透明和不透明太阳能光伏板的热性能与发电性能：一项实验研究

《Energy》：Thermal and power generation performance of transparent and opaque solar PV panels: an experimental study

　　摘要
准确的温度预测对于提高太阳能光伏（PV）系统的可靠性和能量产出至关重要。透明光伏技术越来越多地被用于建筑集成光伏系统，尤其是在立面应用中。尽管透明光伏面板已在室外条件下进行了研究，但与传统不透明面板之间的比较仍然有限，特别是在不同环境下的热性能和发电性能方面。因此，本研究通过使用灯阵列进行受控室内加热测试以及室外实际测量，实验性地研究了透明和不透明光伏面板的热性能和发电性能。结果表明，不透明光伏面板具有更高的温度敏感性和更大的温度波动。在相同的辐照度下，透明面板的稳态温度更低，表明其热响应更为稳定。在室外测试中，风速超过3 m/s时，两种面板的表面温度均下降了2-3°C。透明面板的正面温度较高，而背面温度较低；而不透明面板则表现出更高的背面热量积累。在发电方面，不透明面板达到了约90%的额定功率，但对其温度变化更为敏感；而透明面板则输出了大约60%的功率，且输出相对稳定。这些结果表明，透明光伏面板可能更适合通风受限或温度变化较大的建筑环境，而不透明面板则在需要最大功率输出的情况下更为适用。本研究开发了一个经验模型，利用环境温度、辐照度和风速来预测表面温度和性能比（PR）。该研究为评估建筑集成应用中的透明光伏系统提供了实验依据和建模支持。

引言
太阳能光伏（PV）技术已成为最具前景的可再生能源之一，在全球能源转型中发挥着重要作用[1],[2]。根据国际能源署（IEA）的预测，到2030年全球光伏安装容量预计将增加约3680吉瓦[3]。光伏系统在发电厂、建筑集成光伏（BIPV）和分布式发电领域得到了快速部署。太阳能光伏模块的长期热稳定性和可靠性已成为决定整体系统效率和经济性能的关键因素[4],[5],[6]。大量研究表明，模块温度直接影响能量效率，每升高1°C通常会导致输出减少0.3-0.5%[7],[8]。由于模块温度受太阳辐照度、环境温度和风速等多种相互影响的环境因素的制约，全面理解这些因素的相互作用对于提高系统可靠性和优化能量产出至关重要[9],[10]。关于全尺寸透明太阳能光伏面板的研究较少，尤其是来自实际室外测试的数据。虽然经常开发出用于优化设计和实际应用的温度预测模型，但这些模型主要基于环境温度、太阳辐照度和风速等关键参数[11],[12],[13],[14]。后续研究通过纳入阵列布局、倾斜角和气候校正因子进一步提高了模型的适用性[13],[14],[15]。此外，人工智能（AI）和计算流体动力学（CFD）等数据驱动方法也被越来越多地用于预测温度分布、评估效率并优化系统配置[16],[17],[18],[19],[20],[21]。这些进展显著提升了模型在不同运行条件下的适应性。

尽管取得了这些进展，但大多数现有研究集中在传统的不透明或单层玻璃面板上，通常假设其光学吸收率高且透射率可以忽略不计[22],[23],[24],[25],[26]。这种假设限制了现有模型对新兴光伏技术的适用性[27]。透明光伏面板在材料系统、封装结构和光学特性上与传统设计有根本不同。更高的透射率、更薄的吸收层以及更均匀的内部热量分布导致了不同的热传导和散热机制[28],[29]。因此，基于不透明模块的经验模型无法准确捕捉透明光伏面板的热响应或效率变化。尽管透明光伏面板的光-热-电耦合特性已经得到了广泛研究，但现有研究主要关注窗口集成系统、建筑能耗、日光利用性能、遮阳效果或数值模型开发[30],[31],[32]。直接比较相同室外环境下透明和不透明光伏面板在模块级别上的热响应和输出变化的研究较少。光学透射可以减少光伏层内的直接热量吸收，但也可能改变热量向室内或背面的传递。这为理解透明光伏面板提供了重要参考，但由于其不同的光学和结构特性，完全透明面板的热性能和电性能仍需要直接的实验验证[33],[34],[35],[36]。此外，关于全尺寸透明和不透明光伏面板在室外条件下的比较仍然不足。现有研究提出了多种措施来解决光伏面板在高工作温度下的问题，例如使用蒸发冷却方法在干燥炎热的气候中冷却光伏面板[37]，以及利用相变材料吸收和储存多余的热量[38]。此外，还提出了使用散热片和棉芯来增强光伏面板背面的散热效果[39]。这些研究表明，热管理在高辐照度和高温条件下对保持光伏面板的发电性能起着重要作用。然而，现有研究主要集中在改进传统光伏面板的冷却性能上。由于对透明光伏面板在室外条件下的热响应、性能比变化和环境适应性的理解不足，也阻碍了针对性冷却措施的进一步发展。因此，有必要直接比较透明和不透明光伏面板。

此外，在真实室外条件下直接比较透明和不透明光伏面板仍存在显著差距。大多数研究是在受控实验室环境下进行的，其中辐照度和温度都是可控的。然而，透明光伏面板在高温辐照、大温差和风速波动的室外环境下的热响应和效率衰退尚未得到充分验证。环境因素如温度波动、风速变化和辐照度的季节性变化会显著影响光伏性能，但这些因素在大多数研究中并未得到充分考虑。因此，尽管透明光伏面板在BIPV系统中具有巨大潜力，但其在不同环境条件下的热管理和性能仍不甚明了。透明光伏面板在高温和强辐照下的热稳定性、温度上升行为以及长期效率下降情况尚未得到充分探索。这对透明光伏面板的设计和优化提出了重大挑战，也限制了其在实际应用中的广泛采用。因此，准确评估透明光伏面板在实际运行条件下的温度变化和热-电耦合效应对于优化其在多种环境中的应用至关重要。尽管透明光伏面板在BIPV立面应用中受到越来越多的关注，但现有研究主要集中在光学性能、日光利用、建筑能耗或数值模拟方面。直接比较全尺寸透明和不透明光伏面板的实验研究仍然有限，尤其是在受控和实际室外环境条件下的热响应和发电性能方面。因此，本研究旨在：
● 在不同环境条件下比较透明和不透明光伏面板的热传递和发电性能；
● 量化辐照度、风速和环境温度对透明和不透明光伏面板温度上升和性能比的耦合效应；
● 为BIPV系统中透明光伏面板的设计和优化提供实验数据和模型支持。

测试样品
选择了两种来自当地供应商的全尺寸光伏面板进行对比研究，包括不透明面板和透明面板。这些光伏面板的详细参数如图1和表1所示。这两种面板分别适用于典型的BIPV系统应用。透明面板主要用于需要日光利用和美观要求的建筑立面，而不透明面板通常用于传统的屋顶光伏系统。

室内测试中的温度差异
在相同的辐照度条件下，透明光伏面板展现出更好的热管理性能。图5显示了在受控室内条件下，透明和不透明光伏面板表面温度随太阳辐照度的变化情况。透明光伏面板的稳态温度更低，加热速率也更低。两种光伏面板在受控室内条件下的回归计算总结见表S1。

经验模型的开发
光伏面板的表面温度是影响其输出性能和服务寿命的关键因素，而性能比（PR）反映了面板在实际运行条件下的总体发电效率。现有的光伏面板温度预测模型可分为两类：详细的物理模型和简化的经验模型。简化经验模型因其简单性和低计算成本而常用于评估光伏系统的运行性能。

结论
本研究通过实验比较典型透明和不透明光伏面板的热响应和发电性能，解决了关于光伏面板热响应的研究不足问题。结果表明，太阳辐照度是影响温度变化和性能比（PR）的主要因素。风主要通过对流冷却和温度调节影响光伏面板的运行。透明光伏面板在测试条件下的温度上升幅度较小。

作者贡献声明
Long Shi：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、定量分析、概念化。
Wenye Lin：撰写 – 审稿与编辑、监督。
Wengui Li：撰写 – 审稿与编辑。
Zihao Song：撰写 – 审稿与编辑。
Wang Zhang：撰写 – 审稿与编辑。
Zhongyu Zheng：撰写 – 审稿与编辑。
Qichang Dong：撰写 – 初始草稿、软件开发、方法论、定量分析

引用文献
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利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52306288、52274235）和国家消防救援局关键研发计划（编号2024XFZD09）的支持。

作者信息
Qichang Dong | Zhongyu Zheng | Wang Zhang | Zihao Song | Wengui Li | Wenye Lin | Long Shi
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽省合肥市，230026