综述：光伏系统与城市热环境的耦合相互作用

《iScience》：Coupled interactions between photovoltaic systems and urban thermal environment

　　

随着光伏（PV）系统在城市建筑围护结构上的快速采用，PV系统与城市热环境之间的双向相互作用对城市能源转型和生态宜居性的协同发展构成了关键挑战。现有研究大多集中于单向影响，且结论高度分歧，往往因缺乏整体耦合分析而忽视协同环境效应。本研究从三个维度（地理、安装、方法）解释了PV热效应的矛盾发现，并提出了一个可操作的反照率判据。它量化了不同因素组合下的PV功率损失，并探索了用于被动PV冷却和除尘的周期脉动流，填补了城市PV协同优化的关键空白。这项工作为跨气候区的PV布局、运维（O&M）以及冷却/除尘技术优化提供了理论基础，并指导PV更深入地融入城市生态系统。

光伏（PV）系统在城市环境中的应用：该部分主要分析了建筑附着光伏（BAPV）和建筑集成光伏（BIPV）两种主流配置的技术经济性能。BAPV系统具有高施工灵活性和低初始投资，适用于存量建筑改造，其年有效发电量约为额定发电量的89%，研发投入占比约为3.6%。BIPV系统则兼具建筑围护结构和发电功能，具有美学优势，但初始成本较高，可将新建筑总成本提高2%–5%，但在工业负荷场景下投资回收期可缩短至10.9年。在热性能方面，通风气隙BIPV屋顶可降低夏季建筑冷负荷近50%，其热增益与反照率为0.4的冷屋顶相当。

城市环境对PV性能参数的影响：城市热岛（UHI）效应通过升高环境温度和削弱散热能力，显著影响PV组件的I-V特性。温度升高导致开路电压（Voc）显著下降，而短路电流（Isc）仅轻微增加，从而降低最大功率点（MPP）输出。晶硅PV组件的功率温度系数通常为0.2%/°C–0.5%/°C，其中硅异质结（SHJ）组件最低（-0.23%/°C），常规全电池晶硅（c-Si）组件最高（-0.39%/°C）。常用温度模型如标称工作电池温度（NOCT）模型和Sandia阵列性能模型（SAPM）在评估UHI效应时存在局限，需进行局部修正。例如，UHI可导致PV组件温度比标准测试条件（STC）升高65°C，功率损失达25%–30%。

PV对户外热环境的影响：PV系统对城市温度的影响呈现双向性，受地表反照率、安装配置和覆盖率等因素主导。在低反照率温带城市（如沥青和混凝土路面），PV遮阳可降低地表温度，产生冷却效应，如屋顶PV可使区域环境温度降低0.15°C–0.8°C，PV路面可降低表面温度3–15 K。相反，在高反照率干旱沙漠地区，PV组件反照率（0.1–0.2）低于背景地表（0.3–0.4），导致净辐射增加，白天1.5 m高度平均气温升高1.38°C。此外，屋顶PV覆盖率超过60%时，可能引起轻微增温（0.1°C–0.2°C）。PV与冷屋顶集成技术可显著降低表面热通量（50%）并提高PV输出功率（5%–10%）。

户外环境对PV的影响：温度、灰尘、湿度和气流是影响PV性能的关键环境因素。温度升高通过增加载流子复合降低转换效率，灰尘沉积分为光谱透射损失（软遮蔽）和非均匀遮挡（硬遮蔽），软遮蔽可降低功率5%–15%，硬遮蔽可导致整个组件功率下降50%–80%并引发热点风险。湿度增加会降低入射辐照度并加速灰尘粘附，导致功率损失。气流对PV有冷却作用，风速增加1–2 m/s可提高发电量3.7%，但效果随风速增大而减弱。布局优化可增强散热，如PV立面朝向与主导风向偏差控制在30°内可增加发电量9.7%。

不同光伏技术的城市环境适应性：不同半导体材料和封装结构的PV技术对环境应力的响应存在显著差异。针对热带湿热城市，优先采用碲化镉（CdTe）薄膜技术，并推荐通风安装结构。对于干旱炎热多尘城市，优选SHJ技术，并配备自动清洁系统。温带季风城市可综合考虑铜铟镓硒（CIGS）和半晶硅技术。沿海高盐雾地区需采用抗盐雾封装。在BAPV和BIPV应用场景中，屋顶安装优选低温度系数组件，立面安装优先低光性能组件，光伏窗户推荐半透明CdTe或钙钛矿组件。

讨论：周期脉动流作为被动冷却和除尘技术，具有显著潜力。自然风驱动的脉动流可强化对流冷却并剥离灰尘，但现有研究主要集中于数值模拟，缺乏长期现场验证。卡门涡街等脉动流现象与雷诺数（Re）相关，现有研究显示其可提高平均努塞尔数106%。然而，针对PV阵列的脉动参数优化和协同机制仍需深入探索。未来研究应关注脉动流频率和幅度的主动调控，以及PV与城郊农业的协同冷却效应。这些发现为城市PV布局、运维和冷却/除尘技术提供了理论基础，并指导PV系统更深入地融入城市生态系统。