自然环境下光伏组件辐射制冷现象

安装于自然环境下的光伏组件，其运行条件与实验室模拟状态存在差异。近期，本研究团队在对光伏组件背板温度的仿真计算研究中通过数据采集发现，光伏组件在没有太阳辐射或微弱辐射的情况下，背板温度明显低于环境温度，这是在实验室封闭环境下不可能发生的一种现象。

观察发现，随着季节和天气的变化，清晨日出前所采集的光伏组件温度均值约低于环境温度0.5-4℃，随着光照增强，组件温度上升速率明显高于环境温度的上升速率；傍晚日落时分，环境温度和组件温度同时下降，辐照度降至微弱时，所采集的光伏组件温度均值开始低于环境温度，直至稳定到环境温度以下0.5-4℃。典型图像如图1所示（某光伏电站2022年6月8日5:00-19:00时间段内温度及辐照度的现场采集数据，组件类型为STS-6M-320-72），该日关键时刻的温差及辐照度关系如表1所示。

图1 某光伏电站典型日温度对比

表1 时间、温度和辐照度关系

一般来说，自然界的结露、雾气、雨水、积雪等现象，会导致光伏组件因蒸发吸热在短时间形成组件温度低于环境温度现象，但该现象具有偶发性且持续时间短，如果该现象持续重复发生，则表明其与偶发环境因素无关。在没有光照的情况下，光伏组件自身导热特性使得组件温度与环境温度仅存在时间上的滞后，而无法使组件温度从环境温度以上下降至环境温度以下。因此，该现象与组件自身导热性能无关，而是受到其它冷源的影响，产生被动制冷现象。

为对这一现象进行科学合理的解释，经查阅相关技术资料，发现自然界存在“(深空)辐射制冷”或“辐射散热”现象。地球大气层对不同波长的电磁波有着不同透射率，透射率较高的波段称为“大气窗口”，如图2蓝色区域所示，常见波段为30-250，320-480和800-1300，太阳的热量正是通过上述窗口以电磁波方式源源不断地输入地球。反之，地表上的物体，则可通过大气窗口以电磁波热辐射的形式与温度约的宇宙背景进行热交换，从而达到自身冷却的效果。物理界通常将这种完全以辐射方式将热量释放到宇宙空间的被动制冷现象称为(深空)辐射制冷。

图2 大气窗口

标准硅晶体电池片的光谱响应范围通常为400-1100，如图3所示，其涵盖全波段可见光区、部分波段紫外光区以及部分波段近红外光区，光伏组件在符合大气窗口的波段内，将组件自身热量以电磁波形式持续辐射到宇宙深空。受太阳影响，该散热现象在白天难以观察，而在夜间，光伏组件的持续辐射散热就产生了温度低于周边环境温度直至与周边环境达到热平衡为止的现象。

由于光伏组件的(深空)辐射制冷是处于自然环境下形成的一种现象，实验室封闭环境无意中规避了该现象的发生。本研究团队目前所了解到的光伏组件厂商和实验室，均缺乏对该现象开展定性和定量分析，也未检索到该现象对光伏组件发电影响的相关技术资料。因此，其对光伏发电的影响仍然存在许多未知因素，且存在潜在的实际应用价值，例如对BIPV建筑用能整体的影响和优化等，期待后续的进一步深入研究。

图3 硅晶体光谱响应曲线