基于高频气流的光伏组件除尘机理与多级扩张腔喷头研究

摘要

在世界能源日益紧张的今天，太阳能光伏发电得到世界各国的大力推广。在光伏发电飞速发展的同时，更应注重发展质量，如何提高光伏电站发电效率，是值得探索研究的重要课题，其中解决表面粘附的积尘问题正是提高光伏发电性能的关键因素之一。本文针对现有除尘装置除尘效率低、对光伏板表面有损伤等问题，对基于高频气流的光伏板表面除尘机理与装置设计进行系统、深入的研究，从而在不损坏光伏面板表面的前提下，达到去除粘附颗粒的最佳效果。论文的主要内容和结论如下:
　　1.通过借鉴经典固体表面吸附力学基础理论及模型，分别建立干燥和湿润环境下光伏板表面颗粒吸附的力学模型。通过分析典型光伏板表面的积尘环境，确定颗粒与光伏板表面各物理特性参数及其分布，并将各参数及其分布引入模型中。根据湍流场作用时颗粒脱离表面时的运动方式，建立湍流作用下粘附颗粒脱离表面的计算模型，最终采用MonteCarlo模拟方法计算得到使积尘脱离光伏板表面的临界气流剪切速度。
　　2.运用Solidworks软件建立多级扩张腔喷头的三维模型，通过改变喷头进气口的个数、位置以及进气方向得到多个喷头结构方案。利用FLUENT软件对喷头内部的流场进行仿真分析，得到不同喷头的内部流场与出口气流速度，结果表明在储气腔的中部设置一个竖直进气口、进气口和多级扩张腔分别偏向储气腔一侧的结构，出气口各监测点速度分布最为均匀。
　　3.根据光伏板表面积尘情况通过EDEM软件建立颗粒群离散元模型，通过多级扩张腔喷头出口与光伏板表面间的流场分析，得到颗粒群附近的流场分布状态。采用EDEM软件与FLUENT软件耦合的方式对高频气流下光伏板表面积尘的去除情况进行仿真分析，为最终实现基于高频气流的光伏板表面除尘装置设计提供理论依据。
　　4.根据高频气流喷头的工作条件和参数，设计光伏板表面除尘装置，完成光伏板表面除尘试验系统与平台搭建。通过模拟光伏发电环境并检测光伏板的发电性能参数，确定基于高频气流的光伏板表面除尘装置的除尘效率，从而对所建立的模型进行验证，以满足光伏板表面除尘要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的目的与意义

1．2 颗粒粘附机理与光伏板表面清洁技术研究现状

1．2．1 灰尘颗粒粘附与脱离机理

1．2．2 光伏组件表面除尘技术

1．3 基于高频气流的非接触式除尘方式

1．4 课题主要内容与研究方法

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究的技术路线

1．5 本章小结

第2章 湍流作用下粘附颗粒的脱离机理

2．1 灰尘颗粒在光伏板表面的粘附机理及力学模型

2．1．1 灰尘颗粒的复合力学模型

2．1．2 基于表面能的灰尘颗粒粘附力分析

2．2 湍流对于灰尘颗粒的气流作用力与力矩

2．3 湍流作用下灰尘颗粒的脱离模型

2．4 灰尘颗粒脱离的Monte Carlo模拟与讨论

2．5 本章小结

第3章 多级气流扩张腔喷头设计

3．1 基本模型及计算设置

3．1．1 多级扩张腔喷头的几何模型

3．1．2 喷头流场的理论模型

3．1．3 计算设置

3．2 原始模型流场特性分析

3．3 多种进气方案仿真分析

3．3．1 两侧水平方向进气

3．3．2 中部水平方向进气

3．3．3 中部和两侧同时进气

3．3．4 中部竖直方向进气

3．4 本章小结

第4章 多级扩张腔喷头除尘仿真研究

4．1 离散元素法基本介绍

4．1．1 离散元素法的应用与基本原理

4．1．2 离散元素法的颗粒模型

4．1．3 颗粒模型运动方程

4．2 EDEM软件及其与FLUENT软件的耦合仿真

4．2．1 耦合基本理论

4．2．2 耦合控制方程

4．2．3 耦合基本设置

4．3 多级扩张腔喷头除尘的EDEM-CFD仿真

4．3．1 仿真参数的设置

4．3．2 仿真模型的建立

4．3．3 仿真结果

4．4 本章小结

第5章 多级扩张腔喷头性能试验研究

5．1 多级扩张腔喷头加工及构造

5．2 多级扩张腔喷头出气口气流速度验证试验

5．2．1 试验设备与方法

5．2．2 试验结果与分析

5．3 多级扩张腔喷头除尘性能试验

5．3．1 试验设备

5．3．2 试验颗粒的选择

5．3．3 试验原理与步骤

5．3．4 干燥环境下多级扩张腔喷头除尘试验与分析

5．3．5 湿润环境下多级扩张腔喷头除尘试验与分析

5．4 多级扩张腔喷头与超级风刀除尘性能的比较

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

附录