污秽颗粒在太阳能光伏组件表面的沉积机理及组件积灰特性数值模拟

赵伟萍，吕玉坤，阎维平

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，动力工程系，河北保定 071003)

根据国家能源局发布的最新数据，截至2020年底，我国光伏发电装机总量约为253.43 GW[1]。作为影响光伏组件性能的重要参数之一，组件表面的积灰显著降低了其效率和输出功率，造成了较大的经济损失[2-3]。研究表明，户外暴露70 d后，伊朗德黑兰地区光伏组件表面6.1 g/m2的积灰量导致其输出功率下降约21.47%[4]。因此，探究光伏组件的积灰特性以指导电站清灰工作的开展十分必要。

为消除积灰对光伏组件性能造成的负面影响并实现积灰的有效清除，需要了解污秽颗粒在组件表面的沉积机理及组件的积灰特性。孟广双等[5]对运动至组件表面的污秽颗粒进行了受力分析，指出小粒径颗粒所受范德华力最大、重力次之，而大粒径颗粒受力则相反，同时还建立了干燥环境下污秽颗粒力学模型，该模型未考虑颗粒所受毛细力对其运动和沉积的影响，因此不适用于湿度较大地区的光伏组件表面积灰机理的研究。梅耀奎[6]通过试验研究提出颗粒临界捕集速度的概念，其研究结果表明：当颗粒碰撞速度小于该临界捕集速度时，颗粒发生沉积，反之则反弹。Isaifan等[7]分析了污秽颗粒的受力，指出在影响颗粒沉积的毛细力、范德华力、静电力和重力中，湿度较高时，毛细力居主导地位，其约占总作用力的98%，但在干燥环境下，范德华力影响最大。Hachicha等[8]通过积灰试验发现，积灰2周后，安装倾角为0°、25°和45°的光伏组件，其表面积灰量分别增加了37.63%、14.11%和10.95%。Lu等[9]利用CFD模拟软件建立了光伏组件的积灰模型，其仿真结果表明：当污秽颗粒粒径小于10 μm时，积灰量与风速呈正相关变化，而大粒径颗粒则相反。利用该模型可简单预测组件表面的积灰量，但由于该模型仅考虑了重力而忽略了流体曳力等其他作用力对颗粒沉积的影响，故其研究结果具有一定局限性。

积灰影响光伏组件的电气、光学及热性能，进而影响其发电量。因此，根据实际积灰情况选择合适的清灰方法至关重要。对光伏电站来说，减少清灰成本和提高清灰效率是其开展清灰工作时关注的重点。了解自然环境下光伏组件的积灰规律是制定清灰方案、实现高效低成本清灰目的的前提。目前关于光伏组件表面积灰量及其对组件性能影响的研究虽已取得了诸多成果，但关于污秽颗粒在组件表面的沉积机理特别是颗粒沉积条件的研究尚较少，仍存在一定的研究空间。因此，笔者针对组件表面的积灰问题，探究颗粒沉积机理并提出其沉积条件，在此基础上，探究粒径、风速和组件安装倾角等多因素耦合和单因素对光伏组件表面积灰量的影响，以获得自然环境下光伏组件表面的积灰特性，以期为组件清灰方案的选择和清灰策略的制定提供一定理论依据。

1 数学模型及颗粒沉积机理分析

1.1 多物理场数学模型

自然环境下，污秽颗粒在风的裹挟下运动，当其运动至光伏组件表面时与之发生碰撞并沉积。由于环境的复杂性，颗粒的运动受到流场和颗粒场的共同影响。因此，模拟时主要利用COMSOL Multiphysics软件中的湍流模块和流体流动粒子追踪模块对颗粒的运动和沉积过程进行研究。在模拟流场时，将光伏组件周围空气视为不可压缩黏性流体。经计算，该流场为湍流。由于组件倾斜放置，气流流经时流线会发生一定程度的弯曲，为使模拟结果与实际情况更接近，模拟时流场采用时均法，并选用不可压缩NANSk-ε模型[10-11]。流场控制方程如式(1)所示。

式中：u为流场速度，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；I为主应力张量，Pa；p0为大气压力，Pa;μT和μ分别为湍流动力黏度和空气动力黏度，Pa·s；F为体积力，N/m3；k为湍动能，m2/s2；ε为湍流耗散率，m2/s3；Cμ、σk、σε、Cε1、Cε2为湍流模型参数；pk为湍动能源项，W/m3。

由于自然界中的污秽颗粒形状各异，很难用统一的数学模型来描述，且颗粒在光伏组件表面的沉积是一个统计规律，故模拟时对颗粒进行如下简化：将污秽颗粒等效为球形颗粒，其与光伏组件表面的碰撞符合JKR接触模型[12]；颗粒初始速度与流场速度相同；由于污秽颗粒在空气中运动所形成的两相流为稀相，故模拟时忽略颗粒-颗粒的相互作用。颗粒运动方程如式(2)所示。

(2)

式中：mp为颗粒质量，g；v为颗粒运动速度，m/s；t为颗粒运动时间，s；Ft为颗粒所受合力，N。

1.2 污秽颗粒沉积机理分析

1.2.1 颗粒力学行为分析

污秽颗粒的沉积是其所受不平衡力作用的结果。因此，有必要探究颗粒在运动及其与光伏组件碰撞黏附过程的受力。当颗粒在气固稀相流中运动时，流体对颗粒的作用力包括流体曳力、Saffman升力、布朗力、Magnus力以及压力、梯度力等。无量纲分析表明，对于密度较大的微米级粒径颗粒，只有流体曳力Fd起主要作用[13]。因此，笔者在研究气固稀相流中颗粒受力时，考虑了影响污秽颗粒运动的主要作用力即流体曳力，而忽略了上述其他力的影响。此外，运动中的颗粒还将受到重力Fg和空气浮力Fb的作用。颗粒若要沉积在光伏组件表面，其不可避免地要与组件表面发生碰撞。因此，颗粒所受的碰撞力Fp也不可忽略。该力大小与颗粒挤压组件表面产生的压缩位移有关，其计算式[14]如下：

(3)

式中：ξ为碰撞系数；L为压缩位移，μm；Lav和Lmax分别为L的平均值和最大值，μm；x0为压缩形变周期；r和R分别为发生碰撞的颗粒半径和光伏组件表面半径(对于光伏组件来说，R→∞)，μm；α1、υ1和E1分别为颗粒的弹性形变系数、泊松比和杨氏弹性模量(Pa)；α2、υ2和E2分别为光伏组件表面的弹性形变系数、泊松比和杨氏弹性模量(Pa)；m*和M分别为等效质量和光伏组件表面质量(由于M≫mp，故m*≈mp)，g。

当颗粒在光伏组件表面运动时，其还将受到摩擦力Ff和黏附力Fa的影响。在干燥环境下，由于颗粒与组件表面间难以形成液桥，此时黏附力Fa主要为范德华力Fw；在潮湿环境下，组件表面会吸附一定厚度的水膜，此时水分子对颗粒的毛细作用力即毛细力Fc不可忽略，故该环境下黏附力Fa为范德华力Fw和毛细力Fc之和。各力计算公式[15]如下:

(4)

式中：cRH为空气相对湿度，简称湿度；h为水膜厚度，nm；T为室内温度，K；Rg为摩尔气体常数，J/(mol·K)；V0为室温下水的摩尔体积，m3/mol；a为接触的两物体表面的间距，nm；H1、H2分别为接触的两物体在空气和水中的Hamaker常数[16]；em为单层水分子饱和吸附时的等效厚度[17]，nm；CB为水分子吸附系数[18]。

大气中飞灰颗粒的带电情况较复杂，其处于荷电状态的概率大于未荷电状态[19]，且粒径越大，其所带电量越多。因此，当带电颗粒运动至光伏组件表面时，二者之间会建立微小的电场，从而增强组件表面对颗粒的吸附。已有研究表明[20]，带电颗粒的沉积可使光伏组件的电压降低35%以上，且颗粒的带电量越多，电压降低幅度越大。因此，探究干燥环境下颗粒在组件表面的沉积情况时，静电力Fe的作用不可忽视。

综上分析，当颗粒与光伏组件表面碰撞时，以碰撞点为原点、以z轴为组件表面的法线方向建立坐标系，颗粒所受各力如图1所示。其中，θ为颗粒速度方向与法向z轴的夹角；φ为颗粒速度v在xoy面的投影与y轴的夹角；δ为光伏阵列安装倾角。

1.2.2 表面能对颗粒沉积的影响

研究颗粒在光伏组件表面的运动和沉积特性时，除需要考虑图1所示的颗粒受力外，表面能(即表面自由能)对颗粒沉积的影响也不可忽视。根据能量最低原理，能量越低，体系就越稳定。因此，无论是颗粒还是光伏组件表面，均通过吸附碰撞到其表面的颗粒以维持自身的平衡。此外，固体表面能越大，其吸附性也就越强。研究表明[21]：相比污秽颗粒，光伏组件表面的表面能较大，这决定了其不可避免地要黏附颗粒。因此，研究颗粒的沉积时也应考虑颗粒与光伏组件表面的表面能。

图1 颗粒与光伏组件表面碰撞过程受力示意图Fig.1 Force diagram of the collision process between particles and PV module surfaces

1.2.3 颗粒沉积机理分析

颗粒与光伏组件表面碰撞之后若能发生沉积，则碰撞后的颗粒速度为0 m/s。由于表面能体现的是两物体表面之间的吸附特性，当两物体接触后，这种吸附作用主要以界面能的形式体现，其作用效果与黏附力相似，故模拟时将其考虑为法向作用。由动能定理可知，颗粒若能沉积，则需在碰撞面的法向和切向上同时满足以下条件：

(5)

式(5)所示的颗粒沉积条件表达式也称为颗粒沉积判据。在利用COMSOL Multiphysics软件模拟探究颗粒在光伏组件表面的运动和沉积时，可将该沉积判据编写于软件中，以对颗粒的沉积情况进行判定。

2 光伏组件积灰数值模型合理性验证

本节拟进行光伏组件自然积灰试验，通过相同条件下积灰试验结果与模拟结果的对比，验证积灰数值模型和所提出的颗粒沉积条件的合理性。

2.1 自然积灰试验

2.1.1 试验平台

利用搭建于风机大厅楼顶的光伏阵列试验平台进行自然积灰试验[23]。如图2所示，该光伏阵列由3块YL250P-29b型多晶硅光伏组件串联而成，其主要参数见表1。根据光伏组件安装倾角和当地纬度的关系[24]，确定该组件安装倾角为45°。

图2 光伏阵列Fig.2 PV array

表1 光伏组件主要参数Tab.1 Main parameters of PV modules

除了光伏组件外，积灰试验所需的其他仪器见表2。

表2 试验仪器参数Tab.2 Experimental instrument parameters

2.1.2 试验方案

利用图2所示的光伏阵列进行自然积灰试验时，由于组件表面的积灰较干松，为尽可能地减少积灰收集过程中因灰尘掉落地面造成的损失，利用吸附性较强的静电吸附纸收集积灰。具体操作步骤为：利用干燥且称重后的静电吸附纸均匀擦拭所有光伏组件玻璃表面，以得到其表面沉积的全部污秽质量。根据表1所示的光伏组件主要参数，擦拭面积为3块光伏组件表面的总有效面积，约为4.5 m2。将擦拭后携有污秽的静电吸附纸干燥后再次用电子天平称量，二者的差值即为组件表面沉积的污秽总质量。取该质量与3块光伏组件表面总有效面积的比值，即可得到光伏组件积灰量。

此外，还需记录各试验周期内的自然环境条件，如风速、温度和湿度等。由于试验周期及其环境条件不尽相同，为使测量的环境参数尽可能真实地反映实际天气情况，利用风速仪、湿度仪和温度采集装置在试验周期内每天进行数据测量并记录。试验结束时，取测量周期内记录的所有数据的平均值作为各积灰试验的环境风速、湿度和温度。其中，试验时测量的风速方向与地面平行并指向光伏组件表面。

2.1.3 光伏组件表面颗粒粒度分析

在光伏组件自然积灰试验开展期间，利用Mastersizer 3000激光粒度分析仪对组件表面沉积的污秽颗粒进行粒度分析，结果如图3所示。

图3 光伏组件表面颗粒粒径分布Fig.3 Particle size distribution on the PV module surfaces

从图3可以看出，光伏组件表面约80%的污秽颗粒粒径≤30 μm，且粒径为11.21～27.37 μm的颗粒所占比例最多。在模拟计算颗粒在光伏组件表面的沉积时，模拟计算量随颗粒粒径的减小呈近似指数增加，且模拟时间也大大增加。因此，在综合权衡模拟结果和模拟时间的基础上，选取粒径为10～30 μm的颗粒进行试验条件下的光伏组件自然积灰数值模拟。

2.2 试验条件下的自然积灰数值模拟

2.2.1 自然积灰模型的建立

模拟时，利用COMSOL Multiphysics软件构建与试验的光伏阵列尺寸相同的物理模型，如图4(a)所示。在光伏阵列外面构建6.5 m×4 m×2.5 m(长×宽×高)的长方体区域作为流场计算区域，如图4(b)所示。为使模拟结果与试验结果更接近，对光伏阵列模型进行网格无关性验证。该光伏阵列模型的总网格数约为135万时，能较好地满足模拟结果精度和模拟时间的要求。

(a)光伏阵列模型

2.2.2 模拟条件设置

2.2.2.1 物性参数设置

模拟时，利用COMSOL Multiphysics软件内置的材料库或自定义材料属性进行物性参数设置。根据试验中YL250P-29b型多晶硅光伏组件材料特征，将组件表面、电池及组件边框分别设置为玻璃、多晶硅和铝合金。此外，将流场区域设置为空气，并根据试验测得的环境温度和湿度设定空气相关参数。

2.2.2.2 物理场边界条件设置

物理场边界条件的设置如图4(b)所示。其中，流场模块采用速度入口和压力出口，其余壁面为对称边界，其速度和压力分布通过壁面函数法求解。此外，环境风速、温度和湿度均根据试验测量数值进行设置。

在流体流动粒子追踪模块中，将光伏面板壁面条件设置为表达式黏附，并将式(5)所示的沉积条件编写于此。此外，颗粒粒径(10～30 μm)、密度、图1所示的颗粒受力以及颗粒与玻璃盖板的表面能均可在该模块中直接设置。颗粒自入口以瞬态形式随风送入，当其运动至组件表面时，利用沉积条件对其沉积情况进行判定：满足条件则颗粒沉积，否则发生漫散射而脱离组件表面。当颗粒再次与组件表面碰撞时，则重新进行沉积判定直至模拟结束。

2.3 模拟与试验结果的对比分析

模拟结束后统计光伏组件表面沉积的颗粒数目(也可直接统计沉积颗粒的总质量)，通过将模拟时长内的颗粒沉积数目折算为各试验周期内的颗粒沉积总数，进而得到光伏组件表面的积灰量ρd，其计算方法如式(6)所示。

(6)

式中：τ为时间修正系数，取0～1；n为组件表面沉积的污秽颗粒总数，可在软件中直接统计；ts为积灰试验周期，s；tp为积灰模拟时长，s；S为光伏组件表面总有效面积，m2。

模拟时为减小误差，每个工况均模拟5次并取其平均值，作为最终的积灰模拟结果。表3给出了各试验周期内的模拟与试验结果。

表3 积灰模拟结果与试验结果的对比Tab.3 Comparison of dust accumulation simulation and experimental results

由表3可知，各积灰试验周期内的风速均较小，这可能与光伏组件所处的地理位置有关。该积灰试验平台位于本校风机大厅楼顶，其所处高度小于四周的建筑物高度，建筑物的遮挡可能导致试验时吹向组件表面的风速较小。此外，由表3还可以看出，在相同条件下，试验与模拟结果的积灰量数量级相同，且随积灰时长的变化趋势一致，即试验周期越长，积灰量越大。这表明所建立的积灰数值模型和提出的颗粒沉积条件是合理的，可将其用于光伏组件表面积灰特性的研究。但模拟与试验结果之间仍存在一定差异，原因可能是：

(1)光伏组件所处的自然环境复杂多变，试验中的环境温度、湿度和风速均在动态变化中。为尽量减小环境参数对积灰的影响，模拟时取试验周期内各参数的平均值进行设置，来近似代表同一试验周期内的气象参数。

(2)自然积灰试验周期较长，因计算平台性能限制，模拟时完整再现各积灰周期内颗粒的运动和沉积过程较困难。模拟时进行了简化处理，忽略了已沉积颗粒对后续颗粒运动和沉积的影响，并采用折算方法，将模拟时长内的积灰量折算为整个积灰周期内的积灰量。

(3)自然环境下，光伏组件表面沉积的污秽颗粒大小不一且形状各异。为减少计算量，模拟时对颗粒模型进行了简化，将其等效为球形，并忽略了颗粒所受的Saffman升力、布朗力、Magnus力和压力梯度力等较小的力以及颗粒间的相互作用，认为颗粒在运动过程中形状保持不变，且不发生破碎或凝并行为。

3 光伏组件积灰特性数值模拟

3.1 多因素耦合对积灰量的影响分析

自然环境下，污秽颗粒在光伏组件表面的运动和沉积较复杂，受众多因素共同影响。图5给出了多因素耦合对组件表面积灰量的影响。

由图5可以看出，当风速、颗粒粒径和安装倾角不同时，组件表面积灰量差异较大，这也从侧面说明各因素对组件性能的影响不同。如图5(a)所示，当安装倾角为45°时，各粒径颗粒(10 μm颗粒除外)均在风速为7 m/s时积灰量最大。这是因为大风速增强了颗粒的跟随性，进而增大了其与组件表面的碰撞概率，导致积灰量增加。此外，各风速下10 μm颗粒的积灰量大于其他粒径，表明相同条件下小粒径颗粒更易发生沉积。

由图5(b)和图5(c)可知，当颗粒粒径为10 μm时，各风速下光伏组件表面积灰量的最小值和最大值分别在15°和45°安装倾角处取得；当风速为1 m/s时，相比安装倾角为15°的光伏组件，10 μm颗粒在安装倾角较大的光伏组件表面沉积较多，这表明小粒径颗粒更易在大风速环境下沉积于安装倾角较大的光伏组件表面。

综合分析图5可知，当颗粒粒径为10～15 μm、风速为1～2 m/s和6～7 m/s且安装倾角为30°～60°时，组件表面的积灰量较大。此外，对于光伏电站来说，掌握组件表面污秽颗粒的粒径分布规律及电站所在地区的年平均风速，有助于光伏组件表面积灰量的预测。

3.2 单因素对积灰量的影响分析

光伏组件表面的积灰量是颗粒粒径、风速和安装倾角等因素的函数。因此，本节拟探究各因素对积灰量的具体影响，以期为组件清灰策略的制定提供一定理论支撑，实现积灰的有效去除。

(a)δ=45°

3.2.1 颗粒粒径的影响

颗粒粒径大小对颗粒运动和沉积的影响主要体现在两方面：一方面，颗粒质量与粒径的三次方呈正比，故随着粒径的变化，颗粒受力发生改变；另一方面，质量不同的颗粒，其惯性也不同，故其对气流的跟随性也不同。这两方面的作用导致不同粒径的颗粒在光伏组件表面的积灰量不同。图6给出了各风速下积灰量随颗粒粒径的变化。

由图6可知，当光伏组件安装倾角不同时，各风速下不同粒径颗粒的积灰量也不同。如图6(a)所示，当安装倾角为15°时，组件表面积灰量随粒径增大先减少后增加。此时，积灰量的最小值和最大值分别在粒径为20 μm且风速为3 m/s以及粒径为10 μm且风速为1 m/s处取得，约为1.3 g/m2和7.2 g/m2。原因可能是：在相同风速下，随着粒径的增大，颗粒动能显著增大，碰撞后也越容易脱离光伏组件表面，但粒径的增大也减弱了颗粒的跟随性；对同一颗粒来说，风速的增大也会相应地增加颗粒的跟随性及其动能，使其更易随风运动并与组件表面发生碰撞，但风速与积灰量并不呈现简单的线性变化，当风速增大到一定程度时，其会吹落光伏组件表面的颗粒。对于小粒径(10 μm)颗粒来说，大风速可能吹走已沉积的颗粒，造成积灰量减少。除风速和粒径外，安装倾角通过影响颗粒与组件表面碰撞后的反射速度以及颗粒沿组件斜面方向的受力，进而影响颗粒的沉积。

(a)δ=15°

由图6(b)可以看出，当安装倾角为30°时，风速为3 m/s下组件表面积灰量随颗粒粒径增大而减小，而其他风速下的积灰量随粒径增大先减少后增加，且均在粒径为25 μm时最少，这可能是风速、粒径以及安装倾角的共同作用导致的。

分析图6(c)和图6(d)可知，随着安装倾角的增大，当其增大至45°和60°时，积灰量与粒径呈负相关变化，且其随粒径增大近似呈线性减少。这可能是因为：一方面，当安装倾角较大时，大粒径颗粒的速度响应时间较长，且其对气流的跟随性较差，故颗粒与光伏组件表面的碰撞概率减小；另一方面，当安装倾角较大时，大粒径颗粒在重力作用下更容易沿光伏组件斜面滑落。因此，组件安装倾角较大时，大粒径颗粒的积灰量较小。此外，分析图6(a)～图6(d)还可以发现，在同一风速和颗粒粒径下，不同安装倾角的光伏组件表面的积灰量不同。这是因为安装倾角越小，颗粒碰撞后的动能损失越大，故其越不容易脱离光伏组件表面；随着安装倾角的增大，颗粒碰撞后的反射速度逐渐增大，故其动能损失减小，碰撞后的颗粒易脱离组件表面。

综合分析图6可知，对于安装倾角为15°～60°的光伏组件，各风速下积灰量均在小粒径10 μm处取得最大值。这也为组件表面的维护和清灰工作的开展提供了思路，即开发一种表面能小且透射率高的自清洁超疏水涂层，以抑制10 μm颗粒的沉积，在减少组件表面积灰量的同时也有助于组件效率的提高。

3.2.2 风速的影响

自然环境中的风速大小不仅影响流场的强弱，也影响颗粒所受的流体曳力的大小。而流体曳力的大小在一定程度上决定了颗粒的运动轨迹，进而影响颗粒的运动和在光伏组件表面的沉积。因此，探究风速对组件表面积灰量的影响十分必要。当安装倾角不同时，积灰量随风速的变化见图7。

由图7可知，同一粒径和安装倾角下，组件表面积灰量随风速增大近似呈“V”形变化，即积灰量随风速的增大先减少后增加，且均在风速为3 m/s处取得最小值。由此可知，若从积灰量角度考虑，粒径不大于30 μm且年平均风速约3 m/s的地区可能更适合光伏电站的建设。

(a)颗粒粒径为10 μm

风速对颗粒的沉积有重要影响，且影响较复杂。分析图7还可以看出，当其他条件相同时，10 μm颗粒的积灰量在风速为1 m/s时取得最大值，而其他粒径(≥15 μm)颗粒的最大积灰量均在7 m/s处取得。原因可能是：小风速(1～3 m/s)下，随着风速的增大，颗粒的速度和所受流体曳力也逐渐增大，从而增大了颗粒与组件表面发生碰撞的可能性。但相比颗粒所受的重力和黏附力，流体曳力的增大可能会吹落已沉积在组件表面的颗粒，导致积灰量减少。因此，在小风速下，3 m/s时的积灰量小于1 m/s时。但随着风速的继续增大，颗粒的跟随性大大增加，而其速度响应时间逐渐缩短。此外，流体曳力也随风速的增大而增大，并逐渐成为影响颗粒运动和沉积的主推力，进而促使颗粒运动至组件表面并发生沉积。此时，积灰量随风速增大而增加。因此，在所受各力的共同作用下，颗粒沉积于光伏组件表面，但不同粒径的颗粒所受各力的大小不同，导致其取得最大积灰量时的条件有所差别。对于小粒径10 μm颗粒和较大粒径(≥15 μm)颗粒，其积灰量最大值分别在风速为1 m/s和7 m/s处取得。这也从侧面说明小颗粒更易在小风速下发生沉积，而较大粒径(≥15 μm)颗粒则相反。

综合分析图7还可以看出，当组件安装倾角和颗粒粒径不同时，风速对组件表面积灰量的影响不同。如图7(d)所示，当粒径为30 μm时，不同安装倾角的光伏组件在风速为1 m/s时的积灰量均大于风速为3 m/s和5 m/s时。这表明在其他条件相同的情况下，与风速为1 m/s时相比，较大风速如3 m/s和5 m/s可能有助于组件表面已沉积颗粒的去除。

3.2.3 安装倾角的影响

光伏组件的安装倾角不仅影响组件表面所接收辐射量的大小，还影响污秽颗粒与组件表面发生碰撞后的反射速度以及颗粒在组件法向和沿斜面方向的受力，从而影响颗粒的沉积。图8给出了积灰量随组件安装倾角的变化趋势。

(a)风速为1 m/s

分析图8可知，当粒径≤20 μm时，各风速下组件表面积灰量均随安装倾角的增大先增加后减少，且10 μm颗粒的积灰量最大，这可能是因为：在相同条件下，与较大粒径颗粒相比，10 μm颗粒的跟随性较好，故其更易与组件表面发生碰撞以增大沉积概率。此外，10 μm颗粒碰撞后的反射速度和动能均较小，故其不易脱离组件表面进而发生沉积；当粒径增大至25 μm时，小风速(1 m/s)和大风速(7 m/s)下，积灰量均随安装倾角的增大而减少，而其他风速下积灰量随安装倾角的增大呈脉动变化；当粒径继续增大至30 μm时，各风速下组件表面积灰量均随安装倾角的增大呈近似线性减少趋势，且当安装倾角由15°分别增大至30°、45°和60°时，可使风速为7 m/s下的积灰量分别降低约23.1%、37.5%和52.4%，其减少量分别为1.0 g/m2、1.6 g/m2和2.3 g/m2。原因可能是：随着安装倾角的增大，颗粒与光伏组件表面碰撞后的反射速度也越大，故颗粒碰撞后的动能损失较小。因此，在相同条件下，安装倾角越大，与组件发生碰撞后的颗粒越容易发生反射而脱离组件表面，从而减少积灰量。

从图8还可以看出，各风速下，小粒径(≤20 μm)颗粒更易在安装倾角45°时发生沉积，而大粒径(30 μm)颗粒更易在安装倾角较小时沉积。这也说明各风速下，组件安装倾角对不同粒径颗粒沉积的影响不同。

安装倾角不仅影响光伏组件表面的积灰量，还影响组件表面接收到的太阳辐射量。因此，在光伏电站规划阶段，应在综合评估安装倾角对积灰量和辐射量影响的基础上，确定最佳安装倾角。若仅从积灰量角度考虑，污秽颗粒粒径约为30 μm的地区，适当增大组件安装倾角可能有助于降低积灰量。

4 结 论

(1)安装倾角为15°的光伏组件的表面积灰量随粒径增大先减少后增加，且在粒径为20 μm和风速为3 m/s处取得最小值1.3 g/m2；当光伏组件安装倾角为15°～60°时，各风速下积灰量均在小粒径10 μm处取得最大值。

(2)对于安装倾角为15°～60°的光伏组件，开发一种表面能小且透射率高的自清洁超疏水涂层，以抑制10 μm颗粒的沉积，在减少组件表面积灰量的同时也可提高组件效率。

(3)组件表面积灰量随风速增大近似呈 “V”形变化；若仅从积灰量角度考虑，污秽颗粒粒径不大于30 μm且年平均风速约3 m/s的地区，可能更适合光伏电站的建设。

(4)当粒径为30 μm时，组件表面积灰量随着安装倾角的增大近似线性减少，且当安装倾角由15°分别增大至30°、45°和60°时，可使风速为7 m/s的积灰量分别减少约1.0 g/m2、1.6 g/m2和2.3 g/m2。

(5)当颗粒粒径为10～15 μm、风速为1～2 m/s和6～7 m/s且安装倾角为30°～60°时，组件表面的积灰量较大。