热带气候下风速与环境温度对光伏系统热性能影响的数值研究

本研究针对热带气候下光伏(PV)系统效率受环境因素制约的问题，采用三维计算流体动力学(CFD)模拟了单晶硅光伏模块在不同风速(0.5-6 m/s)和环境温度(300-305 K)下的热行为。研究发现风速提升至3 m/s可使PV模块温度降低15°C，而环境温度每升高1 K直接导致模块温度同步上升。研究通过SST k-ω湍流模型和网格独立性验证，揭示了环境参数与PV转换效率(PVCE)的非线性关系，为热带地区光伏系统优化设计提供了关键数据支撑。

　　

在全球能源转型背景下，光伏技术作为可再生能源的重要支柱，其效率提升始终是研究焦点。然而在高温高湿的热带地区如马来西亚，光伏模块常因环境温度升高和风速波动导致显著效率衰减。现有研究多忽略温度分布的时空异质性，且缺乏针对热带气候的系统分析，这严重制约了光伏系统在关键气候区的性能优化。

马来西亚的研究团队通过三维计算流体动力学(CFD)模拟，首次系统揭示了单晶硅光伏模块在热带气候条件下的热力学响应规律。研究采用Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型，对SL-50AA36型光伏模块进行多参数仿真，涵盖0.5-6 m/s风速范围和300-305 K环境温度梯度。通过7,314,459个网格单元的精细划分和实验数据验证，建立了环境参数与模块温度的定量关系模型。

关键技术方法包括：1) 基于有限体积法的ANSYS Fluent 2022 R2求解器；2) 稳态条件下的SST k-ω湍流模型；3) 包含玻璃层(3 mm)、PV电池(0.3 mm)、背板(0.3 mm)和铝框(3 mm)的多层结构建模；4) 等效热通量600 W/m²的边界条件设置；5) 网格独立性验证与Nizetic等实验数据的交叉验证。

4.1 风速与对流的作用
研究发现风速增加对冷却效果呈现显著非线性特征：0.5→1 m/s风速提升可降低温度25-30 K，而5→6 m/s仅产生1 K降温。流场可视化显示面板下方气流紊乱度较上方高87%，这解释了中央区域易形成热点的现象。

4.2 环境温度变化影响
数据证实环境温度与模块温度存在严格线性关系，305 K环境温度下模块平均温度较300 K基准升高5.2 K。这种关系在全部风速条件下保持稳定，表明温度补偿机制需独立于风速调控。

4.3 环境因子的协同效应
多参数分析表明300 K环境温度配合6 m/s风速可实现最低工作温度(314.2 K)，较305 K+0.5 m/s组合降低23.7 K。热成像显示低速风时温度不均匀度达15.4 K，而6 m/s时降至4.8 K。

研究结论指出：1) 风速≤4 m/s时冷却效益显著，超出此阈值则边际效益锐减；2) 环境温度变化以1:1比例传导至模块温度；3) 中央区域热聚集效应与底部湍流不足直接相关。这些发现为热带地区光伏阵列间距设计、倾角优化和被动冷却系统开发提供了定量依据，特别是指出在典型热带风速(2-3 m/s)区间存在最佳冷却效益窗口。未来研究可结合相变材料(PCM)与本研究揭示的气流规律，开发混合热管理策略，有望将马来西亚地区光伏效率提升6.5%以上。