综述：混合太阳能技术：对光伏/热电（PV/T）系统、冷却方法及性能趋势的全面评估

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Hybrid solar technologies: A critical review of PV/T systems, cooling methods, and performance trends

光伏光热（PV/T）系统通过同步发电和供热实现高效能源利用，本文系统综述其工作原理、分类及冷却策略。研究表明，主动冷却可降低最高19.18%的平均温度，混合冷却（17.35%）和空气-水系统（68.9%热效率）表现突出，但需权衡经济性与稳定性。未来需重点优化混合冷却配置并验证纳米流体长期能效。

　　

Al Baraa Tarnini|Serter Atabay|Mehmet Fatih Orhan

沙迦美国大学工程学院，邮政信箱26666，沙迦，阿拉伯联合酋长国

摘要

光伏热（PV/T）系统作为一种高效且节省空间的解决方案，能够同时产生电力和热量来利用太阳能。本文综述了PV/T系统的运行原理、分类、冷却策略及集成方法，并重点关注了各种方案的性能比较。冷却分析表明，主动冷却方式能够实现最高的平均温度降低幅度（19.18%），而被动冷却方式的降低幅度最低（15.48%）。结合主动和被动冷却技术的混合冷却系统表现出良好的性能（17.35%），部分研究甚至显示其温度降低效果超过了任何单一冷却方式。使用水和纳米流体的PV/T集热器具有最高的平均热效率（71.4%）和中等平均电效率（12.2%）；而基于水的设计则实现了最佳的平均电效率（12.6%）和中等平均热输出（66.2%）。混合空气-水系统虽然具有较高的平均热效率（68.9%），但电效率较低（12.0%）；相比之下，基于空气的设计热效率（41.9%）和电效率（11.1%）均较低。在进一步设计高级系统并进行实际比较时，必须仔细评估这些结果、操作复杂性、长期稳定性以及各研究中所采用的假设。未来的研究应优先考虑优化混合冷却配置，并加强对水-纳米流体组合PV/T系统的研究，因为目前关于这些系统长期性能和实际应用方面的文献资料仍然较为匮乏。

引言

能源是现代人类生活不可或缺的支柱，几乎影响着日常活动的所有方面——从通信和交通到工业和健康[[1], [2], [3], [4]]。能源的发展和可用性与文明的进步密切相关。随着社会对更大繁荣、安全和福祉的追求，能源需求持续增长[5,6]。为了可持续地实现这些目标，迫切需要清洁和创新的能源技术。对化石燃料的依赖所带来的环境后果——包括气候变化、臭氧层破坏以及极地冰川融化——迫使各国转向更可持续的能源解决方案[7]。

在可用的可再生能源中，太阳能是最丰富且最容易获取的。地球每年接收约5.46 × 10²⁴焦耳的太阳辐射[8]，而2005年至2010年间全球能源消耗量约为5 × 10²⁰焦耳/年[9]。这表明，即使只利用太阳能量的0.01%，也足以满足地球的全部能源需求。在阿拉伯湾等地区，能源消耗量急剧增加，从而引发了对可再生能源的更多关注。对于阿拉伯联合酋长国（UAE）而言，由于其有利的地理和气候条件，太阳能尤其具有吸引力[10]。然而，该国仍主要依赖石油和天然气等不可再生能源，这些资源是有限的，并且对环境造成严重破坏[11]。采用太阳能等清洁能源是缓解全球变暖和污染的关键策略[12]。

光伏（PV）能源是一项有前景的技术，可以显著减少对化石燃料的依赖。随着技术的进步和制造成本的降低，PV系统在能源市场得到了广泛应用[13]。在海湾地区，已经部署并投入运行的PV项目众多，如表1所示。为了进一步提高系统效率并优化能量收集，研究人员开发了光伏热（PV/T）系统。这些混合系统将PV模块与太阳能热集热器结合使用，以实现同时产生电力和热量的目标[14]。作为一种快速发展的太阳能技术，PV/T系统（图1）提供了一种协同解决方案——在产生电力的同时捕获原本会损失的热能[15]。

PV系统的主要设计目的是将太阳能转换为电能。PV系统由太阳能电池组成，这些电池是最小的功能单元，它们以串联和并联的方式连接形成PV模块，再进一步排列成阵列以满足更高的能量需求[16]。PV电池中使用的材料使光子（光粒子）能够将电子从原子中释放出来，从而形成电流[17]。

近年来，全球PV发电厂的部署速度迅速增加。例如，欧盟（EU）宣布了一项战略计划，目标是在2030年前将可再生能源在其能源结构中的比例提高到至少30%，并计划在2050年实现100%的清洁能源转型[18]。

本文旨在全面系统地回顾PV/T系统，特别关注其性能特征、系统分类和冷却策略。与以往仅关注特定冷却技术或特定PV/T集热器设计的综述不同[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]，本研究全面评估了多种配置，包括那些应用较为有限的方案，如混合冷却方式、水-纳米流体集热器和空气-水系统。本文强调了冷却技术在提高系统效率方面的关键作用，比较了不同类型的PV/T集热器，并综合了最新研究成果，包括先进的混合水/空气系统和基于纳米流体的冷却技术。本研究旨在为研究人员、工程师和政策制定者提供关于PV/T技术现状、运营挑战以及未来发展和大规模应用机会的全面理解。

小节摘录

PV系统的局限性

PV系统中使用的每种类型的太阳能电池都具有特定的截止吸收波长，该波长对应于电池的带隙能量。波长超过这一截止值的光子不会被吸收，因为它们的能量不足以产生电子-空穴对，而是以热量的形式在电池内部耗散[34]。通常情况下，根据电池类型和工作条件，太阳能电池仅能将8-20%的入射太阳辐射转换为电能，而超过50%的辐射

冷却技术

如参考文献[66]所述，已经提出了多种冷却技术来提高PV系统的性能。应用冷却技术的主要好处是提升电能输出。然而，实施此类冷却系统通常需要额外的基础设施，这可能会增加建设和维护成本。在某些情况下，这些成本可能会超过电力生成的收益。因此，开发一个优化良好的冷却方案至关重要

PV/T系统的原理和性能

根据Maseer等人的研究[142]，PV/T集热系统由两个主要部分组成：将太阳辐射转换为电能的PV面板，以及捕获吸收的太阳辐射并将其转换为热量的热集热器。Budea等人[143]进一步指出，这种混合系统完全依靠太阳辐射运行。

PV系统可以有多种形式，包括并网型、独立型、跟踪型和混合型[144]。通常，PV系统

平板PV/T集热器分类

在PV/T系统中，平板集热器根据冷却介质的不同主要分为三种类型：空气集热器、水集热器以及结合使用空气和/或水的混合集热器。此外，PV/T集热器还可以根据平板下方的吸热器配置进行分类。根据设计的不同，平板集热器可能包括玻璃盖（带玻璃或无玻璃）、封装材料、太阳能电池以及安装的热吸热器

结论

这篇综合性综述分析和比较了各种PV面板冷却技术在温度降低和PV/T效率方面的性能。其中，依赖风扇和泵等外部电源的主动冷却方式表现出优于其他方法的性能，而被动冷却方式的温度降低幅度最低。混合冷却系统显示出特别有前景的结果，某些配置的性能超过了任何单一冷却方式

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。