《Building and Environment》：Comparative assessment of energy and thermal performance of bifacial photovoltaic and photovoltaic–cool roof systems under different weather conditions
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•BiPVCool在实际条件下的日均发电量比BiPV高出5.4%。•BiPVCool在低辐照条件下优势更为显著：沙尘天气高出6.8%，雨天高出14.6%。•BiPVCool的双面背面增益抵消了中度的热损失，实现了净功率增加。•屋顶光伏使屋面平均温度降低8–12 °C，近地面气
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BiPVCool在实际条件下的日均发电量比BiPV高出5.4%。
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BiPVCool在低辐照条件下优势更为显著：沙尘天气高出6.8%，雨天高出14.6%。
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BiPVCool的双面背面增益抵消了中度的热损失，实现了净功率增加。
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屋顶光伏使屋面平均温度降低8–12 °C，近地面气温降低1–1.6 °C。
引言
在全球气候减缓和能源转型的背景下，过去十年间光伏发电成本下降了超过80%，转换效率持续提升[1]，推动了太阳能发电从集中式地面电站向城市建筑空间的扩展[2]。城市作为能源消费的核心区域，面临城市快速扩张、热岛效应加剧以及极端高温事件频发等相互交织的挑战，对分布式清洁能源供给产生了迫切需求。与远距离输电相比，嵌入城市肌理的屋顶光伏系统具有显著优势，包括减少输电损耗、缓解电力峰值需求以及增强能源系统韧性，成为缓解城市土地资源约束、满足终端用电需求的重要途径[3,4]。在此背景下，建筑物屋顶正从单纯的围护结构演变为能量生产单元，兼具分布式能源开发和城市热环境调节的双重潜力[5]。
尽管常规屋顶光伏系统能够有效利用太阳能资源，但组件运行过程中的高温会降低光伏转换效率（当前晶体硅技术的典型温度系数约为?0.30至?0.37 %/°C）。同时，组件运行产生的废热通过对流和辐射方式向屋面及周边环境释放，形成局部热积累效应，进一步升高组件运行温度并加剧效率损失[6,7]。为解决这一问题，研究人员和工程师积极探索将光伏系统与各类屋顶降温技术相结合，以实现"效率提升"和"降温"的双重目标[8]。冷屋顶通过高反射率涂层减少太阳辐射吸收，而绿屋顶则通过植被蒸腾作用实现被动降温。将这两种方式与光伏系统结合（光伏-冷屋顶和光伏-绿屋顶）被视为极具前景的技术路径[9,10]。然而，绿屋顶受限于建筑承载能力、植被维护成本以及区域水资源禀赋，在干旱和半干旱地区的大规模推广面临实际局限。相比之下，冷屋顶技术具有施工便捷、成本低廉和适用性广等显著优势。其与光伏系统的结合（光伏-冷屋顶，PVCool roof）在既有建筑改造中更具可部署性。
然而，冷屋顶与光伏系统结合的研究仍然相对有限。近期研究开始量化该配置的协同性能。Cavadini和Cook[11]在瑞士苏黎世进行了数值模拟，发现冷屋顶使单面光伏年发电量平均提高3.4%，而绿屋顶仅实现1.8%的提升。Hassoun和Cook[12]在跨越多种气候类型的13个城市中对单面光伏-冷屋顶性能进行了模拟，显示效率提升较为有限（< 2%）；值得注意的是，光伏-白色屋顶始终优于光伏-绿屋顶，且这一差距在未来气候情景下预计将扩大。Yang等[13]在上海开展了现场测量，证明冷屋顶集成使单面光伏组件平均运行温度比传统沥青配置降低0.15 °C。Valencia-Caballero等[14]在西班牙巴塞罗那进行了对比实验，证明双面光伏-冷屋顶系统的发电量比单面系统提高8.6%，比普通地面的双面系统提高4–4.5%；冷屋顶涂层还使夏季无遮挡区域的表面温度降低了3.8 °C。Vasilakopoulou等[15]近期的一项荟萃分析汇总了五十七个案例研究以参数化反照率-产量关系，估计每增加0.1的绝对反照率，单面组件年产量提高约0.7%，双面组件提高4.5%。然而，所汇编的五十七个案例本身高度集中于少数几个城市（如哈梅林、开罗、奥斯陆），且主要来源于理论模拟而非现场观测。总体而言，这些研究表明冷屋顶与光伏系统的结合在提高发电效率和降低屋面温度方面发挥积极作用。
尽管冷屋顶与光伏系统结合的有效性已得到初步验证，但现有研究仍存在以下局限。首先，大多数案例研究主要依赖模拟结果，而有限的实证研究集中于湿润、炎热或地中海气候区，对干旱和半干旱地区的关注明显不足。其次，现有工作主要关注晴天空条件下系统性能，缺乏对沙尘暴和雨天等极端天气下PVCool发电特性的评估，因此难以充分揭示其在多种天气类型下的实际性能。第三，底层物理机制仍不够清晰。现有PVCool屋顶研究倾向于关注单一维度（如发电对比或屋面降温），缺乏在真实屋顶环境中对辐射输入、组件热状态和发电效率之间关系的同步现场观测与定量解耦；因此，其性能优势的来源仍有待进一步阐明。
基于上述分析，本研究选择中国西北干旱地区具有代表性的城市——兰州作为研究对象。依托自主搭建的屋顶光伏实验平台，对常规参考（RR）屋面、双面光伏（BiPV）屋面和双面光伏-冷屋顶（BiPVCool）屋面三种系统进行发电性能和微气象变量的同步观测。研究聚焦于以下科学目标：(1) 量化不同天气条件下BiPVCool与BiPV系统之间的发电差异，并表征其日变化规律；(2) 探究自然运行条件下BiPVCool屋面的热电耦合关系，评估背面辐射增益与相关热负荷之间的相互作用，从而解释观测到的净性能优势；(3) 量化BiPV和BiPVCool系统对屋面温度和近地面气温垂直分布的调节效应，并评估其在地形复杂城市中的局地热环境响应。通过对比分析，本研究旨在为中国西北地区干旱区域屋顶光伏技术的工程应用提供观测证据和科学支撑。
章节摘要
研究地点与实验设置
兰州（35°34′–37°07′N, 102°36′–104°34′E）位于中国西北干旱和半干旱地区，地处黄河上游的河谷盆地，属温带半干旱气候。该地区太阳能资源丰沛，年日照时长超过2600小时，为分布式光伏开发提供了天然优势[16,17]。然而，作为地形复杂的典型城市，兰州两侧为山地环绕。
日发电量与效率
为评估BiPV和BiPVCool屋面在不同天气条件下的整体发电性能，首先计算了各天气类别的日发电量。由于晴天样本主要在三月采集，阴云样本在四月采集，四月相对于三月的太阳辐射更强，使得两类之间的绝对发电量相当。因此采用光伏转换效率作为归一化指标，以实现不同天气条件下的公平比较。
结论
本研究对中国西北干旱地区地形复杂的代表性城市兰州进行了常规参考（RR）屋面、双面光伏（BiPV）屋面和双面光伏-冷屋顶（BiPVCool）屋面系统的对比现场观测。基于四种天气类型（晴天、阴云、沙尘和雨天）下45天的高分辨率同步测量，得出以下结论：
(1) 发电性能。BiPVCool系统始终
局限性与展望
首先，观测期仅限于春季，太阳高度角、环境温度以及积尘速率的季节变化可能影响双面背面增益和屋面降温效果；未来工作应扩展至全年连续监测以评估这些因素的调节效应。其次，当前的BiPVCool系统基于市场主流的屋顶配置，采用固定倾角（18°）和有限的安装高度（底部约50厘米）。
CRediT作者贡献声明
杨立伟：初稿撰写，可视化，验证，资源，调查，资金获取，概念化。高小清：监督指导，资源，概念化。李振超：验证，资源，数据管理。贾东宇：软件，资金获取，数据管理。
杨立伟|高小清|李振超|贾东宇
