基于相变材料（PCM）的光伏系统热管理的年度性能及技术经济评估

《Journal of Energy Storage》：Annual performance and techno-economic assessment of PCM-based thermal management in photovoltaic systems

本文通过建立并验证的三维数值模型，系统评估了相变材料（PCM）整合至光伏模块的年度性能。研究结果表明，在印度新德里气候条件下，PCM设计可降低光伏组件峰值温度达11.3℃，提升转换效率6.09%，同时需平衡初始成本增加与长期性能收益。

　　在当前全球对可再生能源需求不断上升的背景下，光伏（PV）技术作为太阳能利用的重要手段，正受到越来越多的关注。然而，光伏组件在运行过程中面临一个关键挑战，即由于太阳辐射导致的温度升高，这会显著降低其转换效率并加速材料老化。因此，如何有效控制光伏组件的温度，成为提升其性能和延长使用寿命的重要研究方向。本文通过系统性的年度性能评估，探讨了相变材料（PCM）在光伏模块中的集成效果，以及其在实际应用中的技术与经济影响。

光伏组件的工作原理基于半导体材料对光子的吸收，当入射光子的能量超过材料的带隙时，会产生电子-空穴对，从而形成电流。然而，仅有约10%-20%的光能被转化为电能，其余则以热能的形式散失。这种热能的积累对光伏组件的运行性能产生严重影响，尤其是在高温环境下，组件的温度可能超过90°C，从而导致载流子迁移率下降、电子-声子散射增强以及工作电压降低等问题。这些因素共同作用，使得光伏组件的输出功率随温度升高而下降，理论上的功率下降幅度约为每升高1°C减少0.4%，而实际实验数据则显示，每升高1°C，功率下降0.65%，转换效率下降0.8%。相比之下，非晶硅和多晶硅组件则表现出更高的温度适应性，其转换效率分别随温度升高增加0.029%和0.033%。因此，精确的温度控制不仅对提升转换效率至关重要，还对延长光伏组件的使用寿命具有重要意义。

尽管温度控制对光伏组件的性能有重要影响，但目前的材料技术进步往往超前于热管理方法的发展。因此，研究人员开始探索多种被动和混合热管理策略，如自然对流、强制对流、水循环冷却、嵌入式热管、热电模块以及通过相变材料实现的潜热储存等。这些方法旨在在不改变光伏组件结构的前提下，有效降低其工作温度，从而提高整体性能。其中，相变材料因其独特的热存储特性，成为近年来研究的热点。PCM能够在相变过程中吸收或释放大量热能，同时保持温度相对稳定，从而为光伏组件提供一种高效的被动冷却方式。

然而，PCM在实际应用中也面临一些挑战。首先，PCM的导热性能较低，通常在0.2-0.5 W·m?1·K?1之间，这限制了其在高温环境下的快速响应能力。其次，PCM的成本较高，这使得其在经济性方面成为关注的焦点。因此，如何在不牺牲性能的前提下，提高PCM的导热能力和降低其成本，成为研究的关键。早期的研究主要集中在通过纳米材料的引入来增强PCM的热传导性能。例如，使用多壁碳纳米管（MWCNT）作为PCM添加剂，可以显著提高其导热能力，从而提升光伏组件的瞬时转换效率。实验数据显示，加入MWCNT的PCM在室内控制光照条件下，能够使光伏组件的转换效率提高25%。另一项研究则通过比较蛇形管光伏热系统与普通光伏系统的性能，发现使用表面修饰的MWCNT与盐水合物PCM的组合，可以带来32%的效率提升。此外，功能化的MWCNT进一步增强了PCM的导热能力，使其在某些情况下达到104%的提升，从而带来高达49%的转换效率增长。

尽管上述研究取得了显著成果，但大多数集中在瞬时性能的评估上，缺乏对年度性能的系统分析。本文正是在这一背景下，提出了一种适用于全年运行的数值模型，用于评估PCM集成光伏系统的实际效果。该模型基于三维数值框架，结合了流体动力学和热传导的耦合过程，能够准确模拟光伏组件在不同气象条件下的温度变化和热行为。通过将模型与实验数据进行对比验证，确保了其在预测光伏组件温度和PCM相变行为方面的可靠性。此外，模型还考虑了最大、中位和最小辐照度条件下的系统性能，从而更全面地反映了实际运行环境中的变化。

在模型验证过程中，采用了均方根误差（RMSE）、平均偏差误差（MBE）和皮尔逊相关系数（CC）等指标，以量化模型的准确性。通过与实验数据的对比，这些指标均表现出良好的一致性，进一步证明了模型的有效性。验证结果不仅限于温度预测，还包括PCM在相变过程中的行为表现，如熔化和固化周期的动态变化。这些信息对于理解PCM在不同气候条件下的热响应机制至关重要。

基于验证后的模型，本文进一步探讨了PCM集成对光伏系统整体性能的影响。结果显示，通过合理设计PCM的厚度和位置，可以在高温季节有效降低光伏组件的峰值温度，从而减少温度对性能的负面影响。同时，在低温季节，PCM的固化过程能够确保其在夜间保持稳定，避免因温度波动导致的性能损失。这种全天候的温度调控能力，使得PCM集成光伏系统在不同气候条件下均能表现出较高的运行效率。

此外，研究还发现，随着PCM质量的增加，光伏组件的转换效率得到了显著提升。在相同的集热面积下，增加PCM的质量可以有效吸收更多的热量，从而降低组件温度，提高电能输出。例如，实验数据显示，PCM集成光伏模块相较于普通光伏模块，转换效率提升了6.09%。这一结果表明，PCM的集成不仅有助于降低温度，还能直接提升系统的能量产出能力。

从技术经济角度来看，PCM的集成虽然提高了系统的性能，但也增加了初始投资成本。研究表明，PCM的引入可能导致资本成本增加4.8至231倍，这在一定程度上延长了投资回收期。然而，这种成本增加也带来了显著的收益，如提高年能量产出和减少温度引起的性能退化。因此，如何在技术性能和经济可行性之间取得平衡，成为PCM集成光伏系统推广的关键。本文指出，开发低成本、高导热性的PCM复合材料，以及优化热管理结构设计，是实现这一目标的重要途径。

综上所述，本文通过系统的年度性能评估，揭示了PCM集成对光伏组件温度控制和能量产出的积极影响。同时，也指出了当前PCM在实际应用中面临的挑战，如导热性能不足和成本问题。未来的研究应聚焦于提升PCM的导热能力和降低其成本，以推动其在更大规模和更广泛场景下的应用。此外，针对不同气候条件下的具体需求，开发更加灵活和高效的热管理策略，也将是提升光伏系统整体性能的重要方向。