基于相變材料的光伏熱管理系統(tǒng)研究進(jìn)展

伍森怡

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)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(fā)電受到了廣泛的關(guān)注［1］。然而光伏（PV）板在實(shí)際應(yīng)用中，僅15%-20%的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其余以熱能形式散失［2］。這些熱量將導(dǎo)致PV板溫度升高，從而影響其光電轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)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(dǎo)致永久性結(jié)構(gòu)損壞，縮短使用壽命［4］。因此，良好的熱管理系統(tǒng)對PV板至關(guān)重要，以保證PV系統(tǒng)較高的工作效率。

光伏板冷卻技術(shù)可分為主動冷卻與被動冷卻。主動冷卻，包括強(qiáng)制風(fēng)冷［5］，水冷卻［6］等，通過風(fēng)扇或泵輸送傳熱流體帶走PV板熱量，進(jìn)而達(dá)到熱管理的效果。然而主動冷卻需要添加額外復(fù)雜的設(shè)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(yīng)用于PV板的熱管理系統(tǒng)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(huán)境溫度下，成功使PV板前表面溫度保持在33 ℃以下達(dá)150分鐘。他們的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)與模擬研究［9-13］已經(jīng)證明PV-PCM系統(tǒng)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(tǒng)仍處于開始階段，許多問題尚不明確，為進(jìn)一步研究提供了機(jī)會。

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

1 PV-PCM系統(tǒng)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(jī)、無機(jī)、低共熔化合物［14］。有機(jī)相變材料性能穩(wěn)定、無腐蝕，因此得到廣泛應(yīng)用，其代表性材料為石蠟。據(jù)報(bào)道，大多數(shù)研究首選石蠟基PCM用于PV的熱管理系統(tǒng)［15］。然而石蠟基PCM導(dǎo)熱系數(shù)僅0.2 W·（m-1· K-1）左右，較低的熱導(dǎo)率不利于PV板熱調(diào)節(jié)，因此研究者們將重心放在如何提高石蠟熱導(dǎo)率及裝置結(jié)構(gòu)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(yīng)用，僅有少數(shù)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(dǎo)熱、低成本的水合鹽相變材料具有比石蠟更好的應(yīng)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(diǎn)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(zhǔn)確規(guī)定PCM的熔點(diǎn)選擇。首先，熔點(diǎn)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(diǎn)也不能太低，以至于還沒有吸收光伏板熱量就已經(jīng)吸收周圍環(huán)境熱量而提前熔化，失去冷卻效果。此外，凝固點(diǎn)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(diǎn)的選擇受環(huán)境溫度影響較大，應(yīng)通過不同使用地區(qū)的氣候條件選擇不同熔點(diǎn)的PCM。Smith等［22］使用一維數(shù)值模型，以1.5 °*1.5°經(jīng)緯度劃分全球網(wǎng)格區(qū)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(nèi)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(qū)，使用PCM的最佳熔化溫度超過30 ℃。且總體趨勢是環(huán)境溫度越高的地區(qū)，其PCM的貢獻(xiàn)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(diǎn)。如阿聯(lián)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(diǎn)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(tǒng)中，最常見的封裝方式是直接將PCM封裝在高導(dǎo)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(fù)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(dǎo)熱系數(shù)高，且固定容易，與光伏板很好地相貼合。除此之外，高導(dǎo)熱的多孔基吸附材料-膨脹石墨也被用于封裝PCM進(jìn)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(qiáng)其導(dǎo)熱系數(shù)，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?？傊?，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(qiáng)這一方面的研究。

1.3 PV-PCM的導(dǎo)熱增強(qiáng)

PV-PCM的導(dǎo)熱增強(qiáng)不僅有助于PV-PCM系統(tǒng)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(qiáng)熱傳遞，以確保PCM能快速有效地吸收PV 板熱量，進(jìn)而達(dá)到降溫效果。本小節(jié)將從PCM本身以及PV-PCM裝置兩方面進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。

1.3.1 PCM自身導(dǎo)熱增強(qiáng)

常用的相變材料-石蠟較低的導(dǎo)熱系數(shù)不利于光伏板散熱，因此，采用高熱導(dǎo)率的PCM顯得格外重要。首先，可考慮改用較高熱導(dǎo)率的水合鹽作為PV-PCM熱管理材料［16］。此外，添加額外高導(dǎo)熱材料，如金屬納米粒子，碳基材料等可進(jìn)一步提升PCM熱導(dǎo)率［36］。Zarma等［19］通過數(shù)值模擬對比了不同負(fù)載量的Al2O3，CuO和SiO2納米顆粒對聚光PV-PCM性能的影響。隨著負(fù)載量的增加，PCM-納米顆粒導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸增強(qiáng)，進(jìn)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(dǎo)熱的PCM-納米Al2O3表現(xiàn)出最佳性能。Nada等人［37］實(shí)驗(yàn)研究了添加Al2O3納米顆粒增強(qiáng)PCM和PCM對PV 集成系統(tǒng)的熱調(diào)節(jié)和效率增強(qiáng)的影響。相比于參考PV板，無添加納米粒子的PV-PCM系統(tǒng)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(dǎo)率從0.18提高至92 W·（m-1·K-1），光伏板表面溫度進(jìn)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(dá)到封裝解決泄露問題的效果，還進(jìn)一步提高復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)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(dǎo)熱鋁制容器中，外部傳熱速率快，但其內(nèi)部均被PCM所填滿，導(dǎo)熱依然較低。因此，有研究者［38，39］在鋁制容器內(nèi)部添加翅片，以增強(qiáng)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(diǎn)PCM（RT27-RT21）填充在內(nèi)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(xiàn)出更好的性能。此外，他們團(tuán)隊(duì)還研究了內(nèi)置垂直鰭片的PV-PCM系統(tǒng)［12］，如圖1（c）所示，同時探究了在內(nèi)置垂直鰭片的情況下，PCM的熔化結(jié)晶過程［8，9］，如圖1（d）～（e）所示。研究發(fā)現(xiàn)不同翅片厚度、長度、間距直接影響著PCM的熔化與結(jié)晶，以及容器內(nèi)部液態(tài)PCM的對流效應(yīng)，進(jìn)而影響光伏板效率。圖1（b）為添加外置翅片散熱器，結(jié)合PCM協(xié)同散熱，散熱效果得到進(jìn)一步提高［31］。盡管內(nèi)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(tài)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?？傊?，對PV-PCM裝置的改善研究還需進(jìn)一步探索。

圖1 PV-PCM裝置改善

2 PV-PCM系統(tǒng)的數(shù)值模型

除了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值模型也被用于光伏板的研究中。當(dāng)僅考慮PCM內(nèi)單一方向熱傳遞，可采用一維數(shù)值模型分析其系統(tǒng)性能［40，41］。Kibria等［42］應(yīng)用有限差分法對能量平衡方程進(jìn)行離散化，同時采用全隱式方案對PCM模塊中的熱平衡進(jìn)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(tǒng)性能的影響。Aelenei等［43］實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)合分析了建筑一體化PV-PCM系統(tǒng)。一維數(shù)值模型雖可較為準(zhǔn)確地分析，但其忽略了容器內(nèi)部液態(tài)PCM的對流傳熱，因此，二維 模型也得以應(yīng)用［44，45］。Biwole等人［46］將熱量和模擬傳質(zhì)在一個集成系統(tǒng)中，并加入到在Navier-Stokes動量守恒方程的體積力方程進(jìn)行建模。Huang等［8］通過流體動力學(xué)共軛的2D有限體積傳熱模型改進(jìn)模型以求解Navier-Stokes和能量方程。Khanna等［47］研究了PV-PCM系統(tǒng)的傾斜角度對PCM熔化速率的影響，發(fā)現(xiàn)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(shù)值模型研究PV-PCM系統(tǒng)。Huang等［11］考慮了PCM容器側(cè)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(nèi)部能量流動，考慮了外部和內(nèi)部周圍環(huán)境，太陽輻射，PCM容器厚度以及PCM的熔點(diǎn)的影響。

3 結(jié)論與展望

PV-PCM熱管理系統(tǒng)的發(fā)展仍處于開始階段，盡管已經(jīng)開展了大量工作，但仍需要更多實(shí)際性研究來推動PV-PCM系統(tǒng)的發(fā)展，開發(fā)或改進(jìn)新穎的優(yōu)化系統(tǒng)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(jī)相變材料，水合鹽價格低廉，導(dǎo)熱系數(shù)高，更具有應(yīng)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(wěn)定、合適熔點(diǎn)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(tǒng)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(yīng)不斷探索并加強(qiáng)采用不同新型封裝方式封裝PV-PCM的研究。

（3）高導(dǎo)熱材料將直接影響光伏熱管理系統(tǒng)的性能。因此，進(jìn)一步改善PCM的熱導(dǎo)率，添加碳基材料、金屬納米粒子、以及調(diào)節(jié)散熱結(jié)構(gòu)等方式增強(qiáng)換熱系數(shù)，提高熱管理效果。

（4）后續(xù)應(yīng)考慮多方面因素，改進(jìn)瞬態(tài)熱的建模以及整個系統(tǒng)中發(fā)生的傳質(zhì)過程。建立新的數(shù)值模型，更加完整、適用、便捷且準(zhǔn)確綜合的數(shù)值模型。

（5）單一相變材料用于光伏板散熱存在應(yīng)用局限，應(yīng)輔以主動冷卻技術(shù)，如風(fēng)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(tǒng)的能量綜合利用。