基于相變材料的光伏熱管理系統研究進展

伍森怡

（華南理工大學化學與化工學院，廣州 510640）

作為太陽能的一種有效利用方式，隨著成本的降低，光伏發電受到了廣泛的關注［1］。然而光伏（PV）板在實際應用中，僅15%-20%的太陽能轉化為電能，其余以熱能形式散失［2］。這些熱量將導致PV板溫度升高，從而影響其光電轉化效率。當高于正常工作溫度25 ℃時，光伏板效率降低0.4%-0.65%·K-1［3］。若溫度不能及時控制，將可能導致永久性結構損壞，縮短使用壽命［4］。因此，良好的熱管理系統對PV板至關重要，以保證PV系統較高的工作效率。

光伏板冷卻技術可分為主動冷卻與被動冷卻。主動冷卻，包括強制風冷［5］，水冷卻［6］等，通過風扇或泵輸送傳熱流體帶走PV板熱量，進而達到熱管理的效果。然而主動冷卻需要添加額外復雜的設備，且消耗更多的能源。相比之下，使用相變材料（PCM）的被動冷卻更具高效率和溫度分布均勻性［7］。Huang等人［8］嘗試將PCM應用于PV板的熱管理系統中，通過PCM的較大潛熱相變來吸收熱量，從而緩解PV板溫度上升速率。在750 W·m-2日照和20 ℃環境溫度下，成功使PV板前表面溫度保持在33 ℃以下達150分鐘。他們的進一步實驗與模擬研究［9-13］已經證明PV-PCM系統具有良好的溫度控制性能和不同程度的效率提升。然而，PV-PCM熱管理系統仍處于開始階段，許多問題尚不明確，為進一步研究提供了機會。

本文基于相變材料探討了光伏板熱管理系統的研究現狀。本文將從相變材料的選擇、封裝，以及導熱增強回顧近年來的研究現狀。還探討了PV-PCM一維、二維、三維數值模型。最后，就目前的研究，分析了PV-PCM熱管理系統在后續研究中可能的研究方向。

1 PV-PCM系統的研究

1.1 PV-PCM的選擇

1.1.1 PV-PCM類型選擇

相變材料按組成成分分類，可分為：有機、無機、低共熔化合物［14］。有機相變材料性能穩定、無腐蝕，因此得到廣泛應用，其代表性材料為石蠟。據報道，大多數研究首選石蠟基PCM用于PV的熱管理系統［15］。然而石蠟基PCM導熱系數僅0.2 W·（m-1· K-1）左右，較低的熱導率不利于PV板熱調節，因此研究者們將重心放在如何提高石蠟熱導率及裝置結構上。相比之下，水合鹽存在過冷、相分離、腐蝕性等固有缺陷限制其在光伏板中的應用，僅有少數研究采用水合鹽相變材料。如表1所示，目前用于冷卻光伏板所采用的水合鹽有CaCl2·6H2O和Na2S O4· 10H2O，但這些研究均沒有涉及如何解決水合鹽的缺陷。若能解決水合鹽過冷相分離等問題，高導熱、低成本的水合鹽相變材料具有比石蠟更好的應用前景。

表1 用于冷卻光伏板的水合鹽相變材料

1.1.2 PV-PCM熔點選擇

光伏板性能測試溫度為25 ℃，但理論上光伏板工作溫度越低，性能可能越好。但對于目前為止，仍沒有準確規定PCM的熔點選擇。首先，熔點不能太高，否則光伏板性能會隨溫度升高而顯著降低。其次，熔點也不能太低，以至于還沒有吸收光伏板熱量就已經吸收周圍環境熱量而提前熔化，失去冷卻效果。此外，凝固點不能太低，且基本無過冷，以保證PCM在夜間能夠完全凝固。因此，光伏板性能以及PCM熔點的選擇受環境溫度影響較大，應通過不同使用地區的氣候條件選擇不同熔點的PCM。Smith等［22］使用一維數值模型，以1.5 °*1.5°經緯度劃分全球網格區域，測量光伏板電輸出的絕對和相對增量來分析全球范圍內PCM冷卻光伏板的潛力。對于非洲，中東，南亞，澳大利亞和南美洲等大部分熱帶炎熱氣候地區，使用PCM的最佳熔化溫度超過30 ℃。且總體趨勢是環境溫度越高的地區，其PCM的貢獻值越明顯。此外，Hasan等人［23］基于夏季的平均夜間溫度和冬季的平均PV溫度來大致確定PCM熔點。如阿聯酋6月的平均夜間溫度為34 ℃，12月白天的平均PV溫度為46 ℃。因此選擇熔點為42 ℃的PCM。

1.2 PV-PCM的封裝

為解決固液相變材料的泄露問題，PCM必須加以封裝。在PV-PCM熱管理系統中，最常見的封裝方式是直接將PCM封裝在高導熱的鋁制容器中［24-28］，以及其他宏觀封裝方式，如封裝在由聚合物復合膜組成的袋中［29］，簡單的塑料袋封裝［30］等。鋁制容器不僅導熱系數高，且固定容易，與光伏板很好地相貼合。除此之外，高導熱的多孔基吸附材料-膨脹石墨也被用于封裝PCM進而用于光伏板冷卻［31，32］。膨脹石墨的引入，不僅能封裝PCM使其不泄露，還能增強其導熱系數，且能通過壓塊等方式使其形成與光伏板背面相貼合的塊體材料。在微封裝方面，Ho等［33，34］通過將PCM微膠囊化，并附著到光伏板的背面以形成漂浮在水面上的MEPCM-PV模塊。總之，PV-PCM的封裝多種多樣，但是對于多孔基材料封裝以及微膠囊封裝研究較少，可加強這一方面的研究。

1.3 PV-PCM的導熱增強

PV-PCM的導熱增強不僅有助于PV-PCM系統的熱管理效果，還能保證其溫度均勻性［15，35］。因此，有必要通過某些途徑來增強熱傳遞，以確保PCM能快速有效地吸收PV 板熱量，進而達到降溫效果。本小節將從PCM本身以及PV-PCM裝置兩方面進行強化傳熱。

1.3.1 PCM自身導熱增強

常用的相變材料-石蠟較低的導熱系數不利于光伏板散熱，因此，采用高熱導率的PCM顯得格外重要。首先，可考慮改用較高熱導率的水合鹽作為PV-PCM熱管理材料［16］。此外，添加額外高導熱材料，如金屬納米粒子，碳基材料等可進一步提升PCM熱導率［36］。Zarma等［19］通過數值模擬對比了不同負載量的Al2O3，CuO和SiO2納米顆粒對聚光PV-PCM性能的影響。隨著負載量的增加，PCM-納米顆粒導熱系數也逐漸增強，進而顯著提高了溫度均勻性，減少了局部溫度過熱，提高了電效率。且較高導熱的PCM-納米Al2O3表現出最佳性能。Nada等人［37］實驗研究了添加Al2O3納米顆粒增強PCM和PCM對PV 集成系統的熱調節和效率增強的影響。相比于參考PV板，無添加納米粒子的PV-PCM系統電效率提高了5.7%，而納米Al2O3的添加，使其效率提高了13.2%。Hachem等［26］通過與PCM混合10 wt%石墨和20 wt%銅，總熱導率從0.18提高至92 W·（m-1·K-1），光伏板表面溫度進一步降低約20 ℃，且溫度波動大大降低。Atkin等［31］以及Luo等［32］利用膨脹石墨吸附封裝PCM，不僅達到封裝解決泄露問題的效果，還進一步提高復合相變材料的熱導率，提高光伏板效率。

1.3.2 PV-PCM裝置改善

盡管PCM封裝在高導熱鋁制容器中，外部傳熱速率快，但其內部均被PCM所填滿，導熱依然較低。因此，有研究者［38，39］在鋁制容器內部添加翅片，以增強PCM和PV板之間的熱傳遞。如圖1（a）所示，Huang等［13］將兩種不同熔點PCM（RT27-RT21）填充在內置三角形、圓形翅片的鋁制容器中，將PV板維持在接近其25 ℃正常工作溫度，且三角形翅片表現出更好的性能。此外，他們團隊還研究了內置垂直鰭片的PV-PCM系統［12］，如圖1（c）所示，同時探究了在內置垂直鰭片的情況下，PCM的熔化結晶過程［8，9］，如圖1（d）～（e）所示。研究發現不同翅片厚度、長度、間距直接影響著PCM的熔化與結晶，以及容器內部液態PCM的對流效應，進而影響光伏板效率。圖1（b）為添加外置翅片散熱器，結合PCM協同散熱，散熱效果得到進一步提高［31］。盡管內置翅片可以改善裝置熱傳遞及溫度均勻性，但同時也帶來液態PCM對流障礙，減少熔化后PCM中的對流傳熱。此外，金屬翅片所帶來的重量增加也是不可忽視的。以及由于PCM熔化過程中在翅片底下有可能會形成氣泡，增加不必要的熱阻，這是不利的。總之，對PV-PCM裝置的改善研究還需進一步探索。

圖1 PV-PCM裝置改善

2 PV-PCM系統的數值模型

除了進行實驗研究，數值模型也被用于光伏板的研究中。當僅考慮PCM內單一方向熱傳遞，可采用一維數值模型分析其系統性能［40，41］。Kibria等［42］應用有限差分法對能量平衡方程進行離散化，同時采用全隱式方案對PCM模塊中的熱平衡進行離散化，研究了三種不同熔融溫度的PCM性能影響。Atkin等［31］模擬分析添加外置翅片對系統性能的影響。Aelenei等［43］實驗與數值結合分析了建筑一體化PV-PCM系統。一維數值模型雖可較為準確地分析，但其忽略了容器內部液態PCM的對流傳熱，因此，二維 模型也得以應用［44，45］。Biwole等人［46］將熱量和模擬傳質在一個集成系統中，并加入到在Navier-Stokes動量守恒方程的體積力方程進行建模。Huang等［8］通過流體動力學共軛的2D有限體積傳熱模型改進模型以求解Navier-Stokes和能量方程。Khanna等［47］研究了PV-PCM系統的傾斜角度對PCM熔化速率的影響，發現隨著傾斜度的增加，熔化速率增加。為充分考慮其他影響因素，建立三維數值模型研究PV-PCM系統。Huang等［11］考慮了PCM容器側壁所帶來的熱損失。而Ho等人［48］提出了三維熱模型但卻沒有考慮對流PCM內部能量流動，考慮了外部和內部周圍環境，太陽輻射，PCM容器厚度以及PCM的熔點的影響。

3 結論與展望

PV-PCM熱管理系統的發展仍處于開始階段，盡管已經開展了大量工作，但仍需要更多實際性研究來推動PV-PCM系統的發展，開發或改進新穎的優化系統原型。在未來的研究中，可考慮以下幾方面。

（1）相比于石蠟有機相變材料，水合鹽價格低廉，導熱系數高，更具有應用前景。盡管水合鹽存在過冷、相分離等缺陷，但探索出低過冷、性能穩定、合適熔點的水合鹽、混合鹽相變材料用于光伏板的熱管理中，可以很好地代替石蠟。

（2）PCM的封裝除傳統簡單的鋁制容器以外，多孔基吸附、微膠囊等封裝方式較少涉及。因此，應不斷探索并加強采用不同新型封裝方式封裝PV-PCM的研究。

（3）高導熱材料將直接影響光伏熱管理系統的性能。因此，進一步改善PCM的熱導率，添加碳基材料、金屬納米粒子、以及調節散熱結構等方式增強換熱系數，提高熱管理效果。

（4）后續應考慮多方面因素，改進瞬態熱的建模以及整個系統中發生的傳質過程。建立新的數值模型，更加完整、適用、便捷且準確綜合的數值模型。

（5）單一相變材料用于光伏板散熱存在應用局限，應輔以主動冷卻技術，如風冷-PCM、水冷-PCM耦合等方式，并將其帶走的熱量加以有效利用，探究光伏/熱系統的能量綜合利用。