综述：关于浮动光伏系统冷却方法的综述

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A review of cooling methods for floating photovoltaic systems

　　**摘要**
浮动光伏（FPV）系统为大规模可再生能源发电提供了有前景的途径；然而，模块温度的升高会降低电气效率并加速材料老化。尽管针对FPV冷却的研究不断增加，但其性能和技术经济效益的定量综合分析仍较为有限。本研究对FPV冷却技术进行了新颖的半系统性回顾，分析了它们的热行为、电气性能和经济可行性。通过结构化的文献筛选流程，确定了44项相关研究，并从中选择了8项代表性研究，对五种关键的冷却方法进行了详细比较分析。结果表明，FPV冷却技术的性能和适用性受到气候条件、系统配置和运行策略的显著影响。主动冷却方法可将温度降低多达36°C，考虑到辅助能量（<输出的1%）后，净效率可提高11.7%。被动系统虽然温度降低幅度较低（3-15°c），但具有显著的经济效益，包括电力成本降低高达17.7%。研究表明，尽管主动冷却方法具有更优的热性能，但被动系统在大规模部署方面更具可扩展性和成本效益。通过整合热分析、经济分析和准备度分析，本综述为开发高效冷却方法提供了结构化的路线图。

**引言**
全球向可再生能源转型的加速推进，加剧了对更高效、可持续且节省土地的太阳能技术的需求[1]。根据国际可再生能源机构（irena）的数据，2010年至2021年间，大规模光伏（pv）安装的全球加权平均平准化成本（lcoe）下降了88%，从0.417美元/千瓦时降至0.048美元/千瓦时。仅在2021年，pv成本就同比下降了13%[2]。这一价格下降主要得益于累积生产能力的显著增长。尽管pv系统的部署呈指数级增长，但在多样化环境条件下（尤其是热应力条件下）保持高电力输出和长期可靠性仍然是一个关键挑战[3]。除了热效应外，电优化策略（如最大功率点跟踪（mppt）[5]，包括智能控制算法[6]，在波动的辐照条件下也起着关键作用[7]。在这种背景下，fpv技术作为一种利用水表面作为pv面板安装场所的前沿技术应运而生[8]。然而，尽管其采用迅速，对其热管理策略和性能影响的系统理解仍然有限[9]。因此，本文旨在通过整合、分析和评估专门为fpv系统开发的多种冷却方法，来填补这一知识空白。

fpv系统依靠浮筒和系泊结构提供浮力和结构支持，使太阳能面板能够保持漂浮[10]。除了节省土地[11]外，fpv技术还提供了其他多项好处[12]。研究表明，通过部分覆盖水面，fpv系统可将水分蒸发减少17-28%，有助于保护淡水资源[13]，这一点在干旱地区和水资源安全方面尤为宝贵[14]。遮荫效果还能抑制藻类和其他不良水生植物的生长，同时fpv阵列有助于防止风和水流造成的海岸侵蚀[15]。与地面安装的模块相比，fpv面板在干燥气候下也不易积尘[16]，从而降低了维护成本。fpv还可以与水力发电设施共址，共享基础设施，提高能源供应的韧性和可靠性[14]。此外，利用水体作为散热器，fpv可以有效降低pv模块的运行温度5-11°c，从而提高能源效率并延长系统寿命。这些温度降低已被观察到能将电气效率提高10-17%[17]。由于pv电池温度每升高1°c，电气效率平均下降0.5%，因此有效的冷却系统已成为降低pv面板温度的关键策略，从而提高电气效率和系统寿命[18]。附录a1提供了pv效率与温度依赖性的简要描述。

基于这些优势，fpv行业正在迅速发展，市场预测未来十年的复合年增长率（cagr）约为15%，到2031年全球安装容量预计将超过58吉瓦。2022年，亚洲在全球部署中领先，中国、印度和印度加起来占据了近70%的市场需求[19]。温度控制在提高fpv系统性能方面的重要作用吸引了越来越多的研究关注[20]。光伏模块的冷却策略被认为是降低运行温度的有效手段，从而提高电气效率并延长系统寿命。然而，大多数现有综述主要关注应用于传统地面安装[23]或聚光光伏（cpv）[24]的冷却方法（无论是主动[21]还是被动[22]），这些系统的运行温度通常高于fpv应用[23]。

表1总结了与pv技术和冷却应用相关的以往综述研究。总体来看，以往的研究主要集中在陆地或cpv配置上，对fpv特定冷却方法的讨论较少。为弥补这一差距，本研究探讨了专门针对fpv应用的冷却方法。鉴于fpv部署的快速扩展，本研究旨在推动fpv技术发展成为更高效、可靠且经济可行的大规模发电选项。通过提供fpv冷却方法的全面分析，本研究旨在填补这一空白，特别关注温度效应、冷却效果、技术经济性能和技术准备度水平（trl）。为了说明本研究的贡献，表1提供了关于光伏冷却系统的现有综述文章的比较概览，强调了它们的范围、方法学重点和关键限制。这一比较清楚地表明，目前缺乏同时解决fpv应用中性能、经济和技术准备度方面的综合框架。

**表1. 以往文献综述与本研究的比较**
| 年份和参考文献 | 主要焦点 | 综述方法 | 技术经济评估 | trl评估 | 主要限制 |
|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------------------|
| royne等人，2005 [24] | 聚光太阳能辐照下的pv冷却方法 | | | | |
| | | | | |
| charalambous等人，2007 [25] | 混合光伏-热（pv/t）收集系统 | | | |
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| michel等人，2013 [26] | 微技术和纳米技术在cpv冷却中的应用 | | | |
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| trapani和santafé，2015 [27] | 首次关于fpv安装的全面综述（2007-2013年）| | | |
| | | | | |
| sahu等人，2016 [8] | fpv系统的设计和配置 | | | |
| | | | | |
| bahaidarah等人，2016 [28] | cpv的温度均匀性和冷却方法 | | | |
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| sargunanathan等人，2016 [21] | 通过冷却方法提高地面pv系统的性能 | | | |
| | | | | |
| siecker等人，2017 [23] | 通用pv应用的冷却方法综述 | | | |
| | | | | |
| mahdavi等人，2022 [22] | pv系统的被动冷却方法专门综述 | | | |
| | | | | |
| pathak等人，2023 [29] | pv/t系统中的热提取方法综述 | | | |
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| harmailil等人，2024 [30] | 地面pv模块的冷却方法评估 | | | |
| | | | | |
| ahmed等人，2024 [31] | pv冷却技术的最新进展 | | | |
| | | | | |
| koondhar等人，2024 [32] | fpv技术综述，包括系统组件、性能比较、环境影响和全球部署趋势 | | | |
| | | | | |
| | 突出自然水冷效应 | | | |
| | | 缺乏定量标准化，主要为定性综合 |
| farh等人，2024 [33] | 全球光伏最大功率点跟踪研究的系统性和科学计量学综述 | | | |
| | | | | |
| | 缺乏fpv相关性和定量热-电耦合分析 |
| nkado等人，2025 [34] | 被动房屋中pv系统采用的综述 | | | |
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| wei等人，2025 [15] | fpv系统的跨学科综述 | | | |
| | 识别自然水冷和被动冷却方法 | | | |
| | | | | |
| | 缺乏正式的trl分类 |

**本研究**
与以往主要关注描述性总结或单维性能分析的综述不同，本研究采用了一种多维比较框架，将热性能、电气效率提升、技术经济指标和trl（技术成熟度）整合在统一的评估方法中。此外，本研究建立了一种基于机制的分类方法，将冷却策略与主导的热传输过程（传导、对流和辐射）和系统配置联系起来，从而能够更深入地解释不同技术之间的性能差异。

**综述方法**
本研究采用了半系统性的文献回顾方法，结合了结构化的搜索和筛选程序与定性综合。与旨在全面量化同质数据集的完全系统性综述不同，半系统性综述特别适用于新兴的多学科主题，因为这些主题在方法、报告格式和运行条件方面存在显著差异[36]。在fpv冷却方法的背景下，现有文献涵盖了实验、数值和试点规模的调查，这些研究的边界条件和性能指标各不相同。因此，这种方法允许进行透明、可重复的选择过程，同时对异质证据进行批判性解释，重点关注潜在的热传输机制、性能趋势和技术经济影响。

**文献搜索策略**
主要使用scopus数据库进行了系统性搜索，该数据库涵盖了广泛的工程和能源相关出版物。仅考虑了2005年至2025年间发表的经过同行评审的期刊文章。搜索基于标题、摘要和关键词字段，使用以下布尔表达式：“floating photovoltaic” or “fpv” and “cooling system”。
选择的研究基于其与fpv特定热管理的相关性。仅包括明确研究fpv系统冷却策略并报告温度降低或效率提升等热或电气性能指标的作品。同时考虑了实验性和数值研究，包括现场规模和验证的建模方法。排除了仅关注地面安装的cpv或建筑集成pv系统的研究，以及那些不进行热分析或缺乏同行评审的研究。图1展示了本文献综述中使用的prisma（系统综述和元分析的优先报告项）流程图[37]。

**筛选过程**
最初识别出234条记录。经过自动化过滤和筛选后，保留了114条记录进行标题/摘要审查。排除不相关的研究后，对111篇全文文章进行了资格评估。其中，44项研究符合纳入标准并被纳入综述。保留的研究随后根据冷却机制（主动或被动）、主导的热传输模式（传导、对流或辐射）和系统配置（如表面冷却、背面冷却或基于循环的系统）以及研究类型（实验、数值或现场规模）进行了系统分类。这种分类使得fpv冷却技术可以进行结构化的比较。为了提高清晰度并避免冗余，最终的综合分析集中在数据集最全面的代表性研究上，共确定了8项关键技术研究，代表了5种不同的fpv冷却技术。每项选定的研究可能包含多项实验或数值研究，作为相应冷却机制的代表性基准，而不是作为一个孤立的数据集。值得注意的是，这些研究中有相当一部分来自少数几个研究团队，反映了fpv冷却技术的早期发展阶段以及工作在这些领先研究团队中的集中。这种集中并不表明综述过程中的偏见，而是反映了该领域的现状，即关于fpv冷却系统的研究仍然有限。 **引言** 全球向可再生能源转型的加速推进，加剧了对更高效、可持续且节省土地的太阳能技术的需求[1]。根据国际可再生能源机构（irena）的数据，2010年至2021年间，大规模光伏（pv）安装的全球加权平均平准化成本（lcoe）下降了88%，从0.417美元 千瓦时降至0.048美元 千瓦时。仅在2021年，pv成本就同比下降了13%[2]。这一价格下降主要得益于累积生产能力的显著增长。尽管pv系统的部署呈指数级增长，但在多样化环境条件下（尤其是热应力条件下）保持高电力输出和长期可靠性仍然是一个关键挑战[3]。除了热效应外，电优化策略（如最大功率点跟踪（mppt）[5]，包括智能控制算法[6]，在波动的辐照条件下也起着关键作用[7]。在这种背景下，fpv技术作为一种利用水表面作为pv面板安装场所的前沿技术应运而生[8]。然而，尽管其采用迅速，对其热管理策略和性能影响的系统理解仍然有限[9]。因此，本文旨在通过整合、分析和评估专门为fpv系统开发的多种冷却方法，来填补这一知识空白。 fpv系统依靠浮筒和系泊结构提供浮力和结构支持，使太阳能面板能够保持漂浮[10]。除了节省土地[11]外，fpv技术还提供了其他多项好处[12]。研究表明，通过部分覆盖水面，fpv系统可将水分蒸发减少17-28%，有助于保护淡水资源[13]，这一点在干旱地区和水资源安全方面尤为宝贵[14]。遮荫效果还能抑制藻类和其他不良水生植物的生长，同时fpv阵列有助于防止风和水流造成的海岸侵蚀[15]。与地面安装的模块相比，fpv面板在干燥气候下也不易积尘[16]，从而降低了维护成本。fpv还可以与水力发电设施共址，共享基础设施，提高能源供应的韧性和可靠性[14]。此外，利用水体作为散热器，fpv可以有效降低pv模块的运行温度5-11°c，从而提高能源效率并延长系统寿命。这些温度降低已被观察到能将电气效率提高10-17%[17]。由于pv电池温度每升高1°c，电气效率平均下降0.5%，因此有效的冷却系统已成为降低pv面板温度的关键策略，从而提高电气效率和系统寿命[18]。附录a1提供了pv效率与温度依赖性的简要描述。 基于这些优势，fpv行业正在迅速发展，市场预测未来十年的复合年增长率（cagr）约为15%，到2031年全球安装容量预计将超过58吉瓦。2022年，亚洲在全球部署中领先，中国、印度和印度加起来占据了近70%的市场需求[19]。温度控制在提高fpv系统性能方面的重要作用吸引了越来越多的研究关注[20]。光伏模块的冷却策略被认为是降低运行温度的有效手段，从而提高电气效率并延长系统寿命。然而，大多数现有综述主要关注应用于传统地面安装[23]或聚光光伏（cpv）[24]的冷却方法（无论是主动[21]还是被动[22]），这些系统的运行温度通常高于fpv应用[23]。 表1总结了与pv技术和冷却应用相关的以往综述研究。总体来看，以往的研究主要集中在陆地或cpv配置上，对fpv特定冷却方法的讨论较少。为弥补这一差距，本研究探讨了专门针对fpv应用的冷却方法。鉴于fpv部署的快速扩展，本研究旨在推动fpv技术发展成为更高效、可靠且经济可行的大规模发电选项。通过提供fpv冷却方法的全面分析，本研究旨在填补这一空白，特别关注温度效应、冷却效果、技术经济性能和技术准备度水平（trl）。为了说明本研究的贡献，表1提供了关于光伏冷却系统的现有综述文章的比较概览，强调了它们的范围、方法学重点和关键限制。这一比较清楚地表明，目前缺乏同时解决fpv应用中性能、经济和技术准备度方面的综合框架。 **表1. 以往文献综述与本研究的比较** | 年份和参考文献 | 主要焦点 | 综述方法 | 技术经济评估 | trl评估 | 主要限制 | |-----------------|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------------------| | royne等人，2005 [24] | 聚光太阳能辐照下的pv冷却方法 | | | | | | | | | | | | charalambous等人，2007 [25] | 混合光伏-热（pv t）收集系统 | | | | | | | | | | | michel等人，2013 [26] | 微技术和纳米技术在cpv冷却中的应用 | | | | | | | | | | | trapani和santafé，2015 [27] | 首次关于fpv安装的全面综述（2007-2013年）| | | | | | | | | | | sahu等人，2016 [8] | fpv系统的设计和配置 | | | | | | | | | | | bahaidarah等人，2016 [28] | cpv的温度均匀性和冷却方法 | | | | | | | | | | | sargunanathan等人，2016 [21] | 通过冷却方法提高地面pv系统的性能 | | | | | | | | | | | siecker等人，2017 [23] | 通用pv应用的冷却方法综述 | | | | | | | | | | | mahdavi等人，2022 [22] | pv系统的被动冷却方法专门综述 | | | | | | | | | | | pathak等人，2023 [29] | pv t系统中的热提取方法综述 | | | | | | | | | | | harmailil等人，2024 [30] | 地面pv模块的冷却方法评估 | | | | | | | | | | | ahmed等人，2024 [31] | pv冷却技术的最新进展 | | | | | | | | | | | koondhar等人，2024 [32] | fpv技术综述，包括系统组件、性能比较、环境影响和全球部署趋势 | | | | | | | | | | | | 突出自然水冷效应 | | | | | | | 缺乏定量标准化，主要为定性综合 | | farh等人，2024 [33] | 全球光伏最大功率点跟踪研究的系统性和科学计量学综述 | | | | | | | | | | | | 缺乏fpv相关性和定量热-电耦合分析 | | nkado等人，2025 [34] | 被动房屋中pv系统采用的综述 | | | | | | | | | | | | | | | | wei等人，2025 [15] | fpv系统的跨学科综述 | | | | | | 识别自然水冷和被动冷却方法 | | | | | | | | | | | | 缺乏正式的trl分类 | **本研究** 与以往主要关注描述性总结或单维性能分析的综述不同，本研究采用了一种多维比较框架，将热性能、电气效率提升、技术经济指标和trl（技术成熟度）整合在统一的评估方法中。此外，本研究建立了一种基于机制的分类方法，将冷却策略与主导的热传输过程（传导、对流和辐射）和系统配置联系起来，从而能够更深入地解释不同技术之间的性能差异。 **综述方法** 本研究采用了半系统性的文献回顾方法，结合了结构化的搜索和筛选程序与定性综合。与旨在全面量化同质数据集的完全系统性综述不同，半系统性综述特别适用于新兴的多学科主题，因为这些主题在方法、报告格式和运行条件方面存在显著差异[36]。在fpv冷却方法的背景下，现有文献涵盖了实验、数值和试点规模的调查，这些研究的边界条件和性能指标各不相同。因此，这种方法允许进行透明、可重复的选择过程，同时对异质证据进行批判性解释，重点关注潜在的热传输机制、性能趋势和技术经济影响。 **文献搜索策略** 主要使用scopus数据库进行了系统性搜索，该数据库涵盖了广泛的工程和能源相关出版物。仅考虑了2005年至2025年间发表的经过同行评审的期刊文章。搜索基于标题、摘要和关键词字段，使用以下布尔表达式：“floating photovoltaic” or “fpv” and “cooling system”。 选择的研究基于其与fpv特定热管理的相关性。仅包括明确研究fpv系统冷却策略并报告温度降低或效率提升等热或电气性能指标的作品。同时考虑了实验性和数值研究，包括现场规模和验证的建模方法。排除了仅关注地面安装的cpv或建筑集成pv系统的研究，以及那些不进行热分析或缺乏同行评审的研究。图1展示了本文献综述中使用的prisma（系统综述和元分析的优先报告项）流程图[37]。 **筛选过程** 最初识别出234条记录。经过自动化过滤和筛选后，保留了114条记录进行标题>
**引言**
全球向可再生能源转型的加速推进，加剧了对更高效、可持续且节省土地的太阳能技术的需求[1]。根据国际可再生能源机构（irena）的数据，2010年至2021年间，大规模光伏（pv）安装的全球加权平均平准化成本（lcoe）下降了88%，从0.417美元/千瓦时降至0.048美元/千瓦时。仅在2021年，pv成本就同比下降了13%[2]。这一价格下降主要得益于累积生产能力的显著增长。尽管pv系统的部署呈指数级增长，但在多样化环境条件下（尤其是热应力条件下）保持高电力输出和长期可靠性仍然是一个关键挑战[3]。除了热效应外，电优化策略（如最大功率点跟踪（mppt）[5]，包括智能控制算法[6]，在波动的辐照条件下也起着关键作用[7]。在这种背景下，fpv技术作为一种利用水表面作为pv面板安装场所的前沿技术应运而生[8]。然而，尽管其采用迅速，对其热管理策略和性能影响的系统理解仍然有限[9]。因此，本文旨在通过整合、分析和评估专门为fpv系统开发的多种冷却方法，来填补这一知识空白。

fpv系统依靠浮筒和系泊结构提供浮力和结构支持，使太阳能面板能够保持漂浮[10]。除了节省土地[11]外，fpv技术还提供了其他多项好处[12]。研究表明，通过部分覆盖水面，fpv系统可将水分蒸发减少17-28%，有助于保护淡水资源[13]，这一点在干旱地区和水资源安全方面尤为宝贵[14]。遮荫效果还能抑制藻类和其他不良水生植物的生长，同时fpv阵列有助于防止风和水流造成的海岸侵蚀[15]。与地面安装的模块相比，fpv面板在干燥气候下也不易积尘[16]，从而降低了维护成本。fpv还可以与水力发电设施共址，共享基础设施，提高能源供应的韧性和可靠性[14]。此外，利用水体作为散热器，fpv可以有效降低pv模块的运行温度5-11°c，从而提高能源效率并延长系统寿命。这些温度降低已被观察到能将电气效率提高10-17%[17]。由于pv电池温度每升高1°c，电气效率平均下降0.5%，因此有效的冷却系统已成为降低pv面板温度的关键策略，从而提高电气效率和系统寿命[18]。附录a1提供了pv效率与温度依赖性的简要描述。

基于这些优势，fpv行业正在迅速发展，市场预测未来十年的复合年增长率（cagr）约为15%，到2031年全球安装容量预计将超过58吉瓦。2022年，亚洲在全球部署中领先，中国、印度和印度加起来占据了近70%的市场需求[19]。温度控制在提高fpv系统性能方面的重要作用吸引了越来越多的研究关注[20]。光伏模块的冷却策略被认为是降低运行温度的有效手段，从而提高电气效率并延长系统寿命。然而，大多数现有综述主要关注应用于传统地面安装[23]或聚光光伏（cpv）[24]的冷却方法（无论是主动[21]还是被动[22]），这些系统的运行温度通常高于fpv应用[23]。

表1总结了与pv技术和冷却应用相关的以往综述研究。总体来看，以往的研究主要集中在陆地或cpv配置上，对fpv特定冷却方法的讨论较少。为弥补这一差距，本研究探讨了专门针对fpv应用的冷却方法。鉴于fpv部署的快速扩展，本研究旨在推动fpv技术发展成为更高效、可靠且经济可行的大规模发电选项。通过提供fpv冷却方法的全面分析，本研究旨在填补这一空白，特别关注温度效应、冷却效果、技术经济性能和技术准备度水平（trl）。为了说明本研究的贡献，表1提供了关于光伏冷却系统的现有综述文章的比较概览，强调了它们的范围、方法学重点和关键限制。这一比较清楚地表明，目前缺乏同时解决fpv应用中性能、经济和技术准备度方面的综合框架。

**表1. 以往文献综述与本研究的比较**
| 年份和参考文献 | 主要焦点 | 综述方法 | 技术经济评估 | trl评估 | 主要限制 |
|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------------------|
| royne等人，2005 [24] | 聚光太阳能辐照下的pv冷却方法 | | | | |
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| charalambous等人，2007 [25] | 混合光伏-热（pv/t）收集系统 | | | |
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| michel等人，2013 [26] | 微技术和纳米技术在cpv冷却中的应用 | | | |
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| trapani和santafé，2015 [27] | 首次关于fpv安装的全面综述（2007-2013年）| | | |
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| sahu等人，2016 [8] | fpv系统的设计和配置 | | | |
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| bahaidarah等人，2016 [28] | cpv的温度均匀性和冷却方法 | | | |
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| sargunanathan等人，2016 [21] | 通过冷却方法提高地面pv系统的性能 | | | |
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| siecker等人，2017 [23] | 通用pv应用的冷却方法综述 | | | |
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| mahdavi等人，2022 [22] | pv系统的被动冷却方法专门综述 | | | |
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| pathak等人，2023 [29] | pv/t系统中的热提取方法综述 | | | |
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| harmailil等人，2024 [30] | 地面pv模块的冷却方法评估 | | | |
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| ahmed等人，2024 [31] | pv冷却技术的最新进展 | | | |
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| koondhar等人，2024 [32] | fpv技术综述，包括系统组件、性能比较、环境影响和全球部署趋势 | | | |
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| | 突出自然水冷效应 | | | |
| | | 缺乏定量标准化，主要为定性综合 |
| farh等人，2024 [33] | 全球光伏最大功率点跟踪研究的系统性和科学计量学综述 | | | |
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| nkado等人，2025 [34] | 被动房屋中pv系统采用的综述 | | | |
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| wei等人，2025 [15] | fpv系统的跨学科综述 | | | |
| | 识别自然水冷和被动冷却方法 | | | |
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| | 缺乏正式的trl分类 |

**本研究**
与以往主要关注描述性总结或单维性能分析的综述不同，本研究采用了一种多维比较框架，将热性能、电气效率提升、技术经济指标和trl（技术成熟度）整合在统一的评估方法中。此外，本研究建立了一种基于机制的分类方法，将冷却策略与主导的热传输过程（传导、对流和辐射）和系统配置联系起来，从而能够更深入地解释不同技术之间的性能差异。

**综述方法**
本研究采用了半系统性的文献回顾方法，结合了结构化的搜索和筛选程序与定性综合。与旨在全面量化同质数据集的完全系统性综述不同，半系统性综述特别适用于新兴的多学科主题，因为这些主题在方法、报告格式和运行条件方面存在显著差异[36]。在fpv冷却方法的背景下，现有文献涵盖了实验、数值和试点规模的调查，这些研究的边界条件和性能指标各不相同。因此，这种方法允许进行透明、可重复的选择过程，同时对异质证据进行批判性解释，重点关注潜在的热传输机制、性能趋势和技术经济影响。

**文献搜索策略**
主要使用scopus数据库进行了系统性搜索，该数据库涵盖了广泛的工程和能源相关出版物。仅考虑了2005年至2025年间发表的经过同行评审的期刊文章。搜索基于标题、摘要和关键词字段，使用以下布尔表达式：“floating photovoltaic” or “fpv” and “cooling system”。
选择的研究基于其与fpv特定热管理的相关性。仅包括明确研究fpv系统冷却策略并报告温度降低或效率提升等热或电气性能指标的作品。同时考虑了实验性和数值研究，包括现场规模和验证的建模方法。排除了仅关注地面安装的cpv或建筑集成pv系统的研究，以及那些不进行热分析或缺乏同行评审的研究。图1展示了本文献综述中使用的prisma（系统综述和元分析的优先报告项）流程图[37]。

**筛选过程**
最初识别出234条记录。经过自动化过滤和筛选后，保留了114条记录进行标题/摘要审查。排除不相关的研究后，对111篇全文文章进行了资格评估。其中，44项研究符合纳入标准并被纳入综述。保留的研究随后根据冷却机制（主动或被动）、主导的热传输模式（传导、对流或辐射）和系统配置（如表面冷却、背面冷却或基于循环的系统）以及研究类型（实验、数值或现场规模）进行了系统分类。这种分类使得fpv冷却技术可以进行结构化的比较。为了提高清晰度并避免冗余，最终的综合分析集中在数据集最全面的代表性研究上，共确定了8项关键技术研究，代表了5种不同的fpv冷却技术。每项选定的研究可能包含多项实验或数值研究，作为相应冷却机制的代表性基准，而不是作为一个孤立的数据集。值得注意的是，这些研究中有相当一部分来自少数几个研究团队，反映了fpv冷却技术的早期发展阶段以及工作在这些领先研究团队中的集中。这种集中并不表明综述过程中的偏见，而是反映了该领域的现状，即关于fpv冷却系统的研究仍然有限。>选择标准优先考虑了在明确操作条件下提供定量热性能和电性能数据的研究，这自然减少了符合条件的出版物数量。

性能指标
性能评估主要关注文献中报告的关键指标，包括温度降低（ΔTc）、电效率提高（Δηc）或功率增益，以及在适用情况下，考虑辅助能源消耗的净性能增益。当有技术经济指标（如LCOE和回收期）时，也会被纳入考虑范围。

此外，每种冷却方法的成熟度使用TRL框架进行评估，考虑到验证水平、部署规模和操作数据的可用性。由于不同研究中的气候条件、系统配置和实验设置的多样性，分析重点在于相对性能趋势和潜在机制，而非直接的数值比较。

方法学限制
尽管采用了结构化的评审方法，但研究之间的比较仍受到气候、系统配置和报告实践差异的限制。因此，本综述侧重于识别冷却机制、性能趋势和可扩展性挑战，而不仅仅是根据报告的数值性能对技术进行排名。

用于光伏（FPV）系统的冷却方法

水幕冷却
FPV最常用的冷却方法是水幕冷却（WVC）和喷淋冷却系统[38]。通过泵送机制，在太阳能电池板表面产生一层水幕。水的折射率为1.33，介于空气（折射率1）和玻璃（折射率1.55）之间。因此，水幕可以减少太阳辐射的反射，使更多辐射到达光伏电池的活跃区域。这两种因素的结合使平均能量收集量增加了10%到12%。这种改进取决于地理位置的纬度[38]以及气候条件[39]。

图2显示了意大利比萨一个FPV电站上的WVC系统。WVC系统使用低压泵为单个太阳能模块提供每分钟1-2升的水幕。在这个发电厂中，一个1千瓦的泵每小时可提供多达100立方米的冷却水，用于约1000块组成250千瓦光伏电站的面板。据称，在650瓦/平方米的辐照度下，面板温度为45摄氏度，而开启冷却后温度降至28摄氏度（ΔTc高达-17摄氏度，约37.8%）[38]。这种温度降低在高太阳辐照度（约650-1000瓦/平方米）和较高环境温度（约25-30摄氏度）条件下，可使电性能提高多达15%。

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重要的是，用于泵送的辅助能源仅占系统总输出的一小部分。根据报告的系统配置，泵送能耗估计约为总电能产生的0.25%，具体取决于系统规模和运行周期。

内部泵送水冷却
另一种用于FPV系统的主动冷却方法是内部泵送水系统，如图3所示。Sheikh Y.A.等人的研究[40]介绍了一种轻质蛇形冷却块，连接到395瓦单晶光伏模块的背面。冷却水从下方的湖泊（深度6米）泵出，并通过与光伏模块背板直接接触的10毫米厚的聚丙烯通道循环。该设计最大化了热交换面积（占光伏模块后部的51.5%），同时保持了低重量和低HEAD损失[40]。

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在标准运行条件（太阳辐照度=1000瓦/平方米，环境温度=35摄氏度）下，未冷却时的FPV平均温度为63-65摄氏度。使用内部泵送水冷却后，FPV温度降至约27摄氏度，降低了约36摄氏度（约57.1%）。每个模块的泵送功率为8.5-15瓦（取决于1个、3个还是5个光伏模块共享一个泵）。

在巴基斯坦Mangla Dam进行的年度性能研究中，利用实际气候数据表明，夏季（5月），这种冷却方法使每个模块的功率输出增加了11.0千瓦时/月（+11.5%）。在扣除循环泵的能耗后，净能量增益（定义为从总输出增加中减去泵送能耗后的有效改进）为每个模块每月8.1千瓦时，相当于8.4%的增加。

冬季（12月），能量增益为4.1千瓦时（+7.7%），净增益为2.2千瓦时（+4.1%）。因此，年度平均增益为9.6%，包括泵送能耗后的净增益为6.2%。因此，强制水冷将FPV模块保持在STC工作温度附近，实现了9-12%的净效率增益和6%的年能量增加，同时所需泵送能耗极低（<1%的输出）。

带鳍片的散热器
对于FPV安装来说，被动冷却系统的应用特别有利，其中带鳍片的散热器被认为是一种有效的解决方案。一项实验研究[41]（见图4）比较了三种配置：标准FPV面板、无鳍片的浸水FPV面板以及装有带鳍片散热器的浸水FPV面板。散热器由七个U形鳍片（50毫米×50毫米×600毫米）组成，这些鳍片由1毫米厚的铝板制成，并附着在光伏模块的背面。研究结果表明，增加浸水面积比例（AR）——定义为浸水面积与整个光伏模块面积的比率——可以降低工作温度，但也会减少辐照度，从而导致功率输出略有下降。最佳配置的AR为20%，工作温度为34.1摄氏度，比标准FPV面板（38.6摄氏度）低4.5摄氏度（或约11.7%），功率输出增加了61.18瓦，相对于标准系统（52.45瓦）增加了16.65%。进一步采用带鳍片的散热器后，温度降至32.9摄氏度（比无鳍片的浸水配置低1.3摄氏度），功率输出增加到65.05瓦，在相同条件下额外提高了6.32%。

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同一作者[42]还对FPV系统的鳍片配置进行了进一步的改进（见图5）。在他们的改进设计中，固体鳍片阵列附着在FPV面板的背面，两端浸入水中，确保光伏模块本身没有任何部分处于水下。研究比较了部分浸入水中的固体鳍片和穿孔鳍片与无鳍片FPV面板的热性能。

在静止条件下（无水流且风速<0.1米/秒），标准FPV面板的温度达到47.0摄氏度，而添加了浸入水中的固体鳍片后温度降至43.1摄氏度，穿孔鳍片后温度降至44.3摄氏度。在有风条件下（风速为5米/秒，水流速为0.3米/秒），固体鳍片和穿孔鳍片的工作温度分别进一步降低到33.7摄氏度和31.4摄氏度。穿孔鳍片在气流下显示出更好的热散热性能，与固体鳍片相比，提高了对流热传递效果。因此，在有风条件下，使用固体鳍片和穿孔鳍片分别将电输出提高了18.1%和22.8%。

自然对流冷却回路
最近的一项研究[43]表明，自然对流冷却回路（NCCL）系统能够在不需要任何外部泵送功率的情况下有效降低FPV面板的工作温度。实验装置如图6所示，包括14×14毫米的方形铝管作为热吸收器，连接到光伏模块的背面；?16毫米的连接管促进流体循环；以及一个位于回路上方的4英寸储水箱，以维持自然循环。

在太阳辐照度范围为350至1050瓦/平方米、平均水温为24.1摄氏度的情况下，NCCL系统将FPV模块的平均工作温度从45.6摄氏度降低到41.9摄氏度，降低了3.8摄氏度（约8.1%）。因此，电功率输出增加了约3.3%，证明了这种被动冷却方法无需额外能量输入的有效性。

同一研究小组的后续研究[44]探讨了储水箱高度对NCCL性能的影响。如图7所示，测试了三种不同储水箱高度的配置：250毫米、750毫米和1250毫米。通过数值模拟和实验验证，研究发现增加储水箱高度可以增强流体循环并提高热传递效率。配备NCCL系统的FPV模块在250毫米、750毫米和1250毫米储水箱高度下的平均工作温度分别为44.3摄氏度、42.1摄氏度和41.1摄氏度。相应地，电效率分别提高了13.6%、17.8%和17.9%。

成本效益分析显示，标准FPV的LCOE分别为0.0665、0.0617、0.0597和0.0598美元/千瓦时；而配备NCCL系统的FPV在250毫米、750毫米和1250毫米储水箱高度下的LCOE分别为0.0617、0.0617和0.0598美元/千瓦时。虽然较高的储水箱提高了热性能，但也增加了资本成本；因此，最佳配置确定为储水箱高度为750毫米。从经济角度来看，这种NCCL方法将LCOE降低了多达10.2%，并将投资回收期缩短了约11.9%（见公式（6）、（7）、（8）、（9）、（10）。

后来提出了改进的NCCL系统[45]，即通过将NCCL与辐射滤波器结合。在这种设计中，冷却流体位于光伏模块上方，能够选择性地过滤掉不参与光子到电能转换的太阳辐射波长，如图8所示。数值结果表明，使用纯水并在不同冷却通道厚度下运行时，最大电效率达到了15.4%，比未冷却的FPV模块（14.9%）提高了3.2%。相反，使用低浓度（5.3 ppm）的Ag-水纳米流体时，效率略低，为15.1%，这是由于其在晶体硅光伏电池（325-1125纳米）的活跃光谱范围内的较高吸收率所致，尽管其工作温度较低。

后续的三维模拟研究[46]进一步验证了混合NCCL-辐射滤波器系统的有效性。模型预测日常平均光伏温度降低了多达15摄氏度（从48.3摄氏度降至33.3摄氏度）。热对流热传递机制占总吸收太阳能的64.48%，表明从光伏表面提取的大部分热量被冷却剂有效带走，而剩余部分通过辐射和表面损失散发。当连接管间距为100毫米时，3D模型与理想化2D模型之间的差异可以忽略不计，平均光伏电池温差仅为0.2%。

冷却方法的比较
冷却方法可以根据（i）冷却介质和系统配置（基于水或空气）以及（ii）主导的热传递机制（传导、对流、辐射和蒸发）进行分类。为了本研究的目的，采用了简化的分类方法，将冷却技术分为主动型和被动型。区分这两种类型至关重要，因为主动冷却方法通常能实现更大的FPV温度降低和电效率提高，但需要外部电源来循环流体。因此，主动冷却的净收益必须考虑到运行过程中消耗的额外能源。相比之下，被动冷却系统依赖自然的热传递机制，无需外部动力，维护要求也很低，尽管其带来的温度降低幅度通常小于主动冷却方法所能实现的效果。图9展示了本研究中采用的FPV冷却方法的分类框架和筛选，为比较分析提供了结构化的基础。下载：下载高分辨率图片（362KB）下载：下载全尺寸图片图9. FPV冷却方法的分类。需要注意的是，一些报告的性能结果来自有限数量的研究团队。尽管存在这种集中现象，但在研究中仍观察到了一致的趋势，特别是关于水基主动冷却的有效性和被动系统的经济技术优势。这些反复出现的模式表明，所识别的性能特征并非孤立现象，而是反映了FPV系统中热传递的基本物理机制。

随后的比较基于关键性能指标来评估每种冷却方法，包括平均温度降低量ΔTc、净电能增益Δηc,net以及经济技术指标，如LCOE（表示系统生命周期内实现成本回收所需的最低电价）和回收期（PP，即通过年度收入生成抵消初始资本投资所需的时间）。给定冷却方法所实现的温度降低量ΔTc是通过方程（1）计算的。其中Tc,FPV是带有冷却系统的FPV模块的日平均温度，Ts,FPV是不带冷却系统的标准FPV模块的日平均温度。FPV模块的日平均温度是在其有效工作期间（通常为日间08:00至17:00）计算的。ΔTc的负值表示有效的冷却效果（即模块温度的降低）。为了确保研究结果的一致性，ΔTc值的解释基于报告的条件，包括辐照度（W/m2）、环境温度（°C），以及在有数据的情况下还包括水温和风速。除了绝对温度降低量外，还定义了百分比温度降低量（方程（2））。这一标准化指标使得在不同气候和工作条件下进行的研究结果之间可以进行一致的比较。(1)ΔTc=Tc,FPV-Ts,FPV(2)ΔTc(%)=Tc,FPV-Ts,FPVTs,FPV

由于冷却带来的电能性能提升（Δηc）可以通过方程（3）中的电能输出（P）差异来确定，或者直接从方程（4）中的电能效率（η）变化来了解。在本研究中，性能评估基于文献中最常报告的指标——即瞬时功率输出、电能效率或时间平均能量产出。变量P和η表示在定义的工作期间（通常为日间08:00–17:00，在日光条件下）的平均值，除非参考来源另有说明。结果可以表示为无量纲比率或百分比（%）。这些方程主要适用于不消耗外部能量的被动冷却系统。(3)Δηc=Pc,FPV-Ps,FPVPs,FPV(4)Δηc=ηc,FPV-ηs,FPVηs,FPV

对于需要额外电能（Pp）来驱动泵或风扇的主动冷却系统，净性能提升必须考虑这一辅助消耗。净电能增益的修正表达式（Δηc,net）见方程（5）。(5)Δηc,net=Pc,FPV-Ps,FPV-PpPs,FPV

为了确保不同研究结果之间的可比性，所有性能指标（ΔTc和Δηc）都是相对于一个明确定义的基准条件进行解释的，即不带冷却的标准FPV系统。在有数据的情况下，基准条件包括相同的环境条件，包括太阳辐照度（W/m2）、环境温度（°C）、水温和风速（m/s）。

除了热性能和电能性能之外，冷却方法的比较评估还应考虑经济可行性和系统复杂性，因为即使效率有所提高，如果初始投资或维护成本差异显著，也可能不会转化为同等的经济效益。FPV冷却系统的经济可行性可以使用LCOE来评估，LCOE代表系统在其运营寿命内实现盈亏平衡所需的最低电价。LCOE的计算方法如方程（6）所示，其中Ct是初始投资成本，Mt是第t年的维护和运营成本，Et是年发电量，r是折现率（反映货币的时间价值和投资风险，将未来的成本和收入转换为现值），n是系统寿命。(6)LCOE=∑t=1nCt+Mt1+rt∑t=1nEt1+rt

另一个关键的经济指标是PP，它估计在第一个年份（Ct=1）回收初始投资所需的时间，基于年度现金流（CF）计算。（7)PP=ln11-Ct=1×rCFln1+r

标准FPV系统和冷却FPV系统之间的LCOE和PP的相对差异有助于量化经济效益，如方程（8）、（9）所示。(8)ΔLCOEc=LCOEc,FPV-LCOEs,FPV(9)ΔPPc=PPc,FPV-PPs,FPVPPs,FPV

这些指标提供了对不同冷却策略之间技术和经济权衡的全面评估。主动系统可能提供更大的温度和效率提升，但通常会导致更高的运营能耗和维护成本。相反，被动冷却方法虽然温度降低幅度较小，但由于能耗低和结构简单，具有更高的长期可持续性和经济性。然而，应该指出的是，只有少数研究明确报告了LCOE和PP等经济技术指标。大多数现有研究主要关注热性能和电能性能，只有在有足够成本和运营数据的情况下[47]才提供经济分析[48]。此外，由于系统规模、地理位置、气候条件、财务假设（例如折现率、电价）和成本建模方法的不同，直接比较不同研究中的LCOE和PP值本身具有挑战性。例如，一些研究假设的是公用事业规模的FPV安装，而其他研究基于实验室或试点规模系统，这导致资本支出和运营成本结构存在显著差异。因此，本综述中报告的LCOE和PP值被解释为技术经济趋势的相对指标，而不是排名冷却方法的绝对基准。

表2总结了各种冷却技术相关的热性能和电能性能提升。ΔTc的负值表示模块温度的降低，而Δηc的正值表示由于冷却方法带来的电能转换效率的提升。为了评估每种策略的真实经济技术效益，已经根据可用文献分析了Δηc,net、ΔLCOEc或ΔPPc等参数。然而，一些研究没有提供足够的数据来进行全面的成本效益评估；因此，为了确保分析的一致性，引入了一些合理的假设，如下所述。因此，LCOE和PP值仅适用于选定的冷却方法，而其他方法在表2中报告为“不适用”（n/a）。

表2. FPV系统的冷却方法总结。

冷却方法 研究类型 系统规模 气候/位置和条件 结果 经济可行性 局限性
水幕冷却（WVC）– 主动类型 [38] 实验 实验室规模 亚热带地区，辐照度为650 W/m2 ΔTc = –17 °C（–37.8%） Δηc= + (10–12%) Δηc,net= + (9.7–11.7%) ΔLCOEc= – (4.3–4.9%) 受控环境，模块尺寸小
内部水泵冷却 – 主动类型 [40] 数值 试点规模 热带地区，辐照度为1000 W/m2，环境温度为35 °C ΔTc = –36 °C（–57.1%） Δηc= +13.2% Δηc,net= + (4.1–8.4%) ΔLCOEc= – (1.6–2.6%) 需要泵送能量
带鳍片的散热器 – 被动类型 [41], [42] 实验 实验室规模 温带地区，风速为5 m/s，水流速度为0.3 m/s ΔTc = –15.6 °C（–33.2%） Δηc= +22.8% ΔLCOEc= – (12.5–17.7%) ΔPPc= – (21.4–32.1%) 有限的室外验证
自然对流冷却循环 – 被动类型 [43], [44] 实验和数值 模块规模 热带气候，辐照度350–1050 W/m2 ΔTc = –4.5 °C（–9.9%） Δηc= +17.8% ΔLCOEc = –10.2% ΔPPc = –11.9% 性能取决于水箱高度
带辐射过滤器的混合NCCL – 被动类型 [45], [46] 数值 模块规模 标准测试条件，使用光谱辐射模型 ΔTc = –15 °C（–30.8%） Δηc= +3.2% Δηth= +64.5% 需要实验验证

对于WVC方法，参考研究描述了一个每100 m3/h流量的泵送系统，用于大约1000个FPV模块（总容量250 kWp）。这个辅助系统的能耗仅占FPV阵列总能耗的约0.25%。因此，冷却系统的净电能效率提升估计为9.7–11.7% [38]。传统FPV安装的基准资本支出（Cs,FPV）包括每千瓦p 700美元的电气组件和每千瓦p 900美元的浮动结构[49]，总计每千瓦p 1600美元（不包括可选的跟踪系统，设计寿命为20年）[50]。参考研究中没有明确报告WVC的增量成本。因此，引入了合理的工程假设，用于管道、喷洒器和泵控制系统，以便进行近似的经济效益评估[51]。这突显了文献中的一个普遍局限性，即经济参数常常只部分报告或基于特定研究的假设得出，进一步复杂化了不同冷却方法之间的直接比较。为了保持透明性，这种增量成本被参数化为ΔCc = 每千瓦p 80–100美元，代表了分布在多个安装的PV模块上的摊销泵成本。外部泵的能耗0.25%已在净性能评估中考虑[38]。

如果ΔCc为每千瓦p 80–100美元，且Δηc,net = 9.7–11.7%，则可以使用方程（10）估算ΔLCOEc。(10)ΔLCOEc≈1-Cs,FPV+ΔCcCs,FPV.11+Δηc,net

考虑到较小的能耗损失和显著的性能提升，即使考虑到较高的ΔCc，WVC预计也能将LCOE降低约4.3–4.9%。在炎热或高辐照度条件下，这一优势更加明显，因为温度降低和中午发电量最大化。假设收入与ΔLCOEc成比例增长，ΔPPc预计会大致按净能量提升的比例缩短。

对于内部水泵冷却系统，所报告的配置采用了一种模块背后的蛇形水块，能够在1000 W/m2的辐照度和35 °C的环境温度下将PV电池温度（TPV）降低多达36 °C。这种温度降低相当于估计的热性能提升约13.2%，使用最大功率温度系数（β = –0.37%/°C）计算得出。实验观察到的提升与模拟结果一致，模拟结果显示总功率增加了+14.3%（相当于395 W模块增加了+49.4 W）[40]。以Mangla大坝案例研究为例[40]，包含总全球辐照度（TGI）、环境温度（Tamb）和分层水温剖面的每小时模拟显示，当五个FPV模块共享一个泵单元时，5月份的净月能量提升为+8.4%，12月份为+4.1%。作者估计每年的净能量提升为6.2%，考虑了季节变化和系统工作周期[40]。

同一研究中提出的技术经济评估表明，构建内部水泵冷却系统的材料成本相当低。对于五个FPV模块共享一个泵的配置，每个模块分配的泵成本约为4.18美元，而塑料冷却块每个FPV模块增加17.50美元，因此总增量成本（ΔCc）为每个模块21.68美元，相当于每个395 Wp模块55美元。假设每年的净能量提升为6.25%，当地电价为每千瓦时0.14美元（基于巴基斯坦的公用事业费率），每个模块的额外月收入在5月份约为1.1美元，在12月份约为0.3美元。使用每千瓦p 1200–1600美元的基准FPV资本成本（Cs,FPV），ΔCc仅代表+3.4–4.6%的提升。当这一小幅增加与年度能量提升相抵时，LCOE预计降低约1.6–2.6%，证实了即使在较小规模下，内部水泵冷却方法也能带来可衡量的经济效益。

在具有受控水流和风暴露的自然环境中，带鳍片的散热器冷却系统以被动方式运行，从而消除了与泵、流体循环系统和主动冷却方法所需的控制组件相关的任何辅助功耗。因此，净效率提升等于冷却增强带来的总热性能和电能提升。该研究报告了在最佳流动条件下，带穿孔鳍片配置的最佳情况下的净提升+22.8%，代表了测试当天和水动力条件下的最高性能。

对带鳍片的散热器冷却系统进行了全面的生命周期经济分析，其中包括25年的项目寿命、10%的折现率、每年0.5%的退化率以及每年每Wp 0.026美元的年度运营和维护（O&M）成本[42]。资本支出（CapEx）包括了浮动结构和鳍组件的详细成本，后者每个鳍的价格约为0.50美元。在这些假设下，标准FPV系统的基准LCOE为每千瓦时0.082美元。在优化的水动力条件下，具体来说水流速度为0.3 m/s，风速为5 m/s，流动角度为60°时，配备穿孔鳍片的FPV系统的LCOE为每千瓦时0.068美元，相对于标准FPV基准降低了17.7%。相比之下，使用实心鳍片的系统实现了0.072美元/千瓦时的LCOE（平准化成本），降低了12.5%。进一步的成本效益评估使用了基于净现值（NPV）的回收期分析，显示投资回收时间显著改善。标准的FPV配置的回收期约为14年，而使用穿孔鳍片的回收期缩短至9.5年（减少了32.1%），使用实心鳍片的回收期缩短至11年（减少了21.4%）[42]。对于NCCL系统，所引用的成本效益分析基于25年的项目寿命、4%的折现率以及每年每千瓦发电量15.5美元的运营和维护成本。标准FPV的投资成本假设为每瓦发电量1.29美元，适用于10兆瓦发电量的系统，而水库高度为750毫米时的增量NCCL成本为每瓦发电量0.09美元，每增加500毫米水库高度成本增加0.005美元。在这些假设下，标准FPV系统的LCOE为0.0665美元/千瓦时，回收期为8.01年；而优化后的NCCL配置（水库高度为750毫米）的LCOE为0.0597美元/千瓦时（降低了10.2%），回收期为7.05年（减少了11.9%）。这些结果证实，在NCCL系统中进行适度的液压优化可以在最小化设计复杂性的同时带来可衡量的经济效益[44]。对于带有辐射过滤器的混合NCCL系统，由于该配置仍处于设计和建模阶段，因此尚无成本效益数据[45]。然而，作为一种被动冷却方法，其净效率提升（Δηc,net）本质上是系统的总效益，无需额外损失。因此，LCOE和回收期的潜在降低主要取决于控制与所需双玻璃组件、冷却通道、水箱、管道和机械支撑相关的增量资本成本（ΔCc）。为了最大化成本效益，玻璃组件必须使用低成本、耐用的材料进行设计，同时兼顾光学性能、结构完整性和可制造性。

技术成熟度（TRL）评估
TRL框架的范围从1到9[52]，常用于评估技术的成熟度、可扩展性和实施潜力[53]。TRL 1表示基本原理或理论概念的制定[54]，而TRL 9则表示通过成功商业部署验证的完全运行系统[55]。
在本研究中，TRL分类基于一套适用于FPV冷却系统的标准，包括验证类型（分析、数值、实验室实验或现场演示）、系统规模（组件级、模块级、试点级或工厂级）、运行环境（受控实验室环境与实际户外FPV条件）以及长期性能数据的可用性。根据这些标准，TRL水平解释如下：
- TRL 3–4：无物理原型测试的分析或数值验证
- TRL 5：在相关户外环境中对组件或子系统的验证
- TRL 6–7：在真实的FPV运行条件下的试点规模演示
- TRL 8–9：具有运行验证的商业规模部署

WVC技术已经超越了实验室研究阶段，并通过多次户外试点规模的应用得到了验证。在意大利皮萨的FPV测试平台（30千瓦发电量），WVC被实验性地安装并进行了监测，包括电流-电压特性、温度降低（从45°C降至28°C）以及能量产出提升，当模块倾斜35°时提升8%至12%，当增加反射器和2°坡度时提升10%至20%[38]。该研究还记录了液压配置，包括泵送布局、流量分布和运行负载。在意大利苏韦雷托（200千瓦发电量的FPV平台）进行的补充性长期部署提供了关于系统稳定性、跟踪机制和在野外条件下的结构耐用性的更广泛见解[56] [57]。基于这些受控的户外演示，WVC的容量从几十千瓦到几百千瓦不等，并且有可量化的长期性能数据，可以将其分类为TRL 6–7，表明其在相关环境中进行了试点规模验证，但子系统尚未达到完全商业普及[38]。从可扩展性和集成的角度来看，WVC系统围绕低压歧管设计，能够为每个光伏模块提供大约1-2升/分钟的流量，确保大阵列中的均匀流量分布，同时避免了复杂的循环网络。参考系统的泵尺寸和每个模块的流量为扩大规模提供了技术上可行的模板。然而，水质管理是一个显著的操作挑战。诸如矿物质结垢、生物污染和藻类在模块表面和喷嘴上的积聚等问题需要过滤和定期冲洗[56]。虽然WVC系统本身有助于表面清洁，但生物负荷高的场所需要主动的维护计划和监控[58]。

内部泵送的水冷方法通过详细的多物理模拟（COMSOL）开发，包括热流体动力学、液压优化和395瓦商用FPV模块的模块级设计。研究包括了每月特定的建模（巴基斯坦Mangla大坝），整合了辐照度、环境温度和运行负载周期[40]。实验原型制作被确定为下一个发展阶段，将该技术定位为TRL 3–4，对应于分析验证和组件级设计，适用于实验室或现场原型制作[59]。尽管模拟结果很有前景，但内部泵送水冷方法在可扩展性和集成方面仍存在挑战。该液压设计在低静态水头（湖泊水平的进水/出水）条件下运行，内部压力在0.03–0.16巴之间，每个光伏模块的流量约为800升/小时。当以串联方式排列（每个泵3-5个FPV模块）时，系统保持低压状态，有利于可靠性和降低能耗。在结构集成方面，冷却块增加了大约3.75千克（干重）和10.7千克（充满水时），相当于模块重量的38%增加。紧凑的块几何形状（10毫米厚度）与现有的FPV浮动设计（如HYDRELIO）兼容，确保浮力和阵列稳定性没有显著受损[40]。

用于FPV应用的带鳍片的散热器冷却系统通过硬件原型制作和现场测试达到了更高的实验验证水平[41] [42]。该研究部署了一个小型FPV原型，包括三个安装在不锈钢浮筒上的光伏模块，配备了红外热成像、I-V追踪和气象监测装置，在受控的水流条件下进行测试。对测量数据的统计分析支持了一个基于回归的性能模型[60]，确认了可重复的冷却效果和温度-效率相关性[61]。尽管在操作水环境下经过了实验验证，但由于阵列规模的部署有限，该系统被分类为TRL 5，表明在相关环境中对组件/子系统进行了验证。未来的研究应解决系统的水动力依赖性问题，因为其性能严重依赖于模块深度处的持续水流。在低流量水库中，对流热传递会减弱，冷却效果将更多地依赖于风驱动的混合。现场优化可以利用渠道化流动布局或诱导循环区域，然后再考虑结合辅助泵送的混合系统。从机械角度来看，质量和负载分析表明鳍片引入的额外重量很小，穿孔鳍片相比实心鳍片减少了15%的重量。然而，设计师必须评估鳍片对浮筒浮力、阵列起伏和动态水和风条件下的系泊张力的影响[58]。

NCCL冷却方法已经通过数值和实验研究得到了验证。所使用的数值模型采用基于SIMPLE算法的时间依赖性、网格收敛方法，并在Boussinesq近似下进行，以水库-水箱高度作为主要参数变量[43] [44]。为了补充模拟，构建了一个户外实验装置，使用两个50瓦发电量的多晶硅（poly-Si）光伏模块安装在水箱上方，代表水库环境，测试了三种不同的高度：250毫米、750毫米和1250毫米[44]。在357–1038瓦/平方米的辐照度范围内进行了全面的热量和电特性表征，并将数据插值到1000瓦/平方米进行比较评估。该系统实现了高达17.8%的电效率提升，与数值模型的预测一致，验证了其物理假设的有效性[44]。从TRL的角度来看，这种配置在相关户外环境（真实阳光和水箱设置）中进行了硬件验证，但仍处于模块级别，而不是完整的FPV阵列级别。因此，NCCL系统被分类为TRL 5，表明在相关环境中对子系统进行了验证。早期关于NCCL的研究主要集中在分析或台式模型上，而这项研究提供了结合热-电特性和经济评估的综合性评估。向TRL 6–7发展的下一个里程碑将需要在更长时间内（几个月到几个季节）进行阵列规模的试点演示[62]。在NCCL方法的可扩展性和集成方面，已经确定了一些实际考虑因素。必须保持FPV筏子之间的一致水库高度和垂直 leg 分离，以确保稳定的自然对流并防止空气滞留在循环系统中。系统路径还应尽量减少阴影效应。采用“每个水库多个模块”的歧管设计可以降低系统平衡（BoS）成本，同时简化静水压力的控制。管道和小水箱引入的额外质量较小；然而，安装必须保持模块背板的完整性和浮力。倾斜角度和模块间距应符合参考文献中提到的FPV阵列的设计标准。

最近的研究提出了将NCCL循环回路与光谱辐射过滤器结合的混合冷却配置，形成了一个能够同时解决对流和辐射热损失的多物理框架。这种耦合的二维、时间精确的SIMPLE模型同时解决了回路流体动力学、共轭传导、光谱辐射传输和电力生成。该模型通过与之前的FPV NCCL设置（不含过滤通道）的实验数据进行了验证，复现了测量的TPV-Tamb趋势，平均偏差约为8.3%。这种“顶部过滤器”混合配置——由一个双层玻璃水通道或银水通道（厚度1-20毫米）组成，位于光伏模块上方——已经进行了数值优化，但尚未进行现场测试。基于此，该系统的TRL被分类为3–4，对应于分析验证和台式验证的设计阶段，但有之前的NCCL实验证据支持，但仍需要原型或试点规模的验证。对于带有辐射过滤器的NCCL混合系统，仍然存在一些可扩展性和集成挑战。双层玻璃（每层2毫米）通道的光学制造和密封必须保持防水性、紫外线稳定性和长期户外暴露下的低光学浑浊度。虽然模拟表明小于5毫米的通道提供了最佳的电性能，但这种薄几何形状难以均匀制造；因此，作者建议使用≥5毫米的通道作为实际折中方案。建议使用低铁玻璃和防紫外线密封剂以保持光谱透射率。此外，还可能存在污染和光学清晰度问题，如生物膜、矿物质沉积或通道内的浑浊度会降低透射率并减少功率产出。缓解策略应包括水过滤、与光伏模块保修兼容的杀菌剂配方，以及包括冲洗端口或观察窗口以便维护检查。

表3汇总了所研究冷却方法的TRL评估结果。研究表明，包括带鳍片的散热器、NCCL和带有辐射过滤器的混合NCCL在内的被动冷却系统无需外部能量输入即可运行，提供了更低的操作复杂性和维护要求。然而，它们的性能取决于保持几何一致性（例如，水库高度和回路对齐）以及实现精确的可制造性，特别是对于光学或双通道组件，表面均匀性和密封耐久性至关重要。

**表3. 各冷却方法的TRL评估总结，基于验证水平、系统规模和运行环境。**

| 冷却方法 | TRL评分 | 核心支持证据 | 主要影响准备度的关键因素 |
|---------|---------|------------|-------------------------|互补型Suvereto 200千瓦光伏（FPV）系统的部署旨在提升系统的稳定性和结构耐久性。该系统已通过成熟的小型试点验证；采用可扩展的低压管束设计（每个模块每分钟流量为1-2升）；水质管理（包括结垢和藻类问题）需要通过过滤或冲洗机制来解决；在高生物负载环境下需要进行维护规划。采用内部泵送的水冷系统[40]3–4，针对395瓦模块进行了多物理场仿真；针对Mangla大坝进行了特定站点的建模，并考虑了工作周期；下一步计划制作原型机。虽然具备坚实的分析基础，但尚未实现现场原型；需要研究浮体/接线盒的附加质量及其集成效果；需要权衡泵的共享方式与每个模块单独使用的优点；长期湿润运行条件下的系统可靠性有待验证。此外，还研究了带鳍片的散热器[41],[42]5以及硬件原型（三个模块安装在不锈钢浮筒上）；在受控水流条件下进行了红外热成像和电流-电压测量；回归模型已得到验证；温度-效率提升效果可重复。该系统已在相关环境中得到验证，但在阵列规模应用方面的经验尚有限；性能受水流和风速影响，需考虑现场水动力特性；通常情况下，带孔鳍片的附加质量比实心鳍片少15%，但仍需检查其在波浪和风荷载下的浮力和固定性能。自然对流冷却循环[43],[44]5也得到了研究；通过数值模型和户外实验装置（两个50瓦多晶硅模块）验证，结果显示储水槽高度的变化可使电效率提高17.8%，这与模型预测一致。子系统已在户外得到验证，但仅限于模块级别；放大应用时需保持储水槽高度一致、避免空气滞留，并考虑遮阳设计。混合型自然对流冷却（NCCL）结合辐射过滤器[45],[46]3–4的设计也已验证，与之前数据相比平均偏差约为8.3%。这种集成设计（过滤器位于顶部，厚度1-20毫米；使用水流或银水作为冷却介质）已在数值上进行了优化，但尚未进行现场测试。这一多物理场概念很有前景，但尚未完成整体组件的试点验证；面临的技术挑战包括光学制造和密封（双层2毫米玻璃）、污染/清晰度控制（生物膜和矿物混浊）、以及通道厚度的权衡（小于5毫米时电效率最佳，但制造难度较大）。关于FPV系统的实验研究表明，在炎热气候下，多种冷却方法能有效降低光伏电池温度并提升电能输出[63]，热带地区的FPV安装案例也验证了这些效果[64]。数值分析进一步揭示了优化冷却配置（如鳍片几何形状、风暴露程度和水动力相互作用）的关键点[65]，为FPV热管理提供了预测性设计方法[60]。环境建模还表明冷却策略会影响水生生态系统参数[66]，包括蒸发率、热交换动态和遮荫效应，这强调了将环境影响评估与性能优化相结合的重要性[67]。未来的FPV冷却研究需解决几个关键问题：将相变材料（PCMs）集成到FPV系统中具有较大潜力，但尚未有研究报道实际应用情况；特别是在漂浮结构中的长期水暴露条件下，需要对其耐久性和兼容性进行评估[68]。还需进行全面的生命周期和环境影响评估，以量化FPV冷却系统的整体影响，包括能源消耗、水耗、蒸发动态以及对不同水生环境的潜在生态干扰[69]。在真实水动力条件下（如波浪运动、风速变化和水位波动）优化FPV冷却系统，需要高保真度的数值模拟来指导冷却设计的开发[65]。结合被动和主动机制的混合冷却配置（如鳍片辅助冷却循环[71]、可控流体循环或选择性辐射过滤器）应通过实验验证其净热效率和能量效益，并考虑辅助能源消耗和维护需求[72]。FPV应用中的光谱辐照管理和辐射冷却策略需要专门的实验和数值研究，以评估其在特定气候和光学条件下的有效性[73]。现有研究的异质性指出了未来研究的几个重点方向和方法标准化。首先，需要统一报告环境参数（如太阳辐照度、环境温度、水温、风速等），以便对冷却性能进行有意义的比较。其次，未来的研究应采用标准化的性能指标，明确区分瞬时功率、时间平均能量输出和基于效率的指标，并明确设定基准（未冷却）条件。第三，应鼓励包含全面的技术经济分析，如生命周期成本（LCOE）、回收期和辅助能源消耗，并明确财务假设。第四，应更加重视在真实FPV应用条件下的长期现场验证，特别关注水质、生物污染和系统耐久性。最后，建立基准数据集和标准测试协议将显著提高不同研究之间的可比性，并促进FPV冷却技术从实验室规模研究向商业应用的转化。

**结论**
本综述总结了当前FPV冷却方法的现状，提出了一种新的综合框架，结合了热性能、电能效率、技术经济评估和技术准备度分析。主动冷却方法（如水幕和内部泵送系统）表现出最高的热性能，温度降低约17-36°C，考虑到辅助能源消耗后净电能效率提高了4.1-11.7%。被动冷却方法（如带鳍片的散热器、自然对流冷却（NCCL）和结合辐射过滤器的混合NCCL）可实现无需额外能源的运行，维护更简便，并显著降低LCOE（穿孔鳍片最多降17.7%，优化后的NCCL降10.2%），尽管冷却效果相对较小。综合技术准备度分析显示，水幕冷却技术的成熟度为TRL 6-7，带鳍片的和NCCL系统为TRL 5，而结合辐射过滤器的混合NCCL概念为TRL 3-4，表明FPV冷却技术的发展重点在于平衡性能、成本和可扩展性。研究结果表明，热性能和经济可行性之间存在明显权衡：主动系统能最大化效率提升，而被动系统则提供更易于大规模部署且更具成本效益的解决方案。目前在前沿研究方面仍存在空白，尤其是在系统可扩展性、长期耐久性和水质管理方面。大多数研究仅限于短期、模块级别的实验，缺乏关于阵列规模性能或在真实环境条件下的维护数据。混合NCCL系统的制造和材料挑战（尤其是生产薄型、耐用且低成本的光学通道）仍待解决。未来研究应重点关注（i）具有标准化报告的阵列规模试点验证；（ii）针对光学和液压组件的可制造设计；（iii）结合水动力和固定动态的现场协同设计；（iv）包含生物污染和生态影响的生命周期技术经济分析。推进这些方向将有助于开发高效、可靠且具有商业可行性的FPV冷却系统，加速FPV技术从试点规模到实用应用的转化。