高温炎热地区的太阳能发电效率提升新方案

夏季高温是硅基太阳能板面临的一大难题。通常情况下，太阳能板温度每升高1摄氏度（超过25摄氏度基准线），其发电效率便会下降0.5%。这在巴格达这样的炎热地区尤为突出，当地气温可超过50摄氏度，长时间日照会使太阳能板表面温度逼近80摄氏度。研究表明，在这种极端条件下，太阳能板效率最多可下降25%。

不过，伊拉克的一项新研究可能为提升太阳能板在高温强光环境下的发电效率提供一种冷却方案。该系统在太阳能板背面安装了浸水垫片，利用蒸发冷却原理，同时在板面前侧间歇喷水以防止过热。研究人员在9月下旬发表于《工程成果》（Results in Engineering）期刊的论文中指出，这一策略可将发电效率提升约20%。此外，该系统产生的冷空气还可用于建筑通风。

太阳能板冷却原理

巴格达中技术大学热力系统专家、论文第一作者德亚·M·N·马哈穆德表示，现有的太阳能板冷却方法，如风扇辅助冷却和被动通风，在极端高温下往往难以有效调控温度。但巴格达极度干燥的空气条件，为采用另一种方案提供了契机。马哈穆德指出，当地相对湿度仅为15%至20%左右，“为高效的潜热蒸发冷却提供了理想的热力学环境”。

马哈穆德团队的方案是在光伏组件上加装喷水嘴、蒸发冷却垫片和温度传感器。蒸发垫片由纤维材料制成，覆盖在太阳能板背面，通过一根打孔管均匀地将水分布在垫片上。同时，风扇将环境空气吸入垫片，产生蒸发作用，从而冷却组件。

当太阳能板前表面温度达到42至45摄氏度时，喷嘴会自动向板面喷水，以降低表面温度并清除灰尘。一个收集水箱可回收来自背面垫片和前面喷水的流失水，以便循环利用，从而减少新鲜水的使用量。

实验装置采用改良光伏板，背面配备带柔性输水管的蒸发冷却垫片。

在表现最佳的配置中，垫片厚度为100毫米，太阳能板温度相比未冷却的板降低了29.7摄氏度，电能转换效率也提升了约20%。研究人员在7月、8月和9月进行测试，在巴格达气温最高、光照最强的时段采集数据。

该团队在此前原型基础上改进得出了这一设计，其中一款原型使用了地下水-空气热交换器，在空气进入垫片前对其进行预冷。然而，这种设计依赖深井基础设施和较大的泵送功率，带来了实际应用上的限制。最新原型将板背面的蒸发冷却与板前面的间歇喷水相结合，只在需要时启动。这使得系统能够同时冷却两面并清除灰尘，而不必依赖高耗能的地下水系统。

马哈穆德表示：“将这两种方法结合起来，解决了单一系统的核心局限。”单纯依靠背面蒸发冷却，在环境气温超过50摄氏度时效果会大打折扣。

高温气候下的太阳能板效率下降问题

安装在太阳能板背面的蒸发冷却垫片，通过一根输水管保持湿润状态。

新设计面临的一项关键工程挑战，是如何让蒸发纤维垫片适配测试装置33度的倾角——这是巴格达所在纬度太阳能板的最佳固定倾斜角度。此类垫片通常垂直安装于蒸发式空气冷却器和温室通风系统中，可借助重力使水均匀向下流动。马哈穆德表示，将垫片以一定角度安装，需要调整水流和分布方式，以防止出现干斑或水流通道化问题。

未参与该研究的阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）材料科学研究人员乔强·甘和孙苗·方表示，在极端条件下将太阳能板温度降低近30摄氏度令人印象深刻。根据今年5月发表于《科学报告》（Scientific Reports）的一项研究，此前的喷水冷却方案仅能实现约10至22摄氏度的温降，电能效率提升幅度约为7%至24%。

不过，不同冷却技术之间的比较需要考虑诸多因素。甘教授（KAUST教授）表示：“已报告的冷却性能令人鼓舞，但光伏冷却技术的最终价值应基于净能量效益、耗水量和长期运营成本来评估，而非仅凭温度降幅。”

光伏冷却中的能耗与水耗权衡

在马哈穆德的系统中，表现最佳的配置使一块150瓦光伏组件的平均发电输出提升了约16.7瓦。不过，该系统使用了风扇和水泵进行水循环与喷洒，这可能影响实际收益。KAUST博士后研究员方表示，评估净电力收益时，必须考虑实际功耗和运行周期。

马哈穆德也承认这一不足之处。他表示：“在我们的单板原型装置中，水泵和风扇所消耗的寄生能量，实际上超过了冷却效应带来的即时发电增益，这是小规模原型普遍存在的已知局限。”在全规模商业安装中，共享泵送和风扇基础设施可以在大型阵列中分摊，从而降低每块板的能耗成本，这一问题或能有所缓解。

马哈穆德还看到了将该系统与建筑通风相结合所带来的潜在节能效果。他表示：“最令我们惊讶的是背面排出空气的优异热质量。”经过浸水纤维垫片后，冷却后的空气可被引导至供暖通风与空调（HVAC）系统的新风进气口进行预冷。

马哈穆德说：“如果将利用冷却排气为建筑HVAC系统预冷所节省的二次热能计算在内，整个系统的净能量平衡将变得非常有利。”

太阳能板冷却同样能为建筑降温

该系统为建筑降温的实际效果尚未得到验证。研究人员报告的出口空气温度约为34摄氏度，方指出，这还需要进一步冷却才能达到室内舒适标准。

在干旱地区部署该系统还需考虑其他因素，包括水资源可获得性、灰尘堆积、矿物沉积、喷嘴堵塞以及维护问题。该系统依赖电力驱动的风扇和水泵，这也可能使电力供应不稳定地区的安装工作变得更加复杂。

方表示，这项技术可能更适合拥有稳定水源和现有通风设施的建筑，但在小型住宅或离网系统中，安装、改造、电力和维护成本可能会抵消其带来的节约效益。

马哈穆德所在的巴格达中技术大学团队，正在寻求太阳能项目开发商和HVAC制造合作伙伴，以开展全规模商业试点项目。