水面双面光伏系统的热光权衡：低于海平面半干旱地区的倾角优化研究

为解决半干旱地区水面双面光伏(BPV)系统在热管理(thermal mitigation)与光学捕获(optical alignment)间的平衡难题，研究人员在约旦Al-Karameh Dam开展五组不同倾角(0°-90°)的对照实验。结果表明60°倾角实现最高日输出功率(194.9 W)，较水平放置提升49%，揭示了蒸发冷却(evaporative cooling)与背面辐照(back-irradiance)的交互机制，为大型浮动双面光伏(FPV-BPV)系统部署提供关键设计依据。

　　

在全球能源转型与水资源短缺的双重挑战下，约旦这个年蒸发量达降雨量94%的国家正面临严峻考验。作为全球水资源最匮乏的地区之一，该国同时拥有得天独厚的太阳能资源（约旦河谷日均辐射5000-5600 Wh/m²），这种矛盾催生了水面双面光伏(Bifacial Photovoltaics, BPV)技术的创新探索。传统光伏系统面临土地占用、组件过热等瓶颈，而水面安装虽能利用水体冷却效应，却需在蒸发降温与辐照捕获间寻找微妙平衡——这正是当前可再生能源领域亟待解决的核心难题。

马来西亚理科大学(Universiti Sains Malaysia)的研究团队选择低于海平面300米的Al-Karameh Dam作为天然实验室，通过物联网(IoT)数据采集系统实时监测五组不同倾角（0°、15°、30°、60°、90°）双面光伏阵列的性能表现。这项发表于《Journal of Cleaner Production》的研究首次在半干旱环境下实现多倾角同步对照，揭示了热光权衡(Thermal-optical trade-offs)的内在规律。

研究采用的关键技术包括：1）基于人工池塘构建标准化测试环境；2）物联网远程监测系统实现温度、辐照度、输出功率等参数同步采集；3）控制单一变量（倾角）的对比实验设计；4）结合气候数据（柯本气候分类BSh型）进行系统性能评估。

【热与冷却性能】数据显示水平放置（0°）模块温度最低（正午低5-10°C），得益于最大蒸发冷却效应，但其日间辐照捕获不足导致功率输出受限。相反，60°倾角组件虽工作温度升高，却通过增强正午直射辐照和背面反射实现性能突破。

【光学性能】垂直排列（90°）在背面辐照增益方面表现突出，但正午能量产出显著降低。30°-60°倾角范围展现出最佳的折中特性，其中60°配置的背面反射增益达到峰值，印证了"光学对齐"对双面组件的关键作用。

【电学性能】功率输出曲线呈现明显的抛物线特征，60°倾角以194.9W的日输出功率成为最优解，较水平基准提升49%。值得注意的是，30°倾角在温度应力与能量产出间展现出最佳平衡，为注重系统寿命的场景提供替代方案。

【交互机制】研究首次量化了蒸发冷却与辐照捕获的拮抗效应：每增加10°倾角，组件温度上升约1.2°C，同时背面辐照增益提升8-15%。这种非线性关系解释了为何传统"纬度等于最佳倾角"的经验法则在此类环境中失效。

这项研究为半干旱地区水面光伏部署提供了重要设计准则：当以最大功率输出为目标时，60°倾角是最优选择；若优先考虑降低热应力，则30°倾角更为适宜。其创新价值在于：1）建立多参数耦合作用模型；2）验证双面技术在水体环境中的增益潜力；3）提出适用于低于海平面地区的倾角修正系数。这些发现不仅直接支持联合国可持续发展目标SDG7（可负担清洁能源）和SDG11（可持续城市），更开辟了包括水面覆盖率、反照率(albedo)优化等后续研究方向，为全球缺水地区的能源-水纽带(Water-Energy Nexus)问题提供了创新解决方案。