［D］. 重慶： 重慶大學(xué)， 2014.

SHI W. Influence of heat transfer capacity on characteristics" "of" "photovoltaic" "cells［D］." Chongqing： Chongqing University， 2014.

［3］ KRAUTER S. Increased electrical yield via water flow over" the" front" of" photovoltaic" panels［J］. Solar" energy materials and solar cells， 2004， 82（1/2）： 131-137.

［4］ DUBEY S， SARVAIYA J N， SESHADRI B. Temperature dependent photovoltaic（PV）efficiency and its effect on PV production in the world： a review［J］. Energy procedia， 2013， 33： 311-321.

［5］ 熊玉輝， 孫帥帥， 李少帥， 等. 基于影響因素權(quán)重的光伏組件現(xiàn)場(chǎng)性能退化率分區(qū)預(yù)測(cè)［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2023， 44（10）： 182-190.

XIONG Y H， SUN S S， LI S S， et al. Zoning prediction of field performance degration rate of PV modules based on" weights" "of" "influencing" "factors［J］." Acta" energiae solaris sinica， 2023， 44（10）： 182-190.

［6］ 趙明智， 王帥， 張志明， 等. 沙漠沙塵對(duì)光伏組件溫度性能影響實(shí)驗(yàn)研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2020， 41（6）： 293-298.

ZHAO M Z， WANG S， ZHANG Z M， et al. Experimental study on effect of desert sand on temperature" performance" of" "photovoltaic" "modules［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（6）： 293-298.

［7］ GOVERDE H， GOOSSENS D， GOVAERTS J， et al. Spatial and temporal analysis of wind effects on PV module" "temperature" and" performance［J］." Sustainable energy technologies and assessments， 2015， 11： 36-41.

［8］ FIROOZZADEH M， SHIRAVI A， SHAFIEE M. An experimental study on cooling the photovoltaic modules by fins to improve power generation： economic assessment［J］. Iranian journal of energy and environment， 2019， 10（2）： 80-84.

［9］ 于佳禾， 許盛之， 張一平. 山地光伏電站各區(qū)域光伏組件的溫度差異對(duì)比［J］. 南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 54（5）： 59-63.

YU J H， XU S Z， ZHANG Y P. Temperature difference of polycrystalline photovoltaic modules in mountain photovoltaic" " power" " station［J］." "Journal" "of" " Nankai University， 2021， 54（5）： 59-63.

［10］ CHANCHANGI Y N， GHOSH A， BAIG H， et al. Soiling on PV performance influenced by weather parameters in Northern Nigeria［J］. Renewable energy， 2021， 180： 874-892.

［11］ SIDDIQUI M U， ARIF A F M. Electrical， thermal and structural performance of a cooled PV module： transient analysis using a multiphysics model［J］. Applied energy， 2013， 112： 300-312.

［12］ 肖雷， 官燕玲， 王妍. 風(fēng)速、 風(fēng)向?qū)蛰d光伏組件溫度分布影響的數(shù)值分析［EB/OL］. 北京： 中國(guó)科技論文在線［2015-02-02］. https：//www.paper.edu.cn/releasepapercontent/201502-1.

XIAO L， GUAN Y L， WANG Y. Numerical analysis of influence of wind speed and direction on temperature distribution of noload photovoltaic modules［EB/OL］. Beijing： China science and technology papers online ［2015-02-02］. https：//www.paper.edu.cn/releasepapercontent/201502-1.

［13］ 孟炎， 高德東， 鐵成梁， 等. 交變溫度場(chǎng)對(duì)光伏組件性能的影響研究［J］. 可再生能源， 2021， 39（3）： 340-345.

MENG Y， GAO D D， TIE C L， et al. Research on the influence of alternating temperature field on the performance" "of" "photovoltaic" "modules［J］." Renewable energy resources， 2021， 39（3）： 340-345.

［14］ SOMMERFELD M， SGROTT O L Jr， TABORDA M A， et al. Analysis of flow field and turbulence predictions in a lung model applying RANS and implications for particle deposition［J］. European journal of pharmaceutical sciences： official journal of the European Federation for Pharmaceutical Sciences， 2021， 166： 105959.

［15］ LYU Y K， ZHAO W P， YAN W P， et al. Optimization of the contamination particle deposition model based on humidity" "and" " surface" "energy［J］." "Applied" "thermal engineering， 2019， 157： 113734.

［16］ 朱靜燕， 鄒帥， 孫華， 等. 環(huán)境溫度下晶硅光伏組件的直冷背板散熱分析［J］. 物理學(xué)報(bào)， 2021， 70（9）： 409-416.

ZHU J Y， ZOU S， SUN H， et al. Analyses of heat dissipation of direct-cooling backsheets of crystalline silicon photovoltaic modules at ambient temperatures［J］. Acta physica sinica， 2021， 70（9）： 409-416.

［17］ YA’ACOB" "M" "E，" HIZAM" H，" KHATIB" T，" et" al. Modelling of photovoltaic array temperature in a tropical site" "using" "generalized" extreme" value" distribution［J］. Journal of renewable and sustainable energy， 2014， 6（3）： 4370-4377.

［18］ ZHAO W P， LYU Y K， ZHOU Q W， et al. Collision-adhesion mechanism of particles and dust deposition simulation on solar PV modules［J］. Renewable energy， 2021， 176： 169-182.

［19］ 趙偉萍， 呂玉坤， 閻維平. 污穢顆粒在太陽(yáng)能光伏組件表面的沉積機(jī)理及組件積灰特性數(shù)值模擬［J］. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào)， 2022， 42（4）： 316-325， 340.

ZHAO W P， LYU Y K， YAN W P. Deposition mechanism of dust particles on the solar PV module surfaces and simulation on dust accumulation characteristics［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2022， 42（4）： 316-325， 340.

［20］ 周濤， 楊旭， 林達(dá)平， 等. 濕度對(duì)矩形窄通道內(nèi)細(xì)顆粒熱泳沉積的影響［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 49（5）： 718-724.

ZHOU T， YANG X， LIN D P， et al. Impact of humidity on aerosol thermophoretic deposition rectangular narrow channel［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University， 2015， 49（5）： 718-724.

［21］ 周西華， 王繼仁， 洪林. 濕空氣密度的快速準(zhǔn)確測(cè)算方法［J］. 礦業(yè)安全與環(huán)保， 2005， 32（4）： 49-50.

ZHOU X H， WANG J R， HONG L. Rapid and accurate calculation method of wet air density［J］. Mining safety amp; environmental protection， 2005， 32（4）： 49-50.

［22］ 官燕玲， 張豪， 閆旭洲， 等. 灰塵覆蓋對(duì)光伏組件性能影響的原位實(shí)驗(yàn)研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2016， 37（8）： 1944-1950.

GUAN Y L， ZHANG H， YAN X Z， et al. Experimental study of influence of dust cover on performance of PV module［J］. Acta energiae solaris sinica， 2016， 37（8）： 1944-1950.

［23］ SARTORI E. Convection coefficient equations for forced air flow over flat surfaces［J］. Solar energy， 2006， 80（9）： 1063-1071.

［24］ DE SOTO W， KLEIN S A， BECKMAN W A. Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance［J］. Solar energy， 2006， 80（1）： 78-88.

［25］ SKOPLAKI E， PALYVOS J A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance： a review of efficiency/power correlations［J］. Solar energy， 2009， 83（5）： 614-624.

INVESTIGATION ON INFLUENCE OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON TEMPERATURE AND OUTPUT CHARACTERISTICS OF

SOLAR PV MODULES

Lyu Yukun1，Zhao Runyi1，Zhou Qingwen2，Zhao Weiping3

（1. School of Energy， Power and Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China；

2. Anhui Huadian Engineering Consultating amp; Design Co.， Ltd.， Hefei 230022， China；

3. School of Urban Construction， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418， China）

Abstract：A photovoltaic array composed of YL250P-29b type polycrystalline silicon solar cells packaged in series at our school is taken as the research object in order to improve the efficiency of photovoltaic power generation. The rationality of the numerical model was verified by comparing the experimental data and simulation results of artificial ash accumulation. Based on this model， the effects of wind speed， irradiance， ambient temperature and ash density on the temperature of photovoltaic modules are simulated and analyzed. According to the empirical formula of photoelectric conversion efficiency and output power， the influence of the above environmental factors on the output characteristics of photovoltaic modules was explored. The results show that there is a negative correlation between PV module temperature， photoelectric conversion efficiency with wind speed， and positive correlation with irradiance， ambient temperature and ash density. There is a negative correlation between the output power of photovoltaic modules with ambient temperature and ash density， and a positive correlation with wind speed and irradiance. Within the scope of this study， the correlation order between each environmental factor and PV module temperature and photoelectric conversion efficiency is： ambient temperaturegt; irradiancegt;wind speedgt;ash density， and the correlation order with output power is： irradiancegt;ash densitygt;ambient temperaturegt;wind speed； For every 1 ℃ increase in ambient temperature， the temperature of photovoltaic modules also increases by about 1 ℃， and the photoelectric conversion efficiency and output power decrease by about 0.06% and 0.4%， respectively. Ash accumulation reduces the temperature of photovoltaic modules and increases the photoelectric conversion efficiency， but it will greatly reduce the output power of photovoltaic modules.

Keywords：photovoltaic modules； photoelectric conversion efficiency； output power； environmental factors； numerical simulation