《Case Studies in Thermal Engineering》：Experimental study on a dual-channel air-cooled photovoltaic/thermal system with glass cover plates
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尽管光伏/光热（PV/T）系统在同时发电与供热方面极具前景，传统风冷设计常面临光伏（PV）冷却与高效集热之间的权衡，尤其在热流分布不均时。为此，研究人员提出一种新型双通道风冷PV/T系统，设两个独立气流通道且各含不同功能分区；区别于将光伏组件整个背面视为单一单
尽管光伏/光热（PV/T）系统在同时发电与供热方面极具前景，传统风冷设计常面临光伏（PV）冷却与高效集热之间的权衡，尤其在热流分布不均时。为此，研究人员提出一种新型双通道风冷PV/T系统，设两个独立气流通道且各含不同功能分区；区别于将光伏组件整个背面视为单一单元的传统单通道构型，该设计通过分离取热过程优化热管理。研究人员在中国郑州定制平台开展多工况户外实验，评估不同太阳辐照与风速下的光电光热效率与温度分布等关键指标，并系统对比所提双通道系统与传统单通道参照系统。结果表明：单通道系统中较高风速带来更优光电光热效率，在3.5?m/s风速下取得最优值；双通道系统中上风道因直接接触光伏板背面可更高效移除废热，其出口温度通常比下风道高4–5?°C；同工况下单通道热效率为双通道的2.1倍；高辐照下环境升温进一步提升热效率，最高热效率28.3%出现在约13:00。该研究为风冷PV/T优化及未来设计应用提供理论与实践指导。
研究背景方面，全球能源转型加速，太阳能光伏（PV）发电虽成可再生能源增长主力，但光伏电池受温度效应显著：晶硅工作温度上升导致开路电压与填充因子衰减，光电转换效率约每升1?°C降0.45%，夏季组件表面温易超70?°C造成严重发电损失。为此集成光伏/光热（PV/T）系统兴起，按冷却介质分液冷、相变材料（PCM）冷却与风冷三类；风冷以空气为介质、结构简单、无泄漏冻结风险、适用于缺水偏远区，但传统单通道常把光伏整个背面作单一换热面，在热流不均时难兼顾冷却与集热。现有双通道风冷研究多聚焦流道布局与数值模拟，真实户外条件下单双通道性能差异、上下风道分层取热规律及质量流量影响机制仍缺乏系统实验。研究人员据此在《Case Studies in Thermal Engineering》发表该研究，于华北水利水电大学（郑州）屋顶搭建可切换单/双通道模式、带玻璃盖板的双通道风冷PV/T户外实验平台（整体1670?mm×640?mm×100?mm，上风道高30?mm位于玻璃盖板与光伏间，下风道高40?mm位于光伏后方，边框铝型材加橡塑保温、出口挤塑聚苯板密封），以单晶硅光伏组件（Pmax 200?W）为对象，用Type K热电偶（冷端冰水浴）布点监测光伏表面、上/下风道及环境温，Keithley 2700采集，485 RS-RA-N01-JT总日射表测辐照，离心风机（HP-150Z-0.549）控流，在2021年4月15日与2024年7月15–20日10:00–14:00典型夏季工况按1?Hz采样、每工况稳30?min取末10?min分析，系统对比单通道（封上风道）与双通道（开上风道）在2.5/3.0/3.5?m/s等风速下的光电光热表现。
关键技术方法上，研究人员采用可切换流道构型的户外实验平台，以玻璃盖板加双独立风道（上接触光伏背板、下邻保温层）实现模式切换；测温用Type K热电偶网（光伏表面1支、下风道3支、上风道出口3支、环境1支）配冰水浴冷端参考与补偿导线，Keithley 2700以1?Hz收数；辐照用总日辐射传感器、风速由风机档位经截面（下风道0.64×0.04?m2、上风道0.64×0.03?m2）换质量流量（ρ=1.225?kg/m3）；热输入按HGR模型由辐照Sr乘玻璃透射0.9、吸收0.8与光伏修正0.88算得，光电光热效率按空气得热÷太阳投入评价，单双通道同风速（如2.5?m/s）对照、稳态末10?min（温度变异系数<2%）提取。
研究结果部分，3.1节实验数据概览给出2021年4月15日10:00–14:00节点温（T1–T7）与辐照、HGR，显示温度随辐照升、12:00–13:00达峰，HGR随Sr由937?W/m2时593683?W/m3增至1052?W/m2时666547?W/m3。3.2.1节单通道不同流速表明：流速2.5/3.0/3.5?m/s对应质量流量0.07840/0.09408/0.10976?kg/s，出口温随流速升高而降，空气得热与系统得热在前4?h速升后稳波，第七小时高流量优势明显，3.5?m/s时光电热效率最优。3.2.2节双通道不同流速显示：上风道质量流量0.0336?kg/s、下风道0.0448?kg/s，上风道因直触背板出口温比下风道高4–5?°C，单位质量空气传热更强；低质量流量（0.0336?kg/s）空气吸热量（138→179.2?K）高于高流量（43.2→54.1?K），10?h运行峰值光热效率约23%，高辐照与环温升推高输出。3.2.3节单双通道对比（同2.5?m/s）得出：单通道封闭上腔蓄热使热效率达双通道2.1倍，单通道稳态效率0.4–0.5、双通道仅0.15–0.2，修正了“双通道必优于单通道”传统认知。
讨论与结论翻译：经多工况实验，研究人员系统析明单双通道风冷PV/T差异并验证太阳辐照、风速、温度对效率的主导影响——（1）单通道较高流速得更高光电光热效率，3.5?m/s最优；（2）双通道上风道直触光伏背板废热移除更高效，出口温通常高下风道4–5?°C；（3）同2.5?m/s下带封闭气腔单通道效率为双通道2.1倍；（4）高辐照伴环温升推高热效率，实验最高28.3%出现于约13:00。基于成本与生命周期评估，该双通道风冷PV/T初投仅为液冷/PCM型65%–85%，静态回收6.8–7.5年，单位面积年综合能出1150–1320?kWh、减CO? 1127–1294?kg/m2·a，较传统PV单位面积能出增35%–45%。研究限定郑州夏季短期户外，冬春与长年尘积等留待后续用动态瞬态模型、三维流热电耦合仿真与跨季测试深化。该文价值在于以实测纠正双通道偏好、指明单通道封闭气腔在夏热集热场景优势，并为质量流量精控与流道结构协同优化供据。
