在半干旱气候下，利用主动水冷技术提升渠道区域光伏性能的新的实验验证预测模型

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Novel experimentally validated prediction models for canal-site photovoltaic performance enhancement using active water cooling techniques in semi-arid climate

　　摘要：本研究建立了经过实验验证的模型，用于预测炎热半干旱气候下的渠道微气候与水温。测量在费萨拉巴德拉赫支渠的三个深度进行：W1（表层）、W2（中层）和W3（底层）。通过环境温度与相对湿度构建了温度预测模型，并利用MATLAB对其进行了验证。研究还运用COMSOL Multiphysics中的优化三维分布式稳态模型，评估了带有正面水幕和背面蛇形冷却结构的670瓦光伏系统的性能。通过热模拟进一步优化了渠道水泵抽水策略，确定了实现高效主动冷却的最佳水深。实验结果显示，陆地表面平均温度为25.3℃，渠道表面为20.2℃，底层水体温度为15.6℃；向表层温度依次上升至16.6℃和18.2℃。底层水体温度分别比陆地和渠道表面低9.7℃和4.6℃。基于MATLAB的线性模型具有很高的预测精度，TW1、TW2和TW3的R2值分别为0.92565、0.89163和0.86947，RMSE分别为1.7℃、1.9℃和2.1℃。模拟表明，光伏冷却能有效提升系统性能：正面冷却可使电池平均温度降低17.1℃，效率提升78.8%，同时每年能量产出增加6.26%；背面冷却则可使温度降低15.2℃，效率提升68.4%，能量产出增加5.40%。对于1兆瓦的系统，在28.0兆瓦的抽水需求下，总体能量收益为116.6兆瓦时，且正面冷却的效率比背面冷却高10.4%。此外，这些模拟结果还通过三天的实地测量得到了验证。研究显示，正面冷却可使电池温度降低13.9℃，效率提升60.71%，FOME值为30.66%；背面冷却则可使温度降低11.8℃，效率提升45.71%，FOME值为11.89%。这项研究为联合国可持续发展目标中的SDG 6（清洁饮水与卫生）、SDG 7（可负担的清洁能源）、SDG 9（工业、创新与基础设施）以及SDG 13（气候行动）做出了重要贡献。

引言：太阳能是一种相比其他能源更为丰富的可再生能源[1][2]。太阳能发电的最终目标是替代传统的天然气、燃料和煤炭[3]。光伏系统被视为可行的解决方案，通常安装在地表或屋顶上[4][5]。光伏发电的效率受太阳辐射强度、环境温度、灰尘、遮荫以及各种天气条件的影响[6]。过度太阳辐射和高环境温度会导致光伏组件过热，从而增加功率损耗[7]。光伏组件的性能很大程度上受电池温度的影响[8][9][10]，在较低电池温度下，输出电能会增加[11][12]。在炎热的气候中，较高的环境温度会降低光伏系统的效率[13]，还会增加热机械应力[17]。不过，水上光伏系统也可用于发电，它不仅能减少水资源匮乏地区的水分蒸发，还能节省宝贵的土地资源[18][19]。此外，水上光伏系统的环境温度较低，这有助于降低电池温度[23][27]，进而提高光伏组件的效率[7]，增加其发电能力[20][21]。这类水上光伏系统还可以与风能等其他可再生能源结合使用，以弥补太阳能的间歇性缺陷。

在各类水上光伏系统中，渠道型光伏系统是一种较新的技术，由于渠道独特的微气候条件，以及这类渠道多位于靠近重要灌溉区、居民区和工业区的内陆地区，因此越来越受到关注[20][25]。相比大型淡水水体，渠道的宽度较小，其微气候有着显著差异。有研究指出，在没有专门冷却装置的情况下，这类渠道在半干旱气候中的年能量产出可提高1.52%[20]。另有研究显示，与陆地型光伏系统相比，渠道型光伏系统的电池温度每年可低4.52℃。除了这些基础性能优势外，还可通过多种冷却技术进一步降低电池温度，提升发电量[26]。由于渠道中有充足的水资源，这些地方非常适合采用水基冷却方式，这能在高辐射强度的半干旱气候中进一步提升渠道型光伏系统的效率。不过，用于冷却的渠道水温度与光伏系统的性能提升程度之间存在密切关联。目前文献中尚无基于光伏地理信息系统或类似数据库来预测渠道水温度的可用模型。本研究首先提出了一个经过实验验证的数学预测模型，该模型能够根据炎热半干旱气候下的陆地环境条件，估算不同渠道水深度下的冷却液温度。这一模型有助于评估以渠道水作为主动冷却介质时渠道型光伏系统的性能提升效果。

在炎热气候中，光伏主动冷却技术尤其有效，能够显著提升光伏系统的性能[27]。其中一种方法是光伏背面冷却，即通过连接在光伏组件背面的换热器或冷却块，让冷却液持续流动以实现冷却[28]。冷却液的流动通道可采用蛇形、平行、矩形、微通道以及板管式等多种结构[28]。虽然冷却液吸收的热量可用于提升整个系统的效率，就像光伏热电系统那样，但简单的光伏背面冷却方式所需的资源更少。不过，这两种系统的换热器/冷却块在设计原理上较为相似。其中，蛇形流动结构被证明是背面冷却系统中最为有效的设计之一[28]，因为这种结构能够在保持合理压降的同时实现更高的对流换热系数[29]。蛇形水流装置可将光伏组件表面的温度降低15–25℃，使系统效率提升9–25%[28][29]。在某些研究中，人们在约旦炎热干燥的气候中采用了水基主动光伏背面冷却技术，结果发现与未经冷却的光伏组件相比，其发电量提升了8.17%。但在那些研究中，采用的是模拟的水箱式外部冷却装置，且未对流出水进行循环利用。另外还有研究针对巴基斯坦曼格拉大坝湖的热带气候，设计了改进型的轻质蛇形冷却块，用于浮动光伏系统，使其发电量额外增加了8.10千瓦时，增幅为8.44%。不过，这些研究并未通过实验来验证热模拟所得的结果。

一般来说，蛇形冷却结构需要较长的冷却液流动路径，这就导致了较高的水力阻力，进而需要更大的抽水功率，相比其他简单流动结构而言成本更高[28]。而水幕或正面表面冷却技术则能进一步降低资源消耗，只需使用灌溉管道和喷嘴，几乎不需要额外的基础设施[32]。实验研究表明，正面表面水冷技术可使光伏组件表面温度降低29%以上，电压输出提升7.43%[33]。在孟加拉国拉杰沙希的热带湿干气候中，有人对25瓦的光伏组件进行了正面冷却试验，结果发现其输出功率从未经冷却时的21.32瓦提升到了21.6瓦。不过，这里存在一个关键的权衡问题：较高的水流速率带来的水幕会形成光学障碍，由于水层较厚且存在防护材料，可能会削弱入射的太阳辐射，即便温度降低了，发电量也可能随之下降。在埃及炎热干燥的气候中，有研究同时采用了蛇形冷却块背面冷却和正面表面冷却技术，结果发现两种方法的光伏组件输出功率分别提升了4瓦和15瓦。但这些测量是在模拟的外部环境中进行的，并未记录来自水箱的进水温度这一关键数据。鉴于水幕冷却和蛇形冷却之间的固有差异，有必要对比分析背面蛇形光伏冷却技术与成本较低的正面水幕冷却技术的理论及实际效果。本研究在相似的环境条件下，对这两种主动光伏冷却技术进行了全面的年度性能比较，比较对象包括未经冷却的渠道型光伏系统和未经冷却的陆地型光伏系统。通过研究，我们能够准确估算出经过主动冷却的渠道型光伏系统的发电潜力，这一结果也为选择合适的渠道建设地点提供了重要依据。

目前，文献中关于主动冷却技术的研究要么缺乏可靠且可持续的冷却水源，无需额外抽水，要么未能明确说明进水温度以及在冷却过程中如何保持该温度稳定。而渠道型光伏系统则拥有温度相对稳定的可持续水源。不过，目前文献中尚无利用这种渠道水作为冷却源的渠道型光伏系统的性能对比数据。现有研究结果要么是基于使用自来水且在受控环境中进行的实验测试，要么是基于模拟分析，缺乏实验验证。这样的结果无法用于为大规模主动冷却光伏电站的建设提供决策依据。此外，文献中还忽视了渠道不同深度的水温对光伏组件性能的影响这一问题。

这些研究空白带来了以下关键问题：能否根据陆地环境条件有效预测渠道水温度，从而为渠道型光伏系统的主动冷却提供依据？渠道水作为液体冷却介质，在提升光伏系统性能方面究竟有多大的效果，且其可持续性如何？相较于正面水幕冷却技术，背面蛇形光伏冷却技术虽然需要更高的复杂度和更多资源，但其带来的光伏系统性能提升是否值得？本研究针对这些问题展开研究，取得了以下成果：

1. 构建了渠道水温度预测模型：本研究提出了全新的、经过实验验证的渠道水温度预测模型，可用于预测不同深度（表层、中层、底层）的渠道水温度。这些模型以陆地环境中的环境温度作为输入参数，其范围为13.5℃至46.3℃，相对湿度范围为12%至76%，为预测半干旱气候下的渠道水温度提供了一种新的经验方法。

2. 优化了渠道型光伏系统的光伏冷却技术：本研究将多物理场热电流体动力学模拟与优化后的三维分布式稳态模型相结合，用于评估正面水幕冷却和背面蛇形光伏冷却技术在渠道型光伏系统中的应用效果。该研究对不同冷却方案的热效应和能量产出优势进行了定量比较，重点分析了水基主动冷却技术的应用效果。此外，研究还整合了光伏系统抽水过程中的能量损失因素，通过流体流动热模拟优化了渠道水的抽取与循环策略。同时，研究人员利用COMSOL Multiphysics开发了一个参数化框架，通过为期一年的热模拟，评估渠道型光伏系统的年度性能提升情况。该框架能够系统地对比未经冷却的陆地型光伏系统和渠道型光伏系统与经过主动冷却的两种光伏系统之间的性能差异。

3. 定量化分析了光伏系统的性能提升效果：研究在炎热半干旱气候的不同环境条件下，对光伏系统的热效应、能量产出提升效果以及温度降低幅度和长期能量收益进行了数值分析。此外，研究还引入了一种新的冷却效率参数，用于量化不同冷却方案的效率水平。该参数通过比较未经冷却和经过冷却的光伏组件的温度差，来评估主动冷却系统的性能，为评价冷却效果提供了新的工具。

4. 进行了实地实验验证：为了在四种不同的运行模式下对比光伏系统的性能，研究开展了实地实验，这四种模式分别是：(i) 参考组：未经冷却的陆地型光伏系统；(ii) 基准组：未经冷却的渠道型光伏系统；(iii) 实验组1：采用正面水幕冷却的渠道型光伏系统；(iv) 实验组2：采用背面蛇形光伏冷却的渠道型光伏系统。实验结果证实，主动冷却技术在实际应用中确实能够提升炎热半干旱气候下渠道型光伏系统的性能。

本研究提出的框架为联合国可持续发展目标中的SDG 6（清洁饮水与卫生）、SDG 7（可负担的清洁能源）、SDG 9（工业、创新与基础设施）以及SDG 13（气候行动）做出了贡献。同时，它也为研究人员和政策制定者提供了实用的指导原则和预测工具，帮助他们评估主动冷却型渠道型光伏系统的应用效果。

研究方法：图1展示了本研究中所开展的各项研究工作的流程。在此，通过独立的实验测量来确定三个不同渠道深度处的水温，分别为“W1”（顶部）、“W2”（中部）和“W3”（底部）。同时测量的陆地及渠道所在地的环境条件数据已发表在[20]中。基于这些陆地参数，进行了一项通用的、独立的、经过实验验证的渠道所在地水温研究。此外，还开展了一项全面的网格独立性研究，该研究采用了带有背侧冷却功能的PV模型，并调整网格大小，使得网格元素总数在100万到240万之间，如图9(a)、(b)、(c)、(d)所示。通过平均单元温度、冷却水温度“Twater”以及输出电功率“Pout”来评估由于网格变化而导致的模拟结果误差。当网格元素总数低于150万时，模拟结果……全年流体流动热模拟：采用基于TMY的直接模拟方法进行了全年耦合流体流动热模拟，其预测结果与表6中的数据相似。图18(a)、(b)、(c)、(d)展示了3月、6月、8月和12月参考情况、基准情况以及两种冷却方案下每月每小时的Pout值，同时还给出了相关的FOM性能参数。同样，图19(a)、(b)、(c)、(d)展示了这几个月份中每月每小时的Tcell值以及相关的CE性能参数……主动冷却型CPV的可持续性与可扩展性：对于采用FC冷却方式的单个光伏面板而言，水泵每年需运行3,127小时。以138.83升/小时的固定冷却流量计算，这意味着为冷却一个670瓦特的面板，每年需要消耗434.12千升的水。而对于1兆瓦的发电系统，每年的用水量则上升至64.8万立方米。在这种情况下，CPV提供了一种高效且环保的方法，能够以最低成本持续提供冷却用水……与现有文献的比较：表10展示了本研究所得结果与现有文献的对比情况。在[30]中，报道在炎热干燥的气候条件下，经过背侧冷却处理后，四个夏季月份内的最大单元温度降低了17摄氏度，此时冷却水的温度约为30摄氏度。这一降低幅度与我们研究中的相同四个月份的平均温度降低幅度17.1摄氏度相当。不过，总体而言，平均差异要小于最大差异值，而且这种差异还受到气候条件的影响……局限性及未来工作：毫无疑问，文献中已证实，对光伏面板进行冷却有助于延长其使用寿命，尤其是在半干旱炎热的气候环境中，过高的太阳能电池温度以及面板表面的热点问题在夏季高温作用下可能会对面板造成损害。此外，使用经过过滤的渠道水进行水幕冷却，还可以清除面板表面的污垢，进一步提升输出电功率。然而，如果没有无腐蚀性的机械装置以及合适的面板设计……结论：本研究提出了稳健的数学模型/工具，用于预测在炎热半干旱气候条件下，采用正面水幕冷却和背面蛇形冷却方式后，渠道所在地光伏系统的性能提升情况。在拉赫支流渠道所在地进行的30天测量显示，2米深度范围内的水温梯度为2.8摄氏度，这一数值比陆地上的环境温度低9.7摄氏度。这些结果被用来基于陆地上的温度测量范围，开发渠道水温预测模型……CRediT作者贡献说明：Nouman Safdar：撰写——初稿、软件应用、方法论、研究实施、概念设计。Arslan Dawood Butt：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件应用、项目管理、正式分析、数据整理、概念设计。Muhammad Farhan：撰写——审阅与编辑、可视化处理、验证、资源协调、方法论、研究实施、正式分析、数据整理。Abdul Rauf Bhatti：撰写——审阅与编辑、可视化处理、研究实施、正式分析。Mirza……利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。Nouman Safdar|Arslan Dawood Butt|Muhammad Farhan|Abdul Rauf Bhatti|Mirza Hussain Raza Qasim巴基斯坦费萨拉巴德费萨拉巴德政府学院电气工程与技术系，邮编38000