《Next Energy》：Hybrid photovoltaic cooling systems: A critical review of cooling configurations, system performance and future prospects
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光伏（PV）组件在高辐照下处于高温运行状态，会降低电效率并影响长期可靠性。本综述采用基于机制的框架，对混合PV冷却系统进行批判性评估，依据冷却机制和辅助能量需求将配置分类为被动–被动（P–P）、被动–主动（P–A）和主动–主动（A–A）。综述涵盖集成相变材料（
光伏（PV）组件在高辐照下处于高温运行状态，会降低电效率并影响长期可靠性。本综述采用基于机制的框架，对混合PV冷却系统进行批判性评估，依据冷却机制和辅助能量需求将配置分类为被动–被动（P–P）、被动–主动（P–A）和主动–主动（A–A）。综述涵盖集成相变材料（PCM）、翅片、金属泡沫、纳米材料、水凝胶、热管、液体与强制空气冷却、热电冷却（TEC）、地热冷却、雾化辅助冷却和电场辅助沸腾的系统。在P–P系统中，PCM–金属泡沫相对于无冷却PV使PV温度降低约27 °C，电效率达到16.18%。采用纳米相变材料（nano-PCM）/纳米流体光伏/热（PV/T）冷却的P–A系统相对于无冷却PV实现约29.3 °C的略高降温，电效率为13.7%，表明电性能并非仅由PV温度决定。采用水喷雾/强制空气冷却的A–A系统相对于无冷却PV产生约24 °C的略低降温，同时实现约15.4%的电效率。这些发现凸显了混合PV冷却系统在热性能和电性能方面的差异，并表明性能取决于冷却机制及互补冷却组件的集成。P–P系统有利于简单、低能耗运行，P–A系统提供增强的排热，A–A系统在更高辅助能量需求下提供更强的冷却控制。未来发展应优先考虑净能量性能、气候响应型设计、可靠性、成本和实际长期运行。
研究背景方面，光伏（PV，将太阳辐射直接转换为电能）装机规模持续增长并进入屋顶、建筑一体化光伏（BIPV）、聚光光伏（CPV）和大型电站等多样环境；高辐照下组件升温会降低开路电压、最大功率和电效率，并加速热斑、材料疲劳和长期老化。文献指出PV电效率约每升高1 °C下降0.4–0.5%，在炎热气候、屋顶和BIPV中更突出。单一被动冷却在强辐照、高环温、低风速或持续热负荷下受限，单一主动冷却则带来泵/风机寄生功耗、水耗、维护和系统复杂性；混合冷却因此受到关注。但简单增加冷却组件未必提高性能，若组件热功能重复或未针对主要热阻，可能只增加复杂度、热阻或辅助能耗。既有综述多聚焦特定PV/T、PCM或主动/被动技术，跨P–P、P–A、A–A的系统性能、辅助能量和实际应用比较仍有限。因此，研究人员开展基于冷却机制和辅助能量需求的分类评述与比较综合，结论是混合冷却可有效降温并改善热电性能，但有效杂化取决于热功能互补而非组件数量；其意义在于为不同运行环境下混合PV冷却的选择和设计提供一致框架。
为开展研究，研究人员采用PRISMA 2020框架进行结构化文献识别、筛选与合成。文献来源为Scopus、Web of Science和Science Direct，检索期2014—2026年；以PV冷却与混合冷却配置两组概念词组合检索，并补充PCM、翅片、金属泡沫、热管、纳米材料、液体/强制空气、TEC、地热、雾化和电场辅助冷却等配置检索。去重后筛选，保留525篇出版物（400篇技术研究、125篇综述），其中73篇提供配置特异定量性能数据用于比较定量合成。研究按实际运行机制而非原文献术语分为P–P、P–A和A–A，并比较温降、电/热效率、辅助功率、寄生功率比（φ
P，辅助功耗与冷却后PV输出之比）和净电增益（Δη
c,net，扣除辅助功耗后的归一化电增益），气候影响按K?ppen–Geiger分类评估。
研究结果如下。6.1 PCM + Fins（翅片）：户外实验和数值研究表明PCM加翅片可相对裸板/无冷却PV降低4–26.5 °C并提高电输出，但受PCM熔点、翅片几何、接触质量和循环再生限制。6.2 PCM + Metal Foam（金属泡沫）：实验和数值研究表明金属泡沫提升PCM导热，相对无冷却PV降低24.4–27 °C，相对PCM基线额外降低5–6.73 °C，并改善温度均匀性；泡沫量需与PCM储热体积平衡。6.3 Hydrogel + Fins（水凝胶，保水并借助蒸发冷却）：实验/数值研究表明水凝胶加翅片/支撑结构可降低9–21.9 °C，性能强烈依赖湿度、水保留和再生能力。6.4 PCM + Nanomaterials（纳米材料）：实验/数值研究表明纳米添加剂改善PCM热响应，相对无冷却PV降低8–15 °C，相对纯PCM额外约4 °C；团聚、分散稳定性和循环稳定性是限制。6.5 Solar Chimney-Assisted Passive Cooling：CFD与实验表明浮力驱动气流加翅片最大降低14.1 °C，翅片数量与气流阻力需平衡。6.6 Heat Pipe-Based Passive Hybrid Systems（热管，利用工质蒸发—冷凝被动传热）：数值/实验表明热管耦合PCM、翅片或辐射冷却可降低>10–20.9 °C，相对无热管PV–TEG基线降低23 °C；受方位、工质、热管设计和气候影响。6.7 Comparative Assessment of P–P Hybrid PV Cooling and Climate-Specific Effects：跨研究比较显示P–P各配置温降范围不同，K?ppen–Geiger气候类下PCM凝固、蒸发、热管排热等响应不同，应按环境选择。
7.1 Nanofluid Circulation + PCM/Nano-PCM（纳米流体，分散纳米颗粒的换热流体）：实验/数值研究表明纳米流体循环加PCM/纳米PCM降温约15–29.3 °C，电效率约13.7–14.5%，热效率可达72–79%；纳米颗粒稳定性、泵功和成本限制。7.2 Water circulation + PCM：实验/数值研究表明水循环加PCM平均降低3.2–22.5 °C、峰值13.8–29.5 °C，热效率约70–80%；PCM再生、泵功、泄漏及电/热产出权衡仍存。7.3 Forced air Circulation + PCM：实验/数值研究表明强制空气加PCM可强化PCM排热，混合系统峰值温度可低于被动PCM和纯强制空气，但风机功率需优化；双通道优化报告热效率47.2%、总体效率75.1%。7.4 Geothermal-assisted hybrid PV cooling（地热辅助冷却，利用地下稳定温度作为热汇）：现场/模拟研究表明平均降低约13–17 °C、最大19.5–44 °C（强化土壤或结合表面水冷时），年发电增益约6.3–7.9%；受土壤导热、深度、流量和热积累影响。7.5 Mist-assisted finned hybrid PV cooling：实验表明翅片加超声雾化平均降低14.6 °C、最大20.5 °C，电效率由13.5%升至14.4%，功率提高12.5%；水耗和辅助能限制。7.6 TEC-PCM Hybrid Cooling（TEC，基于Peltier效应的主动冷却）：实验表明PCM加TEC平均降低9.3 °C、最大功率提高9.7%，组合系统电性能提升约19.4%；TEC低性能系数（COP）、热侧排热和功耗限制。7.7 Comparative synthesis of P–A hybrid cooling combinations and climate-specific effects：比较显示P–A温降范围广，纳米流体+PCM最高约29.3 °C，水+PCM平均3.2–22.5 °C/峰值13.8–29.5 °C，地热13–19.5 °C，雾化14.6–20.5 °C，TEC约9.3 °C；气候、泵/风机能耗和资源条件决定适用性。
8.1 Electric-field-assisted boiling：实验表明电场增强沸腾，传热系数（HTC）提高171%、临界热流密度（CHF，沸腾传热恶化前的热流上限）提高45%，200 V下平均电池温度维持31–34 °C；需考虑电场供电、介电液管理和电气安全。8.2 Jet-enhanced forced-air cooling：实验/数值报道降温约8–21 °C，电效率提高4–11%；无水、结构较简单，但受风机功率、压降、喷口几何和气流分布限制。8.3 Water-Spray and Forced-Air Hybrid Cooling：实验表明前表面水喷雾加后侧强制空气降低约24 °C（约40%），功率提高约13%，效率最高提高2%；泵和风机净增益需评估。8.4 Comparative assessment of A–A hybrid cooling configurations and climate-specific effects：A–A中水喷雾+强制空气约降24 °C，喷射增强强制空气8–21 °C，电场辅助沸腾维持31–34 °C；气候和辅助能耗、复杂度影响选择。
9.1 Net-energy performance and auxiliary-power consumption：少数研究报告净电效益；P–P无辅助功耗，P–A/A–A需扣除泵、风机、TEC等；泵耗可低至毛PV功率的0.0045–0.033%，也有4.6–11 W、约1 W及65 W泵额定值报告，风机功率可抵消部分冷却增益。9.2 Techno-Economic Performance：经济报告有限；P–P的平准化度电成本（LCOE）约0.065–0.1257 USD/kWh，投资回收期（PBP）13.31–13.67年，折现回收期（DPP）7.2年，净现值（NPV）218.4 RMB、内部收益率（IRR）12.7%；P–A的PBP约6.9–7.3年、单位能量成本（LCE）由0.87降至0.76 USD/kWh；A–A未报告技术经济指标。10 Experimental uncertainty assessment：仪器精度不等同传播不确定度；Dayer等报告电效率1.0%、热效率1.58%、总体1.86%，Farzan等报告2.42%、3.14%、9.86%，Elminshawy等报告电效率±2.87%，Masalha等报告0.2%。
讨论部分总结：三类系统代表不同排热路径，P–P低辅助能耗但受材料再生和环境限制，P–A提供持续排热但引入泵/风机能耗，A–A控制更强但能耗、复杂度和维护更高；更高主动化不一定更适用。有效杂化应针对储热、扩热、输热、最终排热和有用热回收等不同热功能进行互补；温度降低本身不足以评价系统，需结合辅助能耗、净电增益、资源可用性、可靠性、成本和气候条件。未来方向包括P–P中PCM+翅片+辐射冷却、热管+翅片+辐射冷却，P–A中PCM+水循环+热管、TEC+热管+液冷、PV/T+PCM+热泵，A–A中喷射增强强制空气+翅片/间歇水喷雾，以及净能量、?（exergy）分析、气候响应设计、地热集成和性能—成本优化。
研究结论翻译：本综述通过将所评述系统分类为被动–被动（P–P）、被动–主动（P–A）和主动–主动（A–A）配置，提供了对混合光伏（PV）冷却的系统且基于机制的理解。研究结果表明，混合冷却可通过互补冷却机制有效降低PV运行温度并改善热性能和电性能。尽管性能随系统设计、参考基线和运行条件变化，总体证据表明适当集成的混合冷却可显著改善PV热管理和能量性能。在P–P系统中，PCM–金属泡沫相对于无冷却PV使PV温度降低约27 °C，电效率达到16.18%。采用nano-PCM/纳米流体PV/T冷却的P–A系统相对于无冷却PV实现略高的约29.3 °C降温，电效率为13.7%，表明电性能并非仅由PV温度决定。采用水喷雾/强制空气冷却的A–A系统相对于无冷却PV产生略低的约24 °C降温，同时实现约15.4%的电效率。这些发现凸显了混合PV冷却系统在热性能和电性能方面的差异，反映了冷却机制、系统配置和互补冷却组件集成的影响。本综述的主要发现是，有效杂化取决于每个组件的热角色，而非所组合的冷却技术数量。集成互补功能（如储热、扩热、排热和有用热回收）的系统为改善PV性能提供了明确基础。综述还表明，仅凭温度降低不足以评估系统有效性；选择合适混合配置时还应考虑辅助能耗、电效益、可靠性、成本、PV组件特性和应用需求。比较评估进一步表明，每个混合类别具有不同优势。P–P系统提供简单且低能耗的冷却，P–A系统结合被动调节与主动排热，A–A系统为需要更高排热能力的应用提供更强冷却控制。本综述并非识别一个普遍优越的类别，而是提供基于热功能和应用需求选择和设计混合系统的实用框架。未来发展应优先考虑简单、节能、可靠和气候响应型混合配置，并更加重视标准化户外测试、长期耐久性和真实运行条件下的净能量评估。
