屋顶光伏日间间歇喷雾冷却策略：实验评估与传热洞察

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Diurnal intermittent spray cooling strategies for rooftop photovoltaics: experimental evaluation and heat transfer insights

　　

摘要较高的运行温度会显著降低光伏（PV）系统的效率和可靠性。间歇喷雾冷却提供了一条有前景的解决途径，但在不同环境条件下的策略选择及其耦合传热 - 水膜动力学机制尚理解不足。本研究对屋顶光伏组件进行了多种间歇喷雾策略下的户外实验。获取了热 - 电响应曲线以评估真实运行条件下的冷却性能和净能量增益。进一步进行了传热分析以检查不同传热组件的贡献并表征水膜行为。结果表明，喷雾冷却性能强烈受控于控制水膜蒸发的日变化环境条件。在高辐照度和高温条件下，加速蒸发缩短了湿润阶段，之后蒸发冷却迅速减弱，散热主要由自然对流和辐射控制，导致冷却效果降低，需要更短的停喷间隔。因此，2′–2′策略实现了 0.24 Wh/min 的峰值平均净功率增益。在较低辐照度和环境温度期间，更长的中断间隔更好地平衡了热调节和泵送能量消耗。此外，过长的喷雾持续时间提供的额外蒸发冷却可忽略不计。因此，重建的时间变化策略估计每天可提供高达 86.1 Wh 的净能量增益，相对于未冷却参考，比固定的 2′–5′策略额外增加 17.17 Wh 增益（25%）。这些发现为分布式屋顶光伏系统的高效热管理和智能运行提供了重要的理论基础和工程指导。

引言对气候变化日益加剧的担忧以及全球人口的持续增长，创造了对清洁可持续能源前所未有的需求[1]，[2]。从化石燃料向可再生能源的转型不再是选择，而是减少环境恶化并确保能源安全的必然要求[3]。在各种替代方案中，太阳能因其丰富性、普遍性以及几乎无限的潜力而脱颖而出[4]。直接将阳光转化为电能的光伏（PV）技术已成为主要的解决方案，并在全世界范围内迅速部署[5]，[6]。根据国际能源署（IEA）的数据，2024 年全球可再生能源装机容量增加了 22%，达到近 685 GW 的历史新高，其中太阳能光伏仍是这一扩张的主要驱动力[7]。

然而，照射到光伏组件上的大部分太阳辐射转化为热量而非电能，导致电池运行温度显著上升[8]，[9]。这种温度上升对光伏系统的性能有严重的负面影响——不仅降低了组件的发电效率，还可能加速材料老化，从而缩短其运行寿命[10]。先前的研究表明，光伏组件温度每升高 1 度，发电效率大约降低 0.5%[11]。

为解决这一问题，人们探索了各种光伏冷却技术。这些包括一系列被动和主动策略，例如用于自然对流的翅片散热器、用于潜热吸收的相变材料（PCMs）、用于高效传热的热管、辐射冷却层以及被动侧的纳米流体涂层[12]，[13]，以及主动侧的强制风冷、水浸技术、喷雾冷却和混合光伏 - 光热（PV-T）系统[14]，[15]。其中，基于水的喷雾冷却技术因其高冷却效率和快速响应性而受到广泛关注[16]。与其他工作流体相比，水因其环保、高冷却容量和易于获取而特别受青睐作为冷却介质[17]。通过将水滴喷射到光伏板表面，系统可以有效降低温度并提高效率[18]。

Jiang 等人 [19] 在光伏组件背面进行了主动水喷雾冷却实验，测量到平均输出功率增加了 30.54 W。同时，Ni?eti?等人 [20] 实验测试了光伏组件的前表面冷却、背表面冷却以及同时冷却。他们的结果表明，同时冷却前表面和背表面产生了最佳性能，实现了 31.9 °C 的平均温度降低和 14.4% 的相对电效率增加。Bayrak 等人 [21] 通过实验证明，一种优化的喷雾冷却配置（6 个喷嘴，0.6 mm 孔径，250 mm 喷雾距离）使光伏组件表面温度降低了 47.2%，功率输出增加了 30.7%。Zhang 等人 [22] 提出了一种带有背部安装喷雾冷却的光伏系统，并建立了三维传热传质模型。结果显示，在 3 bar 的喷雾水压力下，电池温度可以降低 16.90 °C，转换效率提高 1.52%。Ismael 等人 [23] 通过实验研究了翅片结构和喷雾冷却的协同效应，结果显示该系统使组件温度降低 4.59%，并将能量效率和?效率分别提高到 14.93% 和 14.86%。Sharaby 等人 [24] 比较了不同的光伏系统配置，发现将双轴太阳能追踪与喷雾冷却相结合显著提高了性能，发电量比传统固定面板增加了 26.1%，并实现了 14% 的峰值电效率。此外，在各种地点进行的众多喷雾冷却实验报告了相对电效率增益范围在 4% 到 22% 之间[25]，[26]。

尽管连续喷雾冷却的有效性已有充分记录，但其实际应用往往受到大量水资源消耗和系统能量消耗的阻碍。这一限制使得间歇喷雾冷却成为一种更优越的替代方案。通过实施更具适应性的喷雾控制策略，可以优化系统的能源效率和经济收益。

间歇喷雾可以通过两种主要方法实施。第一种是温度阈值反馈控制，其中冷却系统基于对组件温度的实时监测在特定的温度设定点激活和关闭[27]，[28]。这种方法动态响应组件的实际热状态，并提供相对较高的控制精度。Chaicch 等人 [29] 在阿尔及利亚证明，这种温度控制的喷雾冷却方法实现了与连续喷雾相当的冷却性能，同时显著减少了 84% 的水消耗，并产生了最低的发电成本。相比之下，Yang 等人 [27] 将温度阈值喷雾冷却系统与垂直 U 型管地埋管换热器（UBHE）相结合，有效地将冷却水温度维持在 27–29 °C，并在 1000 W/m2 的辐照度下实现了光伏组件 14.3% 的效率提升。然而，这种方法依赖于温度传感器和反馈控制回路，增加了系统复杂性，使其不太适合成本和维护是关键问题的屋顶光伏应用[30]。

本研究中探索的替代方案是固定周期间歇喷雾冷却，其中喷雾和停止持续时间预设，而不是由温度动态触发。在这方面，Hadipour 等人 [31] 为光伏设计了脉冲喷雾水冷却系统并进行了成本分析。结果显示，与稳定喷雾冷却相比，他们的脉冲喷雾策略使平准化电力成本（LCOE）降低了多达 76.3%。Osma-Pinto 等人 [32] 证明，在热带条件下，1 分钟开启和 29 分钟关闭的间歇喷雾周期实现了 6–7% 的瞬时功率增益。尽管每日能量增益有限，但减少的运行时间降低了泵送能量消耗，导致比连续喷雾更高的净能量增益。此外，Nateqi 等人 [33] 和 Abdel-raheim Amr 等人 [34] 也进行了针对不同固定周期的光伏组件间歇喷雾实验，证实了这种冷却方法的有效性。虽然这些研究展示了固定周期间歇喷雾冷却的潜力，但仍存在两个关键差距。首先，大多数现有的光伏间歇喷雾冷却研究只测试了有限且任意的喷雾启停持续时间。它们缺乏对不同间歇喷雾策略的系统评估，未能分析不同的环境条件如何影响适当喷雾策略的选择。其次，潜在的传热机制——特别是水膜蒸发与组件加热之间的动态平衡——尚未得到彻底分析。

为解决这些差距，本研究设计并进行了针对屋顶光伏组件间歇喷雾冷却的系统性户外对比实验，同时监测组件温度、功率输出和环境因素等各种参数。基于这些实验，系统地评估了不同间歇喷雾策略的热 - 电性能，并分析了环境条件对策略性能的影响。此外，通过使用分阶段理论传热模型，本研究分析了间歇喷雾周期的传热过程和水膜行为，从而阐明了策略之间性能差异的传热根源，并为实验观察提供了物理解释。最后，基于发现，提出了一种全天适合分布式屋顶光伏的时间变化间歇喷雾策略，旨在为屋顶光伏系统热管理的有效设计提供理论支持和实践指导。

章节片段总体研究框架图 1 说明了本研究的总体研究框架。目标是开发一种日变化间歇喷雾冷却策略，以改善屋顶光伏系统的热和电性能。首先，进行了一系列实验以评估不同间歇喷雾策略下光伏组件的热和电响应。其次，通过基于能量平衡的传热分析研究了潜在的冷却机制运行条件设置基于第 2.3 节中描述的实验设置，本研究在各种喷雾策略下对光伏组件进行了对比测试。完整的实验矩阵和相应的环境条件在补充材料中提供。为了清晰起见，选择了三个代表性的对比案例进行详细展示，其喷雾配置总结在表 3 中：（1）案例 1：固定占空比 (DC) 的间歇策略之间的比较结论本研究系统地评估了不同间歇喷雾策略在一天中不同时间对光伏组件热和电性能的影响，并利用本研究开发的理论传热模型深入考察了潜在的传热机制以及环境因素的作用。构建了五个相同的屋顶光伏喷雾冷却实验系统，并进行了涉及多种间歇喷雾的对比实验

CRediT 作者贡献声明马超：写作 - 审查与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。徐子健：写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。吴润泽：可视化，验证，方法论，调查，数据整理。邓泽星：软件，调查，数据整理。徐西萌：写作 - 伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

竞争利益声明作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢本工作得到了国家自然科学基金 [批准号 52279021] 和青海省自然科学基金 [批准号 2025-ZJ-959M] 的支持。

马超 | 徐子健 | 吴润泽 | 邓泽星 | 徐西萌
天津大学水利工程智能建造与运营全国重点实验室，中国天津 300072