基于MWCNT纳米多孔涂层热管与MXene纳米流体协同冷却光伏板：综合4E分析揭示高效热管理与性能提升新策略

《Results in Engineering》：Synergistic Cooling of Photovoltaic Panels via MWCNT-Coated Nanoporous Heat Pipes and MXene Nanofluids: A Comprehensive 4E Analysis

本研究针对光伏(PV)面板因温升导致的效率下降问题，创新性地将多壁碳纳米管(MWCNT)涂层纳米多孔振荡热管(OHP)与MXene基纳米流体结合用于PV冷却。实验表明，该系统最高可降低热阻24.5%，提升电效率12.2%，并增加141W发电量。通过能源、?效、经济与环境(4E)分析，证实该协同冷却策略具有显著性能增益与可持续发展潜力。

　　

随着太阳能成为可再生能源发电的关键贡献者，光伏(PV)模块的效率却随着工作温度升高而下降。由于太阳能电池具有负温度系数，其效率通常会在温度超过25°C时每升高1°C降低0.2%至0.5%。长时间暴露在过高温度下还会加速PV模块的老化。传统的冷却方法（如空气和水循环）需要额外的能量和维护，而被动替代方案如振荡热管(OHP)提供了更高效的方法。OHP是一种创新的热管理系统，利用相变和流体振荡来散热。它由蒸发器、绝热段和冷凝器组成，通过毛细作用和振荡运动确保连续的热传递。此外，加入纳米流体可增强热导率，进一步提高PV系统的冷却效率。

尽管已有研究探索了各种被动和蒸发冷却技术，但这些方法往往依赖于持续供水、结构复杂且受气候敏感性限制，可扩展性和长期适用性受限。因此，研究转向了振荡热管(OHP)等替代策略，利用其独特的热传递能力被动减少PV系统中的温度相关效率损失。然而，关键挑战仍然存在，包括多孔表面涂层的优化、高性能工作流体的识别以及操作参数对不同气候条件的适应。这些因素严重影响热管理效果并限制大规模实施。此外，在真实条件下OHP增强PV系统的长期性能稳定性和经济可行性仍未充分探索。在新兴纳米流体中，MXene基配方表现出卓越的热导率和分散稳定性；然而，它们在PV热调节中的应用仍处于起步阶段。这一差距凸显了对MXene纳米流体在先进PV冷却系统中作用进行系统研究的迫切需求。

为了应对这些挑战，本研究引入了一种将MWCNT纳米多孔涂层OHP与MXene纳米流体新颖集成的方法，并在真实操作条件下验证，以增强PV板的热调节。研究了六种配置，包括参考板、使用水的OHP、使用水的纳米多孔涂层OHP以及使用浓度为0.01、0.05和0.1 wt%的MXene纳米流体的OHP。这项比较分析首次系统评估了MXene纳米流体在基于OHP的PV冷却中的应用，重点关注其热行为和能量性能。

本研究的一个关键贡献是展示了纳米多孔MWCNT涂层如何改善液膜形成和团塞振荡，从而降低热阻并促进更有效的热传递。与早期仅限于传统OHP表面的研究相比，这项研究表明工程表面结构与先进纳米流体结合可以显著提高真实条件下的冷却效率和PV性能。除了热管理，还应用了完整的4E框架——包括能源、?效、经济和环境评估——以提供系统性能的整体评估。能源和?效分析突出了热力学改进，而平准化能源成本(LCOE)和环境指标证实了所提出方法的经济和可持续性益处。

本研究通过评估动态环境条件下纳米多孔OHP-PV系统中的MXene基纳米流体，填补了文献中的关键空白，而非受控实验室设置。研究结果确立了一种先进且可扩展的冷却策略，增强了PV的耐久性、效率和可持续性，为下一代大规模太阳能应用提供了显著潜力。

主要技术方法包括：使用纳米多孔MWCNT涂层通过核沸腾自组装方法制备；MXene纳米流体通过溶剂辅助剥离和超声分散制备，使用Ti₃C₂T_x MXene多层粉末；通过KD2 Pro分析仪测量热导率，旋转粘度计测量粘度；实验在伊朗亚兹德进行，使用K型热电偶和红外测温仪监测温度；性能评估采用4E（能源、?效、经济、环境）分析框架。

3.1. 测试条件

环境温度与PV板表面温度呈强正相关，最高分别达到45.26°C和79.26°C。环境温度升高导致面板温度显著增加，凸显高效冷却方法的必要性。太阳辐射在一天中变化，最高为1239.93 W/m2，最低为751.84 W/m2；风速在2.01 m/s和1.3 m/s之间波动。较强的气流有助于改善PV板的散热，当与OHP系统结合时，冷却效果进一步增强。

3.2. 冷却技术

PV板的倾斜角度显著影响其效率，本研究采用29.38°的倾斜角，这是亚兹德PV系统增强太阳能收集的最佳设置。纳米多孔涂层OHP在热阻降低方面表现出优越性能，最大降低在0°时约为22.29%，在29.38°时约为24.50%。这种显著改进归因于改进的沸腾热传递和增强的表面亲水性。

MXene纳米流体在降低热阻方面表现出色，浓度越高改善越大，0.1 wt%浓度实现最显著降低。MXene的固有二维层状结构促进了快速的声子传输，并在纳米颗粒和基液之间形成连续的热路径。MWCNT纳米多孔涂层同时增强了毛细泵送和成核位点密度，强化了蒸发器内的汽液相互作用。这些机制的结合导致更强的振荡流动和更快的蒸汽冷凝-蒸发循环，解释了观察到的整体热阻降低27.5%。

倾斜角对OHP热阻的影响明显，在29.38°时热阻值持续低于0°，表明热传递性能改善。这种减少在较高热输入下更显著，显示倾斜角优化可以显著增强OHP效率。

集成不同工作流体的OHP用于PV板冷却，相比参考PV板，电气效率显著增强。MXene 0.1 wt%实现12.21%的效率提升，其次是MXene 0.05 wt%提升10.82%。水基OHP也提升效率约7%，但其影响低于MXene基纳米流体。这种效率水平将提出的系统置于大多数先前被动冷却方法范围（6–11%）之上。

驱动这种效率增强的主要因素是MXene基纳米流体的卓越热导率和散热特性，以及应用于OHP表面的纳米涂层。通过有效散热，这些流体防止过度温升，减少载流子复合，并维持更高的开路电压(V_oc)。与水相比，MXene的优越热导率加速冷却，确保全天更稳定和高效的PV性能。

MXene 0.1 wt%冷却的PV系统持续产生最高的电力输出，超过80 W，优于其他冷却技术和参考PV板。MXene 0.1 wt%提供最高的电力增益141.37 W，展示其优异的热导率和散热能力。MXene 0.05 wt%产生额外118.26 W，而MXene 0.01 wt%贡献105.47 W，表明较高MXene浓度通常导致更好的冷却性能。去离子水提供额外70.89 W，虽然有益，但低于纳米流体冷却观察到的电力增益。

观察到的PV电气效率和日发电量增加归因于维持较低的结温。降低PV电池温度减少本征载流子浓度并限制p–n结中的复合损失，从而维持更高的开路电压。MXene纳米流体的优越热导率实现快速去除多余热量，而MWCNT涂层加速热管内的液体返回和蒸汽再冷凝。这种协同冷却稳定了PV操作点 near 其最大功率输出全天。

?效是评估PV系统性能的关键因素，冷却显著改善?效，MXene 0.1 wt%获得最高增益，其次是MXene 0.05 wt%和MXene 0.01 wt%。水冷却相比未冷却系统增强效率，但仍不如纳米流体解决方案有效。?效增加反映了系统不可逆性和PV模块内熵产生的减少。通过保持电池温度更接近环境，吸收器与周围环境之间的热梯度最小化，降低了由于散热引起的?损。因此，更大比例的入射太阳能?被转化为有用的电功。层状MXene片还充当微热扩散器，均质化PV表面温度分布，进一步限制局部熵产生。

增强PV冷却系统中的?对于通过最小化能量损失和优化太阳能转化为电力的效率至关重要。MXene 0.1 wt%实现最高的?改善约11%，采用最有效的冷却方法。MXene 0.01 wt%和MXene 0.05 wt%分别产生7.49%和8.1%的改善。实施先进冷却方法不仅增强PV性能，还提高太阳能系统的可持续性和成本效益，使其在环境和经济上均有益。

?结果具有特殊的技术意义。MXene冷却?效率增加高达11%意味着通过不可逆性破坏的能量更少，并且更大比例的入射太阳辐射被转化为有用的电力。这种改进直接减少半导体材料上的热应力，减缓老化，并确保更稳定的电压输出。更高的基于?的CO₂抵消进一步证明系统不仅产生更多能量，而且产生更高质量的能量，更有效地替代化石燃料电力。这些益处强调了MXene冷却的双重优势：最大化系统级技术性能，同时减少环境影响。

3.3. LCOE和PBP分析

平准化能源成本(LCOE)和投资回收期(PBP)是评估能源系统经济可行性的关键指标。参考PV系统具有最低的LCOE（0.0173美元/kWh）和最短的PBP（0.17年），使其在短期內最具成本效益，但它在高温环境下效率损失显著。相比之下，用去离子水冷却的N-OHP PV板具有略高的LCOE（0.01880美元/kWh）和PBP（0.19年），提供更好的热管理，减少热诱导性能损失，并在较热气候中增强可靠性。MXene N-OHP-PV系统虽然具有最高的LCOE（0.08710美元/kWh），但提供竞争性的PBP仅0.18年（约2.16个月），并且由于其最小降解率显著改善能量保留，使其在极端条件下高效。

尽管初始投资较高，MXene N-OHP-PV系统的快速投资回收期确保快速成本回收，使其对投资者和大规模应用具有吸引力。这些系统提供长期优势，包括更高的能量产量、更低的降解率和改进的操作稳定性，最终导致更大的财务和环境效益。它们还有助于通过减轻热相关损失未来验证能源基础设施，确保在全球气温上升时代可靠的性能。虽然参考PV系统最初可能看起来更经济，但冷却的PV系统通过持续的能量生产、增加的耐久性和降低的操作风险提供优越的长期价值。快速回收和长期效率增益的结合突出了投资PV冷却技术的经济和实践可行性。

不同PV冷却策略的经济指标比较突出了提出的基于MXene的OHP系统的优势和权衡。传统PV显示最低LCOE（0.0173美元/kWh）但较长回收（2.05个月）。添加水冷却N-OHP略微增加LCOE（0.0188美元/kWh）并延长PBP（2.3个月），反映 modest 增益。基于氧化石墨烯(GO)的OHP实现0.027美元/kWh，PBP为2.35个月，表明稳定性能但与MXene相比回收较慢。空气翅片冷却产生甚至更高的LCOE（0.110美元/kWh），限制其经济竞争力，而平板OHP太阳能集热器达到0.026美元/kWh但无报道PBP。相比之下，MXene增强的N-OHP系统显示较高的名义LCOE（0.0871美元/kWh） due to 纳米流体制备成本；然而，它补偿以最短回收期（2.16个月），表明快速投资回收和优越的长期经济可行性。这种权衡突出表明，虽然MXene纳米流体提高初始成本，但其性能增益加速财务回报，特别是对于大规模太阳能应用。

3.4. 能源和?效环境分析

能源和?效环境分析的重要性在于评估PV冷却方法的效率和环境影响。基于能源的分析测量总有用能量输出，有助于评估碳足迹和直接CO₂排放，但不考虑损失能量的质量。相反，基于?效的分析侧重于能量的最大有用 work 潜力，提供效率损失的更准确评估，识别不可逆性，并通过分析能量如何有效利用来改进系统设计。 together, 这些分析提供系统性能和可持续性的全面理解。

根据表5，MXene冷却PV（9.58 kg CO₂）具有最高的基于能源的CO₂抵消，意味着它产生最清洁的能量并替代更多化石燃料消耗，紧随其后水冷却PV（8.74 kg CO₂），它改善性能超过标准PV。无冷却PV（7.89 kg CO₂）具有最低CO₂当量抵消，反映最少的能量产生。这表明MXene冷却提供最好的能源效率，导致最高的环境效益。类似地，在基于?效的CO₂抵消中，MXene冷却PV（18.81 kg CO₂）再次领先，展示最有效的能量利用，水冷却PV（18.21 kg CO₂）提供超过标准PV的改进。常规PV（17.86 kg CO₂）具有最低的基于?效的CO₂当量，表明较低的有效能量利用。

?结果 carry 特殊的技术意义。MXene冷却?效率增加高达11%意味着通过不可逆性破坏的能量更少，并且更大比例的入射太阳辐射被转化为有用的电力。这种改进直接减少半导体材料上的热应力，减缓老化，并确保更稳定的电压输出。更高的基于?的CO₂抵消进一步证明系统不仅产生更多能量，而且产生更高质量的能量，更有效地替代化石燃料电力。这些益处强调MXene冷却的双重优势：最大化系统级技术性能同时减少环境影响。

本研究的局限性包括MXene合成成本和需要扩展纳米多孔涂层技术用于工业应用。然而，快速回收期（2.16个月）和显著的CO₂缓解表明这些障碍可能通过未来材料优化和规模经济克服。

4. 结论

本研究开发并通过实验验证了一种先进的PV热管理系统，集成MWCNT纳米多孔涂层OHP与MXene基纳米流体。提出的混合冷却策略展示了显著的协同效应，同时在真实操作条件下增强能源、?效、经济和环境(4E)性能指标。

MXene纳米流体，特别是在0.1 wt%，表现出优越的热物理性质，改善热导率和散热同时维持可接受的粘度水平。这导致最大表面温度降低和电气效率增强12.21%，显著高于传统水基冷却实现的7%改进。纳米多孔MWCNT涂层通过降低热阻高达24.5%进一步加强热传递，归因于改进的毛细循环和OHP内的活跃成核。最佳热性能发生在29.38°倾斜角，增强振荡流动稳定性。

热和电气行为的结合改进导致日发电量增益141.37 W和0.1 wt% MXene浓度下?效率上升11%。经济上，尽管初始成本适度增加，MXene-OHP配置实现快速回收期2.16个月和竞争性平准化能源成本，确认其大规模太阳能部署的可行性。环境上，系统实现 substantial CO₂缓解，基于能源的抵消9.58 kg和基于?效的抵消18.81 kg，展示其强大的可持续性优势。

尽管结果确认系统的技术和环境可行性，某些局限性仍然存在。研究持续时间限于40天，扩展MWCNT涂层用于工业应用需要进一步优化。未来调查应聚焦长期户外测试、MXene合成中的成本降低以及纳米流体可回收性和耐久性评估以支持商业集成。

总之，这项工作首次通过完整4E框架全面演示了纳米多孔OHP-MXene混合冷却系统用于PV板。结果突出其作为可扩展、高性能和可持续解决方案用于下一代太阳能系统的潜力。