基于搭接式扁平微型热管阵列的新型光伏/热电（PV/T）系统热性能的实验研究，该系统采用了相变材料

《Renewable Energy》：Experimental investigation on the thermal performance of a novel PV/T system incorporating phase change material based on lap-joint-type flat miniature heat pipe arrays

PV/T系统通过LJT-FMHPA结构集成相变材料实现高效热电转换，实验表明在646.8 W/m2辐照度及35.3℃环境温度下，系统热、电及综合效率分别达51.65%、11.77%和74.99%，较传统光伏板电效率提升21.06%。

　　在当今全球现代化进程不断加快的背景下，能源短缺和环境污染问题日益凸显，尤其是由于化石燃料的过度使用所引发的挑战。面对这一现实，太阳能作为一种清洁、可持续且广泛可得的能源形式，正逐渐成为替代传统能源的重要选择。为了提升太阳能的利用效率，科研人员不断探索新的技术路径，其中光伏-热（PV/T）系统因其同时实现光电转换与热能收集的双重功能而受到广泛关注。然而，现有PV/T系统仍面临一些关键问题，例如热能传输效率低下，这直接导致太阳能转换效率的下降。因此，如何在不牺牲光电性能的前提下，有效提升系统的热能利用效率，成为当前研究的重点。

在众多解决方案中，相变材料（PCM）因其具备高密度热能存储能力以及在相变过程中能保持近似恒定温度的特性，被认为是一种极具潜力的热能存储介质。将PCM应用于PV/T系统，不仅可以降低光伏组件的温度，从而提高其光电转换效率，还可以实现热能的高效存储与释放。然而，传统的PCM应用方式存在一定的局限性，尤其是在热能释放过程中，PCM与光伏组件之间可能会发生不必要的热传导，进而影响系统的整体性能。此外，由于PCM本身具有较低的导热性，如何提高其热传导效率成为提升系统效率的关键。

针对上述问题，研究团队提出了一种基于搭接型扁平微型热管阵列（Lap-Joint-Type Flat Miniature Heat Pipe Array, LJT-FMHPA）的新型PV/T系统，即LJT-FMHPA-PCM-based PV/T系统。该系统的核心创新在于引入了专门的热能释放区域，以优化PCM的热能利用并减少热能回传至光伏组件的现象。LJT-FMHPA结构由两个独立的FMHPA组成，这两个热管阵列通过搭接方式形成两个功能区域：热能收集区域和热能存储区域。这种设计使得PCM与光伏组件能够分别连接至不同的功能区域，从而实现更高效的热能传输。同时，通过使用封闭式矩形翅片对PCM进行封装，进一步增强了系统的热传导能力，形成了具有较大比表面积和高导热性能的PCM单元。

实验结果显示，该新型系统在特定条件下表现出显著的性能优势。当太阳能辐照度为646.8 W/m2、环境温度为35.3°C时，系统的热能效率、光电效率和综合效率分别达到了51.65%、11.77%和74.99%。值得注意的是，与传统的独立光伏组件相比，该系统的光电效率提升了21.06%。此外，在热能提取过程中，LJT-FMHPA结构的优越性得以充分发挥，系统实现了高达95.7%的热能提取效率。这些数据表明，该系统在提升太阳能利用效率方面具有显著潜力，尤其是在高温环境下，其性能优势更加明显。

为了进一步验证系统的有效性，研究团队对LJT-FMHPA-PCM-based PV/T系统进行了多方面的实验评估。实验条件涵盖了不同太阳能辐照度、环境温度、热能传输流体（HTF）温度和流量等变量。通过这些实验，研究人员能够深入分析系统在不同运行条件下的性能表现，并据此建立系统的优化设计基础。实验过程中，研究人员特别关注了热能释放过程中的温度分布情况，发现传统的PCM应用方式往往会导致垂直方向上的温度梯度，从而造成光伏组件表面温度分布不均，影响其整体光电性能。相比之下，LJT-FMHPA-PCM-based PV/T系统通过优化热管阵列结构和PCM封装方式，有效减少了这种温度梯度，实现了更为均匀的热能分布。

此外，该系统还展现出良好的热能释放特性。当PCM完成相变后，其热能释放效率显著提升，能够快速将储存的热能传递至热能传输流体。这一过程不仅提高了系统的热能利用效率，还有效避免了因PCM热能释放缓慢而导致的热能回传问题。实验结果表明，在热能释放阶段，该系统的热能传输效率达到95.7%，远高于传统PCM应用方式的热能传输效率。这一结果为未来高效、实用的PV/T系统设计提供了重要的参考依据。

从技术实现的角度来看，LJT-FMHPA-PCM-based PV/T系统的设计充分考虑了实际应用中的各种挑战。例如，在高温环境下，传统的PCM应用方式可能会导致热能存储和释放过程中的效率下降，而该系统通过引入专门的热能释放区域，能够有效应对这一问题。同时，系统的结构设计也充分考虑了热管阵列的热传导特性，使得热能能够以更高效的方式从光伏组件传递至PCM单元，并最终通过热能传输流体进行有效利用。这种结构不仅提高了系统的整体效率，还降低了运行成本，为太阳能技术的广泛应用提供了新的可能性。

从实际应用的角度来看，该系统具有较高的可行性。首先，LJT-FMHPA结构的热管阵列具备良好的热传导性能，能够在不增加额外能量输入的情况下，实现高效的热能转移。其次，该系统采用的是被动冷却方式，即无需外部能源驱动，仅依靠太阳能的自然热能传输过程进行运行。这种设计不仅降低了系统的复杂性和维护成本，还提高了其在实际环境中的适应能力。特别是在太阳能资源丰富的地区，该系统能够充分发挥其热能存储和释放的优势，为太阳能的高效利用提供可靠保障。

从可持续发展的角度来看，该系统的设计理念与当前全球能源转型的趋势高度契合。通过有效提升太阳能的利用效率，该系统有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，推动绿色能源的发展。此外，系统的结构设计也考虑到了材料的环保性和安全性，例如采用有机PCM作为热能存储介质，因其具有良好的化学和热稳定性、低毒性和抗腐蚀性，能够满足长期运行的需求。同时，系统中的热管阵列和翅片结构也采用了环保材料，减少了对环境的潜在影响。

尽管该系统在实验条件下表现出优异的性能，但其实际应用仍需进一步验证。例如，在不同的地理环境和气候条件下，系统的性能可能会受到一定影响。因此，未来的研究可以集中在系统的适应性优化上，以确保其在各种环境下的稳定运行。此外，系统的经济性分析也是未来研究的重要方向，通过评估系统的建设成本、运行维护费用以及长期收益，可以为系统的商业化推广提供有力支持。

综上所述，LJT-FMHPA-PCM-based PV/T系统在提升太阳能利用效率方面展现出显著的优势。其创新性的结构设计不仅解决了传统PCM应用方式中的热能回传问题，还通过优化热能存储和释放过程，实现了更高的系统效率。实验结果表明，该系统在特定条件下能够有效提升光电效率和热能利用效率，为太阳能技术的进一步发展提供了新的思路和方向。未来的研究可以进一步探索该系统的优化设计和实际应用潜力，以推动其在全球范围内的推广和应用。