使用可再生能源替代传统化石能源是实现碳达峰、碳中和目标的必然选择[1]。太阳能是中国可再生能源体系的重要组成部分。太阳能光伏发电系统的光电转换效率和输出功率与光伏组件温度关系密切[2]。研究表明，光伏组件温度对光电转换效率和输出功率有负面影响：光伏组件温度每升高1℃，光电转换效率和输出功率将下降约1%和0.3%[3]。当风速、辐照度、环境温度、积灰密度等环境因素变化时，会影响光伏组件温度和输出特性[4-6]。因此，探究上述环境因素对光伏组件温度和输出特性的影响规律，对提高太阳能利用率、增加光伏组件的光电转换效率和光伏系统的发电量有着十分重要的现实意义。

国内外学者针对光伏组件温度及输出特性展开了诸多研究：在试验研究方面，Goverde等[7]进行了风洞实验，研究大风环境下光伏组件温度的变化情况，实验发现：辐照度为1000 W/m2且风速分别为3、5、10 m/s时，光伏组件温度分别降低11、16和21℃；Firoozzadeh等[8]在光伏组件背板加装铝制翅片，并在其最高工作温度为85℃下进行试验，发现加装翅片后光伏组件温度最多可降低7.4℃，光电转换效率提高2.7%；于佳禾等[9]在某山地光伏电站进行试验，研究光伏组件温度变化规律，试验发现：在风速较高的情况下，光伏电站内的组件温度主要受环境温度的影响；山地条件下，光伏电站内不同区域的风速差异较大，这会导致不同地点的光伏组件出现温差；Chanchangi等[10]调查研究积灰对4种不同类型太阳电池（碲化镉、非晶硅、多晶硅、单晶硅）封装而成的光伏组件的影响，试验发现：自然积灰1 a后，4种光伏组件的输出功率分别损失70%、69%、79%和78%。在数值模拟方面，Siddiqui等[11]建立融合光伏组件电气性能的瞬态传热模型，模拟结果显示：组件温度上升，光电转换效率将下降；肖雷等[12]利用CFD方法研究光伏阵列在不同风速下的温度分布，结果显示：风速会直接影响光伏阵列的温度分布，风速越高，光伏组件散热效果越好；孟炎等[13]利用ANSYS软件模拟了交变温度下的光伏组件的瞬态传热过程，最终发现：随着环境温度的升高，光电转换效率和输出功率线性下降，环境温度变化越剧烈，光电转换效率下降速度越快。

目前，针对光伏组件的温度和输出特性的研究中，大多仅考虑了单一环境因素的影响，并未考虑多种环境因素耦合下的情况；且采用试验研究时，周期较长、受环境影响较大。而采用多物理场耦合软件COMSOL进行模拟研究时，研究周期短、成本低、便于分析单一环境因素和多种环境因素变化时对光伏组件温度的影响规律，可弥补试验研究的不足。

因此，本文利用COMSOL软件模拟并对比分析清洁与积灰状态下风速、辐照度、环境温度对光伏组件温度的影响；依据光电转换效率和输出功率的经验公式，探究上述诸多因素对光伏组件输出特性的影响规律。

1、数学模型及控制方程

光伏组件与外部环境的热量交换过程是流场和温度场耦合作用的结果。因此，在模拟时主要使用COMSOL Multiphysics软件中的流场模块和温度场模块。

1.1流场数学模型及控制方程

模拟时将流场区域内的气体设置为空气，且将其视为不可压缩黏性流体。此外，空气流经光伏组件表面的过程为外部湍流流动，会产生湍流脉动，因此选取RANS k-ε模型模拟光伏组件外部的空气流场[14-15]。其控制方程为：

式中：ρair——空气密度，kg/m3;u——流场速度，m/s;I——主应力张量，Pa；μair——空气动力黏度，Pa·s；μT——湍流动力黏度，Pa·s;k——湍流动能，m2/s2;F——体积力，N/m3；σk、σε、Cε1、Cε2——湍流模型参数；pk——湍动能源项，W/m3;ε——湍流耗散率，m2/s3;Cμ——黏度系数。

1.2温度场数学模型及控制方程

自然环境下的光伏组件会从太阳辐射和周围环境中吸收能量，同时也会通过导热、对流换热和辐射换热这3种方式释放能量。根据能量守恒定律，当光伏组件温度达到稳定时，其吸收和释放的能量将形成平衡[16]。模型构建时假设光伏组件的性能参数都是各向同性的，与温度无关。温度场控制方程为：

式中：qsun、qconv、qcond、qrad——光伏组件从外界接收到的热通量、与周围环境的对流换热热通量、表面向内部的导热热通量、表面与周围环境的辐射热通量，W/m2;n——朝向环境中的法向量；Spv——光伏组件表面太阳辐照度，W/m2;cp——流体比热容，J/（kg·K),m/s;Tpv——光伏组件温度，K;Tamb——环境温度，K;k′——光伏组件导热系数，W/（m·K);εpv——光伏组件表面的发射率；σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.68×10-8W/（m2·K4）。

2、光伏组件温度数值模型与模拟方法的合理性验证

本节将介绍光伏组件人工积灰试验，并通过对比人工积灰试验数据与模拟结果，验证光伏组件温度数值模型与模拟方法的合理性。

2.1人工积灰试验

2.1.1试验平台

利用安装于本校燃烧实验室屋顶的光伏阵列进行人工积灰试验，光伏阵列由3块YL250P-29b型多晶硅太阳电池封装组成的光伏组件串联而成，安装倾角为45°，如图1所示。人工积灰试验中所需其他仪器见表1。

图1 燃烧实验室楼顶的光伏阵列

表1 试验仪器说明

2.1.2试验方案

为确保试验数据的精准度，试验过程中对光伏组件表面与背面的温度同时进行测量。由于重力作用，灰尘颗粒主要分布于光伏组件表面下部，光伏组件中上部温度与其整体温度较为接近。因此，温度测点布置于每块光伏组件斜对角上，如图2所示，其中实心点为热电偶测点。试验过程中，利用数据采集器连接热电偶线对3块光伏组件表面与背面的温度测点进行实时测量。

图2 光伏阵列温度测点布置

在实际环境中，光伏组件表面与背面温度非常接近，温差约1℃[17]，故在后续的数据处理中取B、E、H、A′、B′、D′、E′、G′、H′共9个点的温度平均值作为光伏组件温度。

以之前进行过的自然积灰试验[18]中的单块光伏组件积灰量为基准，按近似约1、2、3、4、7、10、13的倍数关系确定本试验中单块光伏组件表面的布灰质量分别为1.9、3.8、5.7、7.6、13.0、19.0、25.0 g。单块光伏组件的有效面积为1575mm×950 mm，经计算可得单块光伏组件表面的积灰密度分别为1.270、2.540、3.810、5.079、8.688、12.700、16.710 g/m2。

为保证人工积灰试验的准确性，根据MS3000马尔文激光粒度分析仪对光伏组件表面自然沉积试验中灰尘粒度的分析结果[19]，选取了化学成分和粒径分布与自然积灰接近且易大量获得的电站煤粉作为试验用灰。

人工积灰的试验时间为每天12:00—13:00。试验前，利用静电吸附纸擦除光伏组件表面的积灰以使其处于清洁状态，并测量此状态下光伏组件温度；再利用电子天平称取等质量灰尘3份，布撒在3块光伏组件表面使其处于积灰状态，按上述布灰步骤依次完成各积灰密度下光伏组件温度的测量。

2.2试验条件下的光伏组件温度数值模拟

2.2.1物理模型建立及网格划分

模拟时，在COMSOL软件中构建一个6.5 m×4.0 m×2.5 m的长方体作为计算域，以保证空气流动能充分发展；在计算域中根据光伏组件尺寸构建物理模型，如图3所示。光伏组件表面使用加密的自由三角形网格进行剖分，其他实体域采用自由四面体网格进行剖分。经网格无关性验证，当网格总数约为135万时，能较好地满足计算精度和时间的要求。

图3 光伏阵列模型及边界条件设置

2.2.2单值性条件设置

计算域内的空气在不同环境温度和湿度条件下的动力粘度等参数可根据文献[20-21]计算得到；光伏组件四周边框设置为铝合金，表面设置为玻璃。具体参数设置如表2所示。

表2 光伏组件物性参数设置

物理场边界条件具体设置如图3所示。流场模拟采用速度入口、压力出口。为使流域不受其余壁面条件的影响，将剩余的4个壁面设置为对称边界条件。风速、环境温度、湿度均根据试验所测数据进行设置。

在温度场中，将投射到光伏组件表面的太阳辐照度设定为恒定热流密度，其大小按试验所测数据进行设置。在进行积灰状态下的模拟时，需考虑积灰对透光率的影响。众多研究表明：积灰密度对光伏玻璃透光率的影响趋势是一致的，即随着积灰密度的增加，光伏玻璃透光率会降低到一个饱和值，二者之间的经验关系式受灰尘的粒径分布影响较大。其中官艳玲等[22]进行了光伏组件覆灰试验，并根据试验结果拟合出透光率与积灰密度的关系式如式（3）所示，其试验中直径小于54µm的灰尘颗粒占颗粒总数的91%，粒度分布与本文基本一致。

式中：γg——玻璃表面的透光率；γ0——清洁状态下玻璃表面的透光率，取1;Rad——积灰密度，g/m2。

光伏组件表面和背面与空气进行对流换热，设置为第3类边界条件。对流换热过程遵循牛顿冷却定律，见式（4）。对流换热系数可根据特征数方程求得，见式（5）。本文试验环境为空气湍流流动且光伏组件周围有一定建筑和树木遮挡，根据Sartori[23]的研究结果，此种环境下系数C2=5.74,m

式中：h——对流换热系数，W/（m2·℃）；Re——雷诺数；Pr——普朗特数；v——风速，m/s;L——特征长度，在本文中L指光伏组件的长度，m;C1、C2、m、n——通过试验确定的系数。

根据式（4）和式（5）可得对流换热密度随风速的变化情况为：

除对流换热外，光伏组件还与外部环境进行辐射换热，故模拟时将光伏组件表面与背面均设置为灰体，空间温度设为环境温度。相关材料的反射率、辐射率、吸收率如表3所示。

表3 光伏组件的物理属性

2.3模拟结果与试验结果的对比分析

将清洁状态和积灰状态下的试验数据代入模型进行计算。模拟与试验结果如图4所示。根据图4a计算得清洁状态下试验值与模拟值之间的相对误差最大为15.02%，最小为2.21%，平均相对误差为9.93%。根据图4b计算得积灰状态下试验值与模拟值之间的相对误差最大为16.27%，最小为2.59%，平均相对误差为7.97%。综上，两种状态下的数据误差均在工程误差的允许范围内，验证了所建模型及模拟方法的合理性。

图4 光伏组件模拟与试验结果对比

3、光伏组件温度数值模拟及光电转换效率计算

光伏组件的光电转换效率是国内外学者的研究重点，其定义式为：

式中：η——光电转换效率；FF——填充因子；Isc——短路电流，A;Voc——开路电压，V;Apv——光伏组件的有效面积，m2。

太阳电池电流方程为[24]:

式中：I——输出电流，A;V——输出电压，V;Iph——光生电流，A;I0——二极管反向饱和电流，A;Eg——材料带隙宽度，e V;Rs——等效串联电阻，Ω；Rsh——等效并联电阻，Ω；nd——二极管理想因子；kB——玻尔兹曼常数；M——空气质量系数；αIsc——二极管温度系数；角标ref、PV——标准测试条件和实际工况。

由式（8）可知，组件温度TPV、辐照度Spv和透光率γg会影响太阳电池的I-V特性，当太阳电池的I-V特性发生变化时，短路电流Isc、开路电压Voc以及填充因子FF的大小都会发生改变，最终影响光电转换效率。众多研究表明，对光电转换效率影响最大的是光伏组件温度。光电转换效率和光伏组件温度的关系式为[25]:

式中：βref——光伏组件的温度系数。

3.1清洁状态下环境因素对光伏组件温度及光电转换效率影响分析

3.1.1风速对光伏组件温度及光电转换效率的影响

风速会影响光伏组件与空气间的对流换热过程，进而影响其温度和光电转换效率。图5为光伏组件温度和光电转换效率随风速的变化情况。

分析图5可知：风速增大时，光伏组件温度降低，光电转换效率上升。这是因为：风速增大会加剧光伏组件与空气间的对流换热过程，使光伏组件温度降低，而光电转换效率与光伏组件温度呈负相关关系，故光电转换效率上升。此外，环境温度一定，风速增大时，辐照度越高，光伏组件温度的降低速率越快，光电转换效率的上升速率越快。环境温度为25℃且辐照度为1200 W/m2时，风速由2 m/s增大到8 m/s，光伏组件温度下降15℃，光电转换效率提高1%。因此在选择光伏电站的建造地点时，可选择风速较大的区域，有利于降低光伏组件温度，提高光电转换效率。

图5 光伏组件温度和光电转换效率随风速变化

3.1.2辐照度对光伏组件温度和光电转换效率的影响

辐照度将影响光伏组件表面接收到的太阳能辐射量，进而影响光伏组件温度和光电转换效率。图6为光伏组件温度和光电转换效率随辐照度的变化情况。

图光伏组件温度和光电转换效率随辐照度变化

分析图6可知，辐照度增大时，光伏组件温度上升，光电转换效率下降。这是因为：随着辐照度的增大，光伏组件表面接收到的太阳能辐射量逐渐增多。此外，环境温度增大时，不同辐照度下光伏组件温度的变化量均与环境温度的变化量一致，即：环境温度每增加1℃，光伏组件温度也增大约1℃；环境温度每升高10℃，光电转换效率均降低约0.6%。

3.1.3环境温度对光伏组件温度的影响

环境温度将直接影响光伏组件温度。图7为光伏组件温度和光电转换效率随环境温度的变化情况。

图7 光伏组件温度和光电转换效率随环境温度变化

分析图7可知：光伏组件温度随环境温度的增加而上升。辐照度为900 W/m2时，光伏组件最高温度接近60℃，远远高于环境温度，这会严重影响光伏组件的性能和寿命。当环境温度升高时，不同风速下光伏组件温度的变化量均与环境温度的变化量一致。随着风速的增大，光伏组件温度的降幅和光电转换效率的增幅均逐渐减小，光伏组件与环境的温差也逐渐减小。结合式（6）分析可知，随着风速的增大，对流换热密度的增长速率逐渐减小，即对流换热效果的增强幅度逐渐降低。

综合图6和图7的分析结果可知，环境温度变化时，光伏组件温度的变化量基本不受风速和辐照度的影响；在不同的辐照度或风速下，光伏组件温度的变化量与环境温度的变化量基本一致。由此可推断：环境温度对光伏组件温度的影响最大，二者间有着很强的相关性。

3.2积灰状态下环境因素对光伏组件温度及光电转换效率影响分析

积灰会降低光伏组件对太阳辐射的吸收量，增大光伏组件表面热阻，进而影响光伏组件温度和光电转换效率。图8示出了积灰状态下光伏组件温度和光电转换效率随环境因素的变化情况。

综合分析图8可知，环境因素发生变化时，不同积灰密度下的光伏组件温度和光电转换效率的变化趋势与清洁状态下相同。

在图8所示各环境因素变化范围内，风速、辐照度、环境温度对光伏组件温度和光电转换效率的影响均大于积灰密度。积灰会降低光伏组件温度，提高光电转换效率。这表明：积灰降低了光伏玻璃透光率使光伏组件接收到的太阳辐射量减少，温度下降；同时还增大了光伏组件表面热阻，使其对流换热量减少，温度上升，但前者对光伏组件温度的影响更大。这与官燕玲等[22]的研究结果相同。

此外，随着积灰密度的增大，光伏组件温度及光电转换效率的变化量越来越小。当积灰密度≥10 g/m2时，光伏组件温度及光电转换效率变化并不明显，这是因为：由式（3）可知，透光率和积灰密度之间为对数函数关系，且随着积灰密度的增长，透光率的降低速率逐渐下降。从宏观角度分析，积灰量较少时，大部分灰尘颗粒分布较为均匀，不会发生堆叠现象，此时每个灰尘颗粒都会阻挡一部分太阳光到达光伏组件表面，透光率下降明显；但随着积灰量的增加，部分灰尘颗粒会发生堆叠，而堆叠在一起的灰尘并不会遮挡额外的太阳光，这就导致透光率的下降速率逐渐降低。

分析图8b可知：辐照度越高，积灰对光伏组件温度影响越明显，当辐照度为1200 W/m2且积灰密度为22 g/m2时，清洁与积灰状态下的光伏组件温差大约为8℃，光电转换效率上升约0.55%。光伏组件一般安装在辐照度较高的地区，故积灰对光伏组件温度和光电转换效率的影响不可忽略。分析图8c可知，积灰状态下，光伏组件温度仍与环境温度保持着很强的相关性。

图8 光伏组件温度和光电转换效率随环境因素的变化

3.3光伏组件温度与环境因素相关性分析

由3.2节分析可知，在风速、辐照度、环境温度、积灰这些因素中，环境温度对光伏组件温度的影响较大，积灰密度对其影响较弱。为深入分析不同环境因素与光伏组件温度间的关联程度，采用CRA-灰色关联度和MIC-最大信息系数两种方法，对320组模拟数据和60组试验数据同时进行相关性分析。最终综合上述两种方法的分析结果可确定，各环境因素与光伏组件温度相关性排序：环境温度>辐照度>风速>积灰密度。各环境因素与光电转换效率的相关性排序与上述顺序相同。

4、环境因素对光伏组件输出功率的影响分析

除光电转换效率外，光伏组件输出功率也将直接影响光伏系统收益，是研究人员关注的焦点，计算公式为：

式中：Pout——输出功率，W。

4.1清洁状态下环境因素对光伏组件输出功率影响

4.1.1风速对光伏组件输出功率的影响

风速影响光伏组件温度进而影响光电转换效率，最终影响光伏组件输出功率。图9a为输出功率随风速的变化情况。

分析图9a可知，光伏组件输出功率随风速的增大而增大，但增长量较小。环境温度为25℃且辐照度为1200 W/m2时，风速由2 m/s增大到8 m/s，输出功率增长量最大，约为55 W。同风速下，辐照度每增加300 W/m2，输出功率增大约200 W。在图9a中各环境因素的变化范围内，辐照度对输出功率的影响远大于风速。

4.1.2辐照度对光伏组件输出功率的影响

辐照度对光伏组件输出功率的影响表现为两方面，一方面为直接影响：辐照度增加会直接提高光伏组件所接收到的能量，使其输出功率增大。另一方面为间接影响：辐照度增加会使光电转换效率降低，从而令输出功率有所下降。图9b为输出功率随辐照度的变化情况。

由图9b分析可知，输出功率随辐照度的增加而增大。这说明辐照度对输出功率的直接影响较强。此外，风速一定，不同辐照度下，环境温度由15℃升高到35℃，输出功率均降低约8%。

图9 清洁状态下输出功率随环境因素的变化

4.1.3环境温度对光伏组件输出功率的影响

分析图9c可知，环境温度对输出功率的影响大于风速。辐照度一定，不同风速下，环境温度由5℃升高到35℃，输出功率均降低约12%。再结合图9b的分析结果可得：在图9a和图9b中各环境因素变化范围内，环境温度每升高1℃，光伏组件输出功率将下降约0.4%；不同辐照度或风速下，环境温度对输出功率的影响程度相似。

4.2积灰状态下环境因素对光伏组件输出功率影响

积灰会影响光电转换效率和透光率进而影响光伏组件输出功率。图10为光伏组件输出功率随环境因素的变化情况。分析图10可知，当环境因素改变时，积灰状态下光伏组件输出功率的变化趋势与清洁状态下基本相同。

分析图10a可知，风速由2 m/s增大到8 m/s时，不同积灰密度下输出功率均增大约30 W。积灰密度由4 g/m2增大到22 g/m2时，不同风速下输出功率均降低约165 W。因此，在图10a中各环境因素变化范围内，积灰密度对输出功率的影响大于风速。这是因为：辐照度一定时，输出功率主要受光电转换效率和透光率的影响，风速增大以及表面积灰会提高光电转换效率，同时积灰也会降低透光率，且透光率变化对输出功率的影响较大。由此可见，虽然积灰会使光电转换效率上升，但却极大降低了光伏组件输出功率。

分析图10b可知，在各环境因素的变化范围内，辐照度对输出功率的影响大于积灰密度。原因是：辐照度将直接影响输出功率，积灰会影响光电转换效率和透光率从而间接影响输出功率。此外，辐照度较低时，积灰对输出功率的影响较小。但当辐照度为1200 W/m2，积灰密度由0 g/m2（清洁状态）增大到22 g/m2时，输出功率降低27%。由此可见，在光伏电站运行中，需及时清灰以减少输出功率的损失。

分析图10c可知，环境温度由5℃增大到35℃，不同积灰密度下输出功率均降低约60 W。积灰密度由0 g/m2（清洁状态）增大到22 g/m2时，不同环境温度下输出功率均降低约150 W。在图10c中各环境因素的变化范围内，积灰对输出功率的影响大于环境温度。这是因为：环境温度变化仅仅影响光电转换效率，而积灰密度变化除影响光电转换效率外，还会影响透光率，且透光率变化时对输出功率的影响较大。

图1 0 光伏组件输出功率随环境因素的变化

5、结论

1）风速增大有利于降低光伏组件温度，提高光电转换效率和输出功率，在选择光伏电站的建造地点时，若不同地点均能满足辐照度要求，则可优先选择风速较大的区域，以有利于降低光伏组件温度，提高光电转换效率和输出功率。

2）随着辐照度的增大，光伏组件温度和输出功率增大，光电转换效率降低。辐照度越大，风速对光伏组件温度、光电转换效率、输出功率的影响越明显。

3）环境温度升高使光伏组件温度增大，光电转换效率和输出功率下降：环境温度每升高1℃，光伏组件温度也升高约1℃，光电转换效率和输出功率分别下降约0.06%和0.4%。在环境温度较高的地区，可对光伏组件加装散热装置。

4）当辐照度为1200 W/m2且积灰密度为22 g/m2时，与清洁状态下相比，光伏组件温度降低值为8℃，光电转换效率上升了约0.55%，输出功率却衰减了约27%，这表明积灰使光伏组件温度下降，光电转换效率升高，但严重抑制了光伏组件的输出功率。

5）在本文的研究范围内，各环境因素与光伏组件温度和光电转换效率的关联顺序为：环境温度>辐照度>风速>积灰密度；与输出功率的关联顺序为：辐照度>积灰密度>环境温度>风速。

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文章来源:吕玉坤,赵润一,周庆文,等.环境因素对光伏组件的温度及输出特性影响研究[J].太阳能学报,2024,45(11):194-203.