基于间歇流PCM充放电的PV-PCM集成系统热管理与性能增强研究

本研究针对建筑一体化光伏热(BIPV/T)系统过热问题，创新性地提出结合相变材料(PCM)与间歇水流冷却的混合热管理方案。通过实验验证，BIPV/T10/30配置(10分钟开启/30分钟关闭脉冲流)可使光伏电池平均温度降低45.57%，日均发电量提升50.76%，整体效率达73.02%，为可再生能源系统热管理提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能光伏技术正面临"热效率悖论"——光伏组件在吸收阳光发电时，约80%的太阳能会转化为废热，导致组件温度每升高1°C，效率就下降0.4-0.5%。这个问题在建筑一体化光伏(BIPV)系统中尤为突出，因为建筑安装环境限制了自然散热。传统解决方案如持续水冷需要额外能耗，而单纯相变材料(PCM)冷却又难以应对持续高热负荷。如何实现"零能耗"高效热管理，成为制约光伏技术发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，本那国民大学工程学院的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新研究，将间歇水流与PCM热调控相结合，开发出新型BIPV/T-PCM混合系统。研究采用实验对比方法，通过定制化测试平台监测不同工况下（包括连续冷却和5种间歇模式）的温度、电输出等参数，重点分析PCM比例（20%-40%）与水流周期的影响。关键技术包括：1）封装RT55石蜡PCM胶囊的热设计；2）可编程间歇水流控制系统；3）多参数同步采集方案；4）基于ISO9806标准的性能评估体系。

【实验设置】
研究构建了原型系统对比测试平台，包含参考BIPV模块、水冷BIPV/T模块和三种不同PCM体积分数（20%、30%、40%）的BIPV/T-PCM模块。系统采用铜质PCM胶囊阵列，通过精密流量控制器实现从BIPV/T_5/25到BIPV/T_15/45的多种间歇周期设置。

【结果与讨论】
数据表明，10分钟开启/30分钟关闭的BIPV/T_10/30配置表现最优：相比基准模块，PV温度降低45.57℃（从68.2°C降至37.1°C），最大功率点电压V_mp提升19.3%。热成像显示PCM在停流阶段有效储存热量，使温度波动减小62%。40%PCM含量的模块虽储能更强，但过大的热容导致系统响应延迟。

【结论】
该研究证实间歇流同步PCM相变的热管理策略具有双重优势：1）电效率提升50.76%，源于温度系数改善和热致衰减抑制；2）系统整体效率达73.02%，其中热回收贡献38.5%。这种"按需冷却"机制比连续冷却节能41.7%，且PCM的加入使日间温度波动降低4.8°C/h。研究为发展自调节型光伏热系统提供了新范式，特别适合在电网不稳定的偏远地区应用。

这项工作的突破性在于首次实现PCM充放电动力学与主动冷却的协同控制，其提出的"热负荷跟随"算法可推广至电动汽车电池热管理等领域。未来通过优化PCM封装结构和流道设计，有望将投资回收期从当前的3.2年进一步缩短，加速该技术的商业化进程。