《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Dust-induced transmission attenuation in solar photovoltaic modules: A simplified theoretical model
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本文针对灰尘沉积导致光伏（PV）组件透射率衰减、进而影响发电效率的关键问题，研究人员开展了“灰尘引起的光伏组件透射率衰减简化理论模型”研究。他们开发了八种适用于不同沉积条件（单层/多层、均匀/非均匀颗粒、法向/非法向入射）的透射率计算模型，系统阐明了灰尘沉积量（Jd）、粒径（r）和太阳入射角（α）对组件透射率（τ）的影响机制。模型预测结果与实验数据吻合良好，相对误差小于7%，验证了模型的可靠性。该研究为准确预测污染条件下光伏系统性能、优化清洁策略提供了重要的理论依据和量化工具。
在全球能源转型和碳中和目标的驱动下，太阳能光伏发电作为一种清洁、可再生的能源技术，正扮演着越来越重要的角色。然而，户外环境中的光伏组件表面不可避免地会沉积灰尘、沙粒等污染物。这些微小的颗粒物如同给组件蒙上了一层“面纱”，它们阻挡、吸收和散射太阳光，导致到达光伏电池片的光能减少，组件透射率下降，最终造成发电量损失。这一问题在干旱、多风沙地区尤为突出，严重影响了光伏电站的运行效率和经济效益。尽管已有大量研究通过实验手段观测了灰尘沉积对组件输出功率或玻璃透射率的影响，但这些研究往往具有地域局限性，且对灰尘沉积状态（如单层还是多层覆盖）、颗粒尺寸分布以及太阳光入射角度等关键因素如何共同影响透射率衰减的内在机理尚缺乏系统、普适的理论描述。因此，开发能够准确预测在不同灰尘污染条件下光伏组件透射率变化的理论模型，对于评估发电损失、制定科学有效的组件清洗方案、保障光伏系统高效稳定运行具有至关重要的意义。
为了填补这一研究空白，Weiping Zhao、Shuai Hu、Zhiguang Dong和Fang Zhao在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》上发表了他们的研究成果。该研究旨在建立一套简化的理论模型，以量化分析灰尘沉积量、颗粒粒径和太阳入射角对光伏组件透射率的综合影响。研究人员基于NASA提出的颗粒重叠模型基本思想，并引入了一系列合理的简化假设（如颗粒为球形、密度均匀、忽略破碎团聚等），系统推导了八种不同的透射率计算模型。这些模型覆盖了多种实际可能的情景组合：颗粒沉积方式（多层或单层）、颗粒尺寸分布（均匀或非均匀对数分布）以及太阳光入射情况（法向入射或非法向入射）。模型的核心物理图像在于，灰尘导致的透射率降低主要源于颗粒对光线的遮挡，其衰减程度与未被颗粒覆盖的有效受光面积占总面积的比例直接相关。
研究过程中，作者首先建立了适用于法向太阳入射的基本模型框架。对于多层沉积情况，模型推导考虑了颗粒的透明系数（χ）以及因颗粒重叠导致的遮挡面积变化，最终得到了透射率与灰尘沉积量、颗粒密度（ρ）、粒径等参数之间的指数函数关系（如模型I）。对于单层沉积，模型则简化为线性关系。接着，研究进一步扩展到更符合实际的非法向太阳入射情形。此时，倾斜入射的光线会使球形颗粒在组件表面投下椭圆形的阴影，遮挡面积与入射角α的余弦（cosα）成反比。通过几何分析，研究者将cosα因子引入到上述法向入射模型中，从而得到了适用于斜入射条件的更通用模型（如模型V、VII）。为了验证所开发模型的合理性，研究者收集了已发表文献中的实验数据，并将模型预测结果与这些实测值进行了对比。通过不确定性分析和相对误差计算，证实了大多数模型预测值与实验数据吻合良好，相对误差控制在7%以内，尤其是考虑了非正常入射角的模型（V和VII）通常表现出与实验数据更好的一致性。
研究结果部分通过详细的公式推导和图表展示，系统地揭示了各因素对透射率的影响规律。
在“灰尘积累量对组件透射率的影响”部分，模型计算清晰表明，在所有模型下，组件透射率均随灰尘沉积量（Jd）的增加而呈下降趋势。例如，对于30μm的颗粒，当沉积量从1 g/m2增加到20 g/m2时，根据不同模型预测，透射率衰减率可达35.1% 至 63.1%。同时，粒径越大，相同质量沉积造成的透射率衰减越小，因为大颗粒数量少，总遮挡面积小。
在“粒径对组件透射率的影响”部分，分析指出，在沉积量一定时，组件透射率随颗粒粒径的增大而增加，但增长速率逐渐放缓。这是因为大颗粒数目少，覆盖面积趋于饱和。例如，在5 g/m2沉积量下，粒径从15μm增大到30μm，透射率可提升约5.85% 到 9.59%。
在“太阳入射角对组件透射率的影响”部分，结果表明，随着太阳入射角（α）的增大，组件透射率逐渐下降，且当入射角超过60°后，下降趋势尤为显著。这是因为入射角增大会增大颗粒的投影遮挡面积。例如，在5 g/m2沉积、30μm粒径下，入射角从0°增至90°，透射率从0.869降至0。
在“基于透射率模型的光伏组件输出功率预测”部分，研究者进一步将透射率模型与光伏组件光电转换效率模型相结合，预测了灰尘污染下的组件输出功率。结果显示，输出功率随灰尘积累量的增加而下降，且不同模型预测的功率值存在差异，这为评估实际发电损失提供了量化工具。
综上所述，本研究成功开发并验证了一系列用于计算灰尘污染下光伏组件透射率的简化理论模型。这些模型系统地刻画了灰尘沉积量、颗粒粒径和太阳入射角这三个关键参数与透射率之间的定量关系。研究结论强调，灰尘沉积显著降低组件透射率和输出功率，其影响程度强烈依赖于颗粒特性（尺寸、分布）和光照条件（入射角）。相比只考虑法向入射的模型，那些纳入太阳入射角影响的模型（如模型V、VII）能更准确地反映实际运行条件下的性能衰减。该研究的意义在于，所提出的模型为光伏系统在污染环境下的性能预测、发电量评估以及经济高效的清洁维护策略的制定提供了重要的理论依据和实用工具。尽管模型在颗粒形状、团聚效应和复杂粒径分布等方面仍有简化，但其框架为后续更精细化的模型研究奠定了基础。未来的工作可以朝着集成自清洁涂层影响、考虑非球形颗粒以及基于更全面的实验数据进行模型验证和优化等方向拓展。
