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1、0 前言太阳能的利用对于缓解全球范围内的能源短缺、环境污染等问题具有重要作用1,2。我国西北沙漠地区拥有丰富的太阳能资源和廉价的土地资源,这为光伏产业的发展提供了有利条件。然而,该地区具有多风、多沙尘的气候特点,这些因素影响了光伏系统的安全、高效运行。当风中携带的沙粒撞击到光伏组件表面时,会发生冲蚀现象。冲蚀是指材料表面受到微小且分布松散的运动颗粒的冲击而发生损坏的一类磨损现象3。冲蚀后的光伏组件即使被清洗干净,表面也会变得凹凸不平。当太阳光入射到光伏组件凹凸不平的表面时,入射光线会发生多次折射、反射,造成光伏组件接收到的太阳辐射强度相对减少。长此以往,光伏组件的发电效率会随之降低,光伏组件的
2、使用寿命也会缩短。诸多学者对材料表面的冲蚀现象进行了多方面研究。董晓峰4以新疆的自然环境为基础,研究了环境条件不佳时风机叶片的冲刷磨损情况,并分析了沙粒的冲击速度、冲击角、粒径等因素对风机叶片冲蚀磨损的影响。康师源5通过数值模拟分析了不同风速、沙粒粒径下,风机叶片的冲蚀磨损率。林楠6利用数值模拟的方法,研究了弯头尺寸以及固体颗粒入射角对冲蚀磨损的影响,研究结果表明,颗粒入射角是影响弯管表面冲蚀现象的重要因素。尽管许多学者研究了气固两相流对材料表面的冲蚀磨损,但是,关于风沙气固两相流对光伏组件表面冲蚀磨损的研究较少。本文利用DPM模型模拟分析了不同因素下光伏组件表面冲蚀率的变化情况,最终得到影响
3、光伏组件表面冲蚀率的主要因素。1 计算模型的建立为了研究沙粒对平板型光伏组件表面的冲蚀磨损,本文将光伏组件模型简化为一个玻璃平板,并设定光伏组件的几何尺寸为标准几何尺寸。单块光伏组件的几何尺寸为1580mm808mm40mm,8块光伏组件为一组,并按照上下两排(每排4块)的方式进行安装。光伏组件模型的几何尺寸为3232mm3160mm40mm,光伏组件的下沿距地面500mm。本文为了分析不同安装倾角下光伏组件表面的冲蚀情况,选取了安装倾角为0,15,30,45,60,75,90共7种工况。由于包头、巴彦淖尔市这两个地区的最佳安装倾角为417,因此,为了简化计算,在研究风速和颗粒粒径对光伏组件表
4、面冲蚀磨损的影响程度时,选取了更接近于41的安装倾角(45)进行模拟分析。DPM模型是Fluent软件中的一种离散项多相流模型。该模型能够将颗粒物流体化,并将不同收稿日期： 2017-09-19。基金项目：国家自然科学基金项目(51466011)；2017内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目。作者简介：赵明智(1976-),男,内蒙古呼和浩特人,博士,副教授,研究方向为太阳能利用技术。 E-mail：基于DPM模型的光伏组件冲蚀磨损特性分析赵明智1， 张 旭1， 康晓波2， 孙 浩1， 苗一鸣1(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051； 2.北京鉴衡认证中心有限公司,
5、北京100013)摘 要：文章运用离散相模型(DPM)模拟了风沙气固两相流中的沙粒对光伏组件表面的冲蚀磨损,分析了不同的风速、沙粒粒径、安装倾角下,光伏组件表面冲蚀率的变化情况。研究结果表明：光伏组件表面的冲蚀率随着风速的变化呈指数变化趋势；光伏组件表面冲蚀率随着安装倾角的变化而发生明显变化。这说明风速和安装倾角是影响光伏组件表面冲蚀率的两个重要因素。关键词：光伏组件；风沙气固两相流； DPM模型；冲蚀磨损中图分类号： TK513 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292(2018)02-0223-06可再生能源Renewable Energy Resources第36卷 第2期201
6、8年2月Vol.36 No.2Feb. 2018223万方数据相视为混合均匀的连续性物质。通过该数值模拟能够得到空间中流体的运动状态随时间的变化规律。风沙属于多相流,其中,颗粒相为离散相,气体相为连续相。本文采用四面体与六面体相结合的混合网格对模型进行划分,其计算域模型如图1所示。图中的网格数约为434万,节点数约为325万。本文根据孙晓颖8对低矮模型计算域的设置情况,来设置光伏组件模型的计算域。当阻塞率低于3时,认为计算域的边界不会对流场的流动情况产生影响。由于本文的阻塞率为1.871,因此,满足要求。在DPM模型中,假定第二相(离散相)非常稀疏,所以忽略了颗粒之间的相互作用和颗粒体积分数对
7、连续相的影响。在该模型中,先对连续相的流场进行求解,待计算结果收敛后,再加入离散相(沙粒),并设置当连续相每计算5步时,离散相会进行1次迭代计算。该模型的相关参数：沙粒的流动速度分别为4,10,15,20m/s；气体相的密度为1.225kg/m3；沙粒的密度为2650kg/m3；沙粒的粒径为1060m；流体的质量流率为0.050.4kg/s；光伏组件的类型设置为wall；沙粒的入射方式设置为surface。2 冲蚀理论计算本文利用MCLAURYBS提出的磨损模型来计算光伏组件表面的冲蚀磨损。该磨损模型的表达式为ERCFsUp1.73f() (1)式中：ER为磨损冲蚀量；C为与所选材料有关的常数
8、；Fs为颗粒的形状因子。本文中假设沙粒均为规则的球形颗粒,取0.29,10；Up为颗粒碰撞壁面时的速度；为颗粒的冲击角；f()为冲击角函数。f()的表达式为f()22.7-38.420.267rad2+6.8-7.52+2.2530.276rad(2)壁面上单位面积的冲蚀率为ReNpi 1mpC(dp)f()UpnAf(3)式中：Af为壁面计算单元的面积；Np为与单位面积的壁面发生碰撞的颗粒数；mp为沙粒的质量流量；n为颗粒流动速度与气体流动速度之间的相对指数；C(dp)为与颗粒粒径对物体的削切能力相关的函数。C(dp)的表达式为C(dp)1.55910-5B-0.59Fs(4)式中：B为被冲
9、蚀材料的布氏硬度,本文中的被冲蚀材料为光伏组件表面上的玻璃,取B6.5。3 模拟结果分析影响冲蚀现象的主要因素包括颗粒的冲击角、流动速度、形状,以及环境温度、安装倾角、被冲蚀材料的特性。本文考虑了颗粒的流动速度、粒径,以及安装倾角对光伏组件表面冲蚀情况的影响。在模拟过程中,环境温度、颗粒的形状、光伏组件表面的材料等均没有发生改变。冲蚀率指单位时间内,被冲蚀材料单位表面上发生冲蚀的质量。其中,单位时间内光伏组件单位表面上冲蚀率的最大值为最大冲蚀率Rmax；单位时间内整个光伏组件表面上冲蚀率的平均值为平均冲蚀率Rev。本文基于Rmax,Rev对不同条件下光伏组件表面的冲蚀磨损进行分析。3.1 风速
10、对光伏组件表面冲蚀率的影响图2为当安装倾角为45 ,沙粒粒径为10m时,不同风速下光伏组件表面的冲蚀率云图。由图2可知,最大冲蚀点主要分布在光伏组件的底部区域,这是由于：光伏组件存在一定的安装倾角,使得光伏组件底部区域比其他区域更接近风的入口,当随风运动的沙粒遇到光伏组件时,光伏组件的下边缘最先与沙粒发生碰撞,并且此时沙粒的流动速度较大,因此易发生冲蚀；与光伏组件其他部位碰撞并回弹的沙粒在自身重力的作用下,会与光伏组件底部区域发生二次碰撞或滑落而再次发生冲蚀。由图2还可看出,当风速较低时,光伏组件表面的冲蚀率分布得较为分散,这使得光伏组件表面的各个位置均发生冲蚀；当风速图1 计算域模型Fig.
11、1Calculationdomainmodel光伏组件模型四面体网络大域模型六面体网络小域模型224可再生能源 2018,36(2)万方数据较高时,发生冲蚀的部位会比较集中。不同风速情况下的Rmax,Rev见图3。由图3可知,随着风速的增大,Rmax呈现出指数增长的变化趋势,这与Finnie11的研究结果相接近。当风速分别为5,10,15,20m/s时,光伏组件表面上Rmax与Rev之间的差值分别为3.707810-9,4.852510-9,8.826310-9,1.995710-8。由图3还可看出,Rev的变化趋势与Rmax一致,这说明随着风速的逐渐增大,光伏组件表面整体上的冲蚀率随之增大。
12、3.2 沙粒粒径对光伏组件表面冲蚀率的影响不同沙粒粒径情况下,光伏组件表面的Rmax,Rev见图4。当安装倾角为45,风速为10m/s,沙粒粒径为10,20,30,40,50,60 m时, Rmax与Rev之间的差值分别为4.852 510-9,8.662 710-9,6.124010-9,7.654 910-9,5.669 010-9,5.130 410-9。其中,沙粒粒径为10m时对应的差值最小,其次是沙粒粒径为60m的工况。这是由于：当沙粒粒径为10m时,光伏电池表面的冲蚀率较小,导致Rmax与Rev相接近；当沙粒粒径为60m时,风速在携带沙粒的过程中会损耗更多的能量,因此,当沙粒与光伏
13、组件发生碰撞时,对光伏组件表面的冲蚀程度比较轻微,最终导致Rmax与Rev也比较接近。由图4还可看出,当沙粒粒径逐渐增大时,Rmax变化不大,基本保持在同一个数量级内,该结果与黄思12的研究结果相似,这说明沙粒粒径的改变对光伏组件表面的冲蚀率影响较小。3.3 安装倾角对光伏组件表面冲蚀率的影响图5为不同安装倾角情况下,光伏组件表面的冲蚀率云图。由图5可知,当沙粒粒径为10m,风速为10m/s时,若安装倾角小于90,则光(a)风速为5m/s (b)风速为10m/s9E-108E-107E-106E-105E-104E-103E-102E-101E-101.9E-091.7E-091.5E-091
14、.3E-091.1E-099E-107E-105E-103E-101E-10(c)风速为15m/s (d)风速为20m/s3.4E-093.0E-092.6E-092.2E-091.8E-091.4E-091.0E-096.0E-102.0E-107E-096E-095E-094E-093E-092E-091E-09图2 不同风速情况下，光伏组件表面的冲蚀率Fig.2 Erosion rate of different particle velocity图3 不同风速情况下，光伏组件表面的最大冲蚀率和平均冲蚀率Fig.3 The maximum and average erosion rate
15、 ofPV modules surface under different wind speed风速/ms-15 10 15 20250200150100500平均冲蚀率最大冲蚀率图4 不同沙粒粒径情况下，光伏组件表面的最大冲蚀率和平均冲蚀率Fig.4ThemaximumandaverageerosionrateofPVmodulessurfaceunderdifferentparticlesizes沙粒粒径/m10 20 30 40 50 60908070605040302010平均冲蚀率最大冲蚀率225赵明智，等 基于DPM模型的光伏组件冲蚀磨损特性分析万方数据伏组件表面底部边缘的冲蚀率最
16、大,这与上文中风速对光伏组件表面冲蚀率影响的研究结果相一致。随着安装倾角的增大,光伏组件表面的最大冲蚀点分布得越来越分散,光伏组件表面上Rmax与Rev之间的差值逐渐减小,这是因为随安装倾角的增大,光伏组件的迎风面积随之增加,光伏组件表面的冲蚀点逐渐分散,不会局限在某一个区域。图6为不同安装倾角情况下,光伏组件表面的Rmax,Rev的变化情况。由图6可知,在其他条件不变的情况下,随安装倾角的增大,光伏组件表面的Rmax,Rev整体上呈逐渐减小的变化趋势。当安装倾角为75时,Rmax达到最小值,为3.789410-9。45安装倾角为光伏组件表面最大冲蚀率变化的分界点。当安装倾角为030时,也为0
17、30,此时,光伏组件表面(通常为钢化玻璃,属于脆性材料)的冲蚀率较大；当安装倾角为4590时,光伏组件表面的冲蚀率较小。这与Kleis利用1000目(9m)SiC粒子冲击钢化玻璃所得到的实验结果(最大冲蚀角约为30)相一致。根据冲蚀理论可知,塑性材料的最大冲蚀角为2030。然而,作为脆性材料的钢化玻璃却表现出了塑性材料的特性,因此,可以认为此时的钢化玻璃已经发生了脆塑性转变13。(f)安装倾角为751.4E-091.2E-091.0E-098.0E-106.0E-104.0E-102.0E-10(a)安装倾角为07E-096E-095E-094E-093E-092E-091E-09(b)安装倾
18、角为155.5E-094.5E-093.5E-092.5E-091.5E-095.0E-10(c)安装倾角为303.8E-093.4E-093.0E-092.6E-092.2E-091.8E-091.4E-091.0E-096.0E-102.0E-10(d)安装倾角为451.9E-091.6E-091.3E-091.0E-097.0E-104.0E-101.0E-10(e)安装倾角为602.4E-092.2E-092.0E-091.8E-091.6E-091.4E-091.2E-091.0E-098.0E-106.0E-104.0E-102.0E-10图5 不同安装倾角下冲蚀率Fig.5 Er
19、osion rate of different installation angles(g)安装倾角为901.5E-091.3E-091.1E-099.0E-107.0E-105.0E-103.0E-101.0E-10图6 不同安装倾角情况下，光伏组件表面的最大冲蚀率和平均冲蚀率Fig.6ThemaximumandaverageerosionrateofPVmodulessurfaceunderdifferentinstallationangle安装倾角/()0 15 30 45 60 75 90180160140120100806040200平均冲蚀率最大冲蚀率226可再生能源 2018,3
20、6(2)万方数据227赵明智，等 基于DPM模型的光伏组件冲蚀磨损特性分析4 结论本文运用离散相模型,分析了不同的风速、沙粒粒径、安装倾角情况下,光伏组件表面冲蚀率的变化情况,研究结果如下。光伏组件的底部边缘最容易发生冲蚀；风速是影响光伏组件表面冲蚀率的重要因素,光伏组件表面的冲蚀率随着风速的增大而呈现出指数增长的变化趋势。随着沙粒粒径的增大,光伏组件表面的最大冲蚀率和平均冲蚀率变化不大,均在同一个数量级内,这说明沙粒粒径不是影响光伏组件表面冲蚀率的主要因素。在安装倾角发生变化的情况下,光伏组件表面的封装材料会发生脆塑性转变；随着安装倾角的增大,光伏组件表面的最大冲蚀率和平均冲蚀率整体上呈现出
21、逐渐下降的变化趋势,这说明安装倾角是影响光伏组件表面冲蚀率的重要因素。参考文献：1赵明智.槽式太阳能热发电站微观选址的方法研究D.呼和浩特：内蒙古工业大学,2009.1 Zhao Mingzhi.Method research of parabolic trough solarthermal power plant site selection D.Hohhot：InnerMongolia University of Technology,2009.2章激扬,李达,杨苹,等.光伏发电发展趋势研究J.可再生能源,2014,32(2)：127-132.2 Zhang Jiyang,Li Da,Ya
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30、jing 100013, China)Abstract： Erosion wear behavior of sand grains on the surface of photovoltaic (PV) modules wassimulated in sandstorm gas-solid two-phase flow using discrete phase model(DPM). The influenceof wind speed, sand particle size and installation inclination on the surface erosion rate of
31、 PVmodules was analyzed. The results show that the erosion rate of PV modules varies exponentiallywith wind speed, and also changes obviously with different installation inclinations. So that, windspeed and installation inclination are two main factors that affect surface erosion rate of PVmodules.Key words： photovoltaic module； two-phase flow； DPM model； erosion228可再生能源 2018,36(2)Rural Water and Hydropower,2016(7)：103-106.13董刚.材料冲蚀行为及机理研究D.杭州：浙江工业大学,2004.13 Dong Gang. Study on the erosion wear behaviors andmechanisms of several materialsD.Hangzhou：ZhejiangUniversity of Technology,2004.万方数据