一种结合鳍状散热结构、相变材料（PCM）和纳米颗粒技术的混合策略，用于光伏组件的高效被动冷却：实验研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：A hybrid finned-PCM and nanoparticle strategy for high-efficiency passive cooling of photovoltaic modules: Experimental study

　　Menna M. Hamed | Mohamed R. Salem | Abdulmajeed D. Aldabesh | Said A. Abdel-Moneim | Ashraf E. Elmohlawy
埃及开罗本哈大学工程学院机械工程系，Shoubra街108号，邮编11629

摘要
本研究探讨了一种基于混合系统的光伏热管理被动冷却策略，该系统结合了相变材料（PCM）、氧化铝纳米颗粒和半圆形鳍片（SCR）。实验比较了未经冷却的参考情况、仅使用PCM的配置，以及使用完整圆形鳍片（CCR）和SCR鳍片几何形状的PCM系统，在不同的鳍片间距（20% ≤ λ ≤ 33.3%）和间距（16% ≤ δ ≤ 48%）范围内进行了测试。进一步研究了氧化铝纳米颗粒负载量在0.25至1.0 wt%之间的最佳SCR配置。结果表明，鳍片的集成显著提高了热调节能力，SCR鳍片比CCR设计提供了更大的温度降低幅度。在相同的操作条件下，最佳SCR配置（λ = 20%，δ = 48%）实现了62.3%的相对温度降低，并将最终表面温度限制在51.0°C，而未经冷却的情况下温度为89.0°C。加入1.0 wt%的氧化铝纳米颗粒后，性能进一步提高，最大相对温度降低幅度达到65.9%，最低最终温度为48.8°C，并使运行时间延长了35分钟。尽管没有直接测量电效率，但根据已知的光伏温度系数解释观察到的运行温度降低表明电性能也有潜在的提升。这些发现证明了这种混合SCR鳍片和纳米PCM配置作为光伏应用中的完全被动方法的有效性。

1. 引言
对于那些性能和可靠性受温度波动影响的系统而言，高效的热调节至关重要。随着全球对可持续能源解决方案需求的增长，利用创新材料和优化几何形状的先进热管理策略受到了广泛关注[[1],[2],[3],[4]]。PCM在这一领域特别具有潜力，因为它能够在相变过程中吸收和释放大量潜热，同时保持几乎恒定的温度，从而提供有效的热缓冲[[5],[6],[7],[8]]。这一独特特性使它们适用于建筑系统、电子设备和可再生能源领域。在光伏系统中（这是增长最快的可再生能源来源），过热是一个主要限制因素。当晶硅模块的工作温度超过25°C时，会经历显著的效率损失，导致功率输出减少和加速退化[[9],[10],[11],[12]]。虽然存在各种主动和被动冷却策略[[13,14]]，但基于PCM的调节方法通过利用这种潜热吸收直接缓解温度升高，提供了一个有吸引力的被动解决方案[[13,15]]，因此在太阳能系统中得到了广泛应用[[16],[17],[18]]。然而，PCM的一个主要局限性是其较低的内在热导率，这限制了热扩散，可能在高热流条件下降低其有效性。为了解决这个问题，通常会集成鳍片结构以增强热量向PCM内部的传递。鳍片增加了有效换热面积，促进了更快的熔化和固化周期，并在动态条件下提高了整体热可靠性[[19,20]]。当与光伏系统集成时，这种带鳍片的PCM配置产生了协同效应，结合了大容量的潜热储存和增强的热导率，从而提高了冷却性能和能源效率[[21],[22],[23]]。

当PCM集成到光伏系统中时，适当选择的PCM可以降低模块的工作温度，从而提高光电转换效率[[19],[24],[25],[26],[27],[28]]。在干旱和半干旱气候条件下，对各种PCM配置的光伏/PCM系统进行了24小时昼夜循环的有限体积模拟，结果显示优化设计可以使模块温度降低多达17.5°C，从而使年发电量增加5.8%。Biwole等人研究了将PCM附着在太阳能面板背面的被动热调节方法。一个经过验证的数值模型表明，在1000 W/m2的太阳辐射下，PCM层可以将面板温度保持在40°C以下长达80分钟[[29]]。这项基础工作突出了PCM的潜力，但也强调了其低热导率所带来的局限性。Soliman等人研究了PCM在双面光伏系统中的集成，报告称顶部和底部电池的温度分别降低了19.8°C，功率增加了27.21 W/m2，熵效率提高了1.09%[[30]]。然而，在被动操作下管理高热流的挑战远远超出了光伏领域。现代高功率电子元件，如中央处理单元（CPU）、图形处理单元和电源转换器，也需要先进的热管理解决方案。有效的散热在电子领域至关重要，以保持处理速度，防止性能下降，并确保长期可靠性。在这一点上，基于PCM的散热器因其简单性、零运行能量成本和静音操作而备受重视[[31]]。基于PCM的散热器在电子领域显示出巨大潜力，可以利用潜热吸收来控制高功率需求期间的温度峰值[[32,33]]。因此，本研究探讨的提高PCM性能的策略可以直接应用于能源和电子系统的热管理领域。

相变材料的一个主要局限性是其固有的低热导率，这限制了热传递并在动态热条件下降低了性能[[34,35]]。这一局限性促使了混合冷却系统的开发，这些系统结合了PCM和辅助材料或几何修改来增强热传递。整合主动和被动方法的混合冷却方法，例如结合PCM和水冷的PV/T系统，已经显示出改进的热和电性能。Zheng和Zhou以及Emmanuel等人的综述强调，水是一种高效的工作流体，因为它具有高热容量、可用性和成本效益，并强调了吸热器设计对整个系统性能的关键影响[[36,37]]。进一步的实验研究考察了在不同条件下的PV/T操作。Abdul等人报告称，增加水流速度超过0.082 kg/s并未带来额外的PV温度降低，热效率范围为38.8%至43.1%[[38]]。Joo等人发现，带有透明薄膜的玻璃化PV/T模块由于反射率降低和光学传输改善，实现了71.1%的最大效率[[39]]。最近的数值研究继续量化了这些优势。例如，Alipour等人[[40]]发现，将金属泡沫集成到PVT/PCM系统中可将热效率提高25.4%。同样，Parach等人[[41]]表明，在特定湍流条件下，较高的鳍片显著降低了PV温度，实现了13.5%的最佳电效率。尽管有这些优势，PV/T系统的特点是结构复杂性增加、建造成本更高、辅助能源消耗和维护要求也更复杂。因此，通过几何设计改进的完全被动基于PCM的冷却配置代表了更简单、更具成本效益的替代方案，这激发了进一步的实验研究。

将鳍片集成到基于PCM的系统中已被广泛采用为增强散热的有效手段。半圆形管状鳍片提供了有利的曲率几何形状，增加了热传递表面积，同时保持了紧凑的尺寸，从而改善了与周围PCM的热交换[[42]]。除了补偿PCM的低热导率外，鳍片的集成还为封闭空间中的热调节提供了实用的解决方案[[43]]。多项研究探讨了其他鳍片几何形状以进一步提高PCM性能。Huang等人引入了一种分形树形鳍片，与矩形鳍片相比，熔化和固化时间分别减少了34.5%和49.2%，能量储存和释放速率分别提高了49.4%和96.4%[[44]]。Hosseinzadeh等人[[45]]分析了由树状鳍片和混合纳米颗粒增强的三重管PCM换热器，表明这种组合将固化时间减少了78%，并且树状鳍片单独使用时明显优于矩形鳍片。Oliveski等人[[46]]分析了不同宽高比和鳍片面积分数的矩形鳍片，发现增加的鳍片面积缩短了熔化时间，但减少了能量吸收。Bria等人[[47]]在摩洛哥Oujda的气候条件下研究了带鳍片的光伏/PCM系统中的PCM厚度，确定0.06 m为最佳厚度。Samakoush等人[[48]]报告称，三角形鳍片设计相对于无鳍腔体将PCM熔化速率提高了57.56%。还提出了受自然界启发的鳍片配置。Li等人[[49]]和Jiang等人[[50],[51]]设计了模仿叶脉的分叉分形鳍片，并报告称与矩形鳍片相比，这些鳍片在光伏/PCM系统中改善了温度控制。Chibani等人[[52]]对不同鳍片材料和倾斜角度的光伏/PCM系统进行了二维模拟，得出这些参数对PCM焓、液相分数或太阳能电池温度的影响可以忽略不计的结论。Zhang等人[[53]]从数值上考察了PCM厚度、鳍片长度、排列和数量的影响，得出鳍片数量对热管理影响最显著，而较长的鳍片增强了热传递但降低了温度均匀性。此外，Mohammadpour等人[[54]]发现，将铜泡沫集成到带鳍片的管状换热器中可将PCM熔化时间减少了73%以上。综合来看，这些研究强调了鳍片几何形状的重要性，但主要关注的是在增加导电表面积和有效组织对流流动之间的权衡。这项工作指出了一个关键问题，即关于SCR鳍片的应用，这种几何形状本身既提供了增强的导电接触面积，又具有平坦的表面，可以引导熔融PCM内的浮力驱动自然对流。据作者所知，之前尚未系统地研究过SCR鳍片在光伏/PCM冷却中的应用。

除了几何增强外，将纳米颗粒集成到PCM中也是一种有前景的方法，可以克服低热导率的问题。在PCM基质中分散金属或金属氧化物纳米颗粒可以增强热传递路径，并改善能量储存和释放特性[[55,56]]。这种纳米工程技术直接解决了PCM的主要局限性之一，并扩大了其在先进热管理系统中的适用性[[57],[58],[59]]。多项研究证实了纳米增强PCM在光伏应用中的有效性。聚乙烯 glycol 1500与3 wt%石墨烯纳米片和CuO纳米颗粒的混合复合材料与纯PCM相比，热导率提高了91.8%[[60]]。Abdelrahman等人[[60]]表明，基于Al2O3的纳米PCM结合圆柱形空心鳍片显著提高了光伏冷却性能，结果强烈依赖于纳米颗粒浓度和鳍片布局[[60]]。Zarma等人报告称，加入氧化铝、SiO2和CuO纳米颗粒可将PV温度波动降低了约12°C，并将电效率提高了8%[[61]]。Abdelrazik等人[[62]]进一步报告称，在10 wt%纳米颗粒负载下，石墨烯纳米片-石蜡复合材料在混合PV/T系统中实现了22%的电效率提升。需要注意的是，这种改进可能会涉及权衡；例如，Najafpour等人[[63]]报告称，最佳几何形状的纳米流体冷却散热器虽然提高了热效率，但增加了压降，降低了整体性能指标。Lin等人[[64]]发现，将PCM集成到基于空气的PV/T集热器中，使系统效率从37.6%提高到了40.2%，同时将潜热利用率从13.3%提高到了79.5%[[64]]。尽管如此，这些系统仍然受到辅助组件和操作条件的影响。

先前的数值和实验研究表明，矩形[[46,48]]、分形[[44,49]]和圆形空心鳍片[[61]]在提高PCM性能方面是有效的。虽然这些研究推进了对鳍片增强PCM系统的理解，但它们主要集中在代表基本权衡的几何形状上：最大化导电表面积往往以阻碍自然对流为代价。例如，密集排列的矩形或圆形鳍片可能会限制流体运动，而分形设计则优先考虑分支传导而不是对流引导。这就产生了一个明显的实验空白：缺乏系统性地研究专门设计用于同时增强导电和对流热传递机制的鳍片几何形状。SCR鳍片具有平坦的导电面和弯曲的对流表面，正是这样的几何形状。然而，之前没有实验研究系统性地改变SCR鳍片的间距（δ）来优化这种平衡，也没有在受控的高热流条件下定量评估其与纳米颗粒增强PCM的耦合效果，以用于光伏冷却。本研究解决了一个关键性的空白：缺乏系统性的实验研究，这些研究能够参数化地探讨SCR翅片间距及其与纳米粒子增强型PCM的协同作用对光伏冷却的影响。SCR的几何形状本身既提供了更大的导电表面积，又具有平坦的表面，可以引导自然对流。据作者所知，此前尚未进行过这样的针对性参数研究。本研究对SCR翅片几何形状（不同的间距比δ）、翅片间距（λ）和氧化铝纳米粒子浓度（φ）对光伏热调节的综合影响进行了全面的实验研究。采用1000 W/m2的恒定热流作为成熟的方法论方法，为不同被动冷却配置提供了可控、可重复和严格的基准对比和排名[29,61,65]。该方法模拟了保守的持续峰值热负荷，代表了连续最大太阳辐射的最坏情况，并能够清晰地分离出每种设计的内在热响应和最大热耗散能力。通过使用加热表面来模拟光伏面板，系统性能根据温度降低和热缓冲时间进行评估。

2. 实验装置
实验装置旨在在受控的实验室条件下评估各种被动光伏冷却策略的热性能。图1展示了整个实验设施。实验装置包括一个模拟光伏发热的定制加热器组件、作为模拟光伏模块接口的铜片、一个绝缘的PCM容器和集成的带翅片的散热器。两块铝板（200 × 200 × 4 mm）之间有一个精确加工的间隙，间隙为2.5 ± 0.1 mm。该间隙内安装了一个扁平的镍铬丝加热元件（2.4 Ω/m，总电阻14.5 Ω）。加热器缠绕在云母片（180 × 180 × 1 mm）上，并被封装在两层额外的云母之间，以实现电气绝缘和机械稳定性（图2a）。整个组件放置在这两块铝板之间（图2b）。加热器连接到一个调节的直流电源上。使用数字万用表测量输入电压和电流，以准确计算提供的电能。该加热器组件用于向铜片提供1000 ± 10 W/m2的恒定热流，铜片代表光伏模块的背面。环境温度保持在28 ± 0.5 °C。

3. 实验过程
在3.5小时的时间内施加1000 W/m2的恒定热流，为比较被动冷却配置提供了一个可控且可重复的基准。这种方法在实验性光伏热管理研究中被广泛采用[29,60,65]，也适用于评估高功率电子系统中的热调节策略。所施加的稳态条件代表了持续的峰值热负荷，严格测试了每种冷却设计的最大热耗散能力和内在热响应。虽然实际的太阳辐射是瞬变的，并受到日变化和气象因素的影响，但选定的测试持续时间对应于高辐射的集中期，近似于光伏模块的最坏热工作条件。这使得可以集中评估系统在连续高热负荷下延迟温度上升和保持有效热调节的能力。需要注意的是，这种方法简化了实际光伏模块的电热耦合行为。在实际安装中，发热与电输出相关，并且会随着辐射、温度依赖的效率和与电池互连相关的局部效应而变化。恒定热流替代值没有捕捉到这些动态相互作用。因此，本研究中报告的热性能指标应被视为在持续高热负荷下冷却效果的比较指标，而不是室外操作条件下电效率提升的直接预测器。因此，建议对功能性光伏模块进行未来的室外测试，以验证所提出的混合冷却策略的电性能影响。

一个铸态亚克力容器（200 × 200 × 30 mm）用于盛放PCM（RT35HC），其热物理性质列在表1中。为了提高PCM的有效导热性，将γ-Al2O3纳米粒子（性质见表2）以质量浓度（φ）为0.25、0.50、0.75和1%分散到熔融PCM中。纳米PCM混合物的制备包括机械搅拌，然后以20 kHz的频率进行超声波搅拌2小时，以确保均匀悬浮。通过在水浴中反复加热和冷却循环来验证纯PCM和纳米增强型PCM的熔点。纯PCM的熔点为35.18 °C，而纳米PCM混合物的熔点分别降低到34.71、33.52、32.42和31.13 °C，对应的φ分别为0.25、0.50、0.75和1%。这种熔点降低与关于纳米PCM的文献一致，归因于纳米粒子的高表面积破坏了PCM的晶体结构和成核动力学[57,58]。25 mm厚的玻璃纤维层绝缘亚克力容器的外壁，以最小化寄生热损失，确保PCM系统吸收了大部分输入的热量。

4. 翅片几何形状
研究涵盖了两种主要的翅片几何形状：CCR和SCR，如图3所示。CCR翅片以3 × 3、4 × 4和5 × 5的阵列排列，对应的翅片间距（pf）分别为66.6、50.0和40.0 mm。SCR翅片以5 × 5的阵列使用（pf = 40.0 mm），但相邻翅片之间的底部间距（S）分别为2、4和6 mm。翅片间距和间距由方程（1）、（2）中定义的无量纲比率表示。

5. 实验程序和计算
对于每次测试，首先将PCM或纳米PCM熔化，倒入容器中并让其固化。系统组装完成后，只有在达到与环境的热平衡后才会激活加热器。在整个3.5小时的实验期间，电源保持1000 W/m2的恒定热流。分析的温度作为空间平均值：铜片温度（模拟的光伏模块）是其三个热电偶的平均值，而PCM在中部高度（x/H = 0.50）和靠近容器底部（x/H = 0.85）的温度则是其各自热电偶对的平均值。每种配置进行三次实验，以确保重复性和统计可靠性。提供的电能（Ph）使用测量的电压（V）和电流（I）计算得出：

(4) Ph = IV
然后使用方程（5）确定施加的热流（qh″），其中Ah代表有效加热面积。

(5) qh″ = Ph Ah
相对温度降低通过相对于未冷却基线（测试#1）的温度升高的百分比降低来量化：

(6) η = (Tuncooled - Tcooled) / (Tuncooled - Tambient)

6. 实验不确定性和统计分析
进行了全面的不确定性分析，以确保实验测量的可靠性和重复性。单次温度测量的标准不确定性来源于热电偶精度（±0.5 °C）和数据采集误差（±0.1 °C）。使用平方和根方法[66]，单个温度读数的不确定性为±0.51 °C。空间平均温度的不确定性相应降低：对于铜片温度，作为三次测量的平均值，扩展不确定性为±0.29 °C；而对于给定高度的PCM温度，基于两次测量的平均值，扩展不确定性为±0.36 °C。电压和电流测量的不确定性分别为读数的±0.5%和±1.0%。使用相同的方法[66]应用标准不确定性传播，计算出的热流的最大不确定性估计为±1.12%。由于使用的分析天平精度很高，纳米粒子质量浓度的不确定性可以忽略不计。因此，报告的相对温度降低（η）的最大不确定性估计为±1.6%。表4提供了本节讨论的关键实验不确定性的总结，以便参考。

7. 结论
除了仪器不确定性外，还评估了寄生热损失对比较结果的潜在影响。测试容器使用25 mm厚的玻璃纤维层绝缘，其导热系数约为k≈0.04 W/m·°C。基于暴露的侧壁面积（≈0.024 m2）、绝缘厚度以及PCM（≈48-51 °C）和受控环境（28 °C）之间的代表性温差ΔT ≈ 20 °C，估计的稳态侧向热损失约为0.8 W。这相当于施加到系统中的总热量的不到2%（基于在0.04 m2的加热面积上施加的1000 W/m2的热流）。由于所有测试配置的绝缘、容器几何形状和环境条件相同，这种热损失是系统性的，并且在实验之间具有可比性，因此不会显著影响冷却性能指标的相对比较，包括η、温度降低和热缓冲时间。实验的可重复性进一步得到平均铜片温度一致的低标准差的支持，在所有三次测试中保持在±0.3 °C以内。这种重复性水平与计算出的不确定性界限一致，表明观察到的实验趋势具有高度一致性。

8. 实验装置验证
在研究增强冷却策略之前，验证实验装置本身的基本热响应是至关重要的。为此，将未冷却的基线配置（测试#1，表1）与Biwole等人[29]在相同热流1000 W/m2下的结果进行了比较。比较结果显示在图5中。尽管在方向（本研究：水平 vs [29]：垂直）和环境温度（本研究：Tambient,present=28 °C vs [29]：Tambient,[31]=20 °C）上存在差异，但热曲线在趋势和幅度上都表现出 strong 一致性。两条曲线都显示了在高热流下的基线系统的陡峭、准线性温度上升。在180分钟的测试期间，平均前表面温度分别为Tave,present=74.74 °C和Tave,ref=69.63 °C。为了考虑环境条件的差异，计算了每种情况下温度上升的平均值与环境温度的差值。这些标准化温度上升之间的相对差异为：(7)|ΔTave,present?ΔTave,ref|ΔTave,ref*100%=|46.74?49.63|49.63*100%≈5.8% 下载：下载高分辨率图片（469KB）下载：下载全尺寸图片 图5. 基线案例#1的温度曲线与Biwole等人[29]在相同恒定热流密度1000 W/m2下的数值数据相比。在更严格的环境条件下取得的这种密切的定量一致性，验证了实验装置的基本热响应，并为后续的增强冷却配置的比较分析奠定了可靠的基础。6. 结果与讨论 本节提供了光伏冷却应用中各种热管理配置的全面实验结果和详细分析。研究通过多种方法系统评估了性能提升：相变材料（PCM）集成、带鳍片的PCM系统、不同鳍片几何形状的比较分析以及纳米颗粒增强技术。详细检查了四个主要方面：•将PCM与CCR鳍片集成的基本优势，通过改变鳍片间距比（λ）优化鳍片密度；•不同间距参数（δ）下CCR和SCR鳍片配置的性能比较；•通过在不同质量浓度（φ）下添加氧化铝纳米颗粒来提高热性能。所有实验都在PCM域内的战略位置保持相同的操作条件，并进行精确的温度监测，以确保对光伏系统的热管理策略进行可靠的比较和全面评估。6.1. 集成PCM和CCR鳍片的效果 本节对光伏模块的三种热管理配置进行了详细的比较分析：基线系统、仅使用PCM的系统以及使用25个CCR鳍片且λ = 20%的集成鳍片-PCM系统。研究使用来自铜板界面的温度测量数据系统评估热性能，该铜板作为模拟的光伏模块，并结合分布在PCM域内的热电偶的数据以及代表性鳍片的数据，以全面了解热传输特性。实验结果在图6中详细展示，每个系统改进都显示出可测量的、渐进的热性能提升，突显了集成冷却解决方案对光伏应用的关键重要性。基线参考配置表现出快速的热饱和，铜板在65分钟内达到约89.0°C，并在210分钟的测试期间达到稳态温度。这种性能曲线说明了传统光伏模块面临的严重热挑战，其特征是初始温度梯度极其陡峭，从26°C上升到46°C仅用5分钟，并在20分钟内达到67°C，几乎没有任何热缓冲能力。下载：下载高分辨率图片（688KB）下载：下载全尺寸图片 图6. 基线、仅使用PCM和带有鳍片的PCM（CCR，λ = 20%）配置的温度曲线。相比之下，仅使用PCM的配置有明显的改进，铜板温度在210分钟后限制在61.4°C，相对于基线情况，相对温度降低了η = 45.2%。温度上升更为平缓；系统需要35分钟达到51.5°C，而基线系统在15分钟内达到更高的温度62°C。然而，热响应揭示了一个关键限制。在10到20分钟之间，即RT35HC PCM的主要相变区间内，温度从35.9°C急剧上升到45.6°C。缺乏明显的等温平台以及这10分钟内近10°C的温度上升表明PCM本身较低的热导率限制了热量向内部材料的扩散。在1000 W/m2的应用热流密度下，这导致在热源附近局部熔化，并转变为主导的显热加热，从而无法充分利用PCM的潜热容量。集成鳍片-PCM配置在热调节方面进一步改进，铜板温度在210分钟后仅达到54.6°C，相对于基线系统降低了η = 56.1%，并与仅使用PCM的情况相比有明显的提升。此外，带鳍片的系统表现出显著提高的热缓冲能力。虽然基线配置在大约10分钟内超过了47.0°C的临界温度阈值，仅使用PCM的系统在大约23分钟内达到该阈值，但带鳍片的PCM系统将温度保持在低于该阈值约145分钟。同样，在持续的高温负载下，温度保持在50°C以下的时间约为185分钟。这些结果并不是表明操作行为发生了根本变化，而是显示在持续的高温负载下安全操作窗口的显著扩展。这种改进直接归因于CCR鳍片作为热源和PCM主体之间的有效热桥梁的作用。PCM域内的温度测量显示，在t = 210分钟时，温度从铜界面（x/H = 0）的54.6°C降至中间高度（x/H = 0.50）的50.5°C，再到容器底部（x/H = 0.85）的46.4°C，总梯度为8.2°C。这种持续的梯度证实了增强进入PCM主体的导热能力，这是仅使用PCM配置所缺乏的机制，直接解决了其主要热限制。整体热调节效果来自显热存储、潜热吸收和鳍片增强导热的共同贡献。在初始加热期间，PCM和金属组件的显热存储占主导。当界面温度达到PCM熔点时，潜热吸收成为主要的能量存储机制，延长了接近等温的操作窗口。鳍片本身不存储大量能量，但显著减少了热源与PCM之间的热阻，从而加快了能量传递到PCM体积的速度，并使其潜热容量得到更均匀和有效的利用。完全熔化后，显热加热再次主导最终温度上升。需要补充量热测量或数值模拟来进行详细的时间分辨能量分配分析，这代表了进一步基础研究的宝贵方向。6.2. 鳍片数量的影响 本研究还考察了由无量纲间距比λ表征的鳍片密度如何影响光伏冷却应用中带鳍片的PCM系统的热性能。在不同的实验条件下，评估了三种不同的CCR鳍片配置，间距比分别为λ = 33.3%（9个鳍片）、λ = 25%（16个鳍片）和λ = 20%（25个鳍片），并在铜板界面（x/H = 0）一致记录温度测量数据。实验结果如图7所示。结果清楚地表明，随着鳍片数量的增加，冷却性能得到增强，最终温度逐渐降低。9个鳍片的配置最终温度达到60.3°C（η = 47.0%），而16个鳍片和25个鳍片的系统分别达到57.9°C（η = 51.0%）和54.6°C（η = 56.1%），从最低鳍片密度配置到最高鳍片密度配置，整体提高了6.5°C。下载：下载高分辨率图片（637KB）下载：下载全尺寸图片 图7. 具有不同的间距比（λ）的CCR鳍片系统的温度曲线。对瞬态热响应的分析突出了不同鳍片密度下的不同性能模式。在最初的50分钟内，所有配置的表现相当，温度差异保持在2.0°C以内。超出这一时期后，热响应明显分化。9个鳍片的配置在整个测试期间持续升温，而25个鳍片的系统在大约150分钟内将温度保持在47.0°C的临界阈值以下，随后温度逐渐上升。16个鳍片的配置表现出中间表现，在大约145分钟内保持低于47°C的温度。这些趋势反映了鳍片密度在改善热传输机制中的作用，额外的鳍片提供了多个平行的导热路径，减少了热源与PCM之间的热阻，使得热量分布更加均匀。有效热传输表面积的大幅增加（25个鳍片配置相比9个鳍片配置增加了约178%）定量解释了最终温度观察到5.7°C的差异。更密集的鳍片排列也促进了热量更快地渗透到PCM主体中，允许更大的PCM体积参与潜热吸收。时间分析进一步表明，25个鳍片的配置将温度上升延迟到50.0°C的时间比9个鳍片的系统大约110分钟，并将低于50°C的操作时间从75分钟延长到135分钟，代表了有效热缓冲时间的80%增加。这样的性能改进对于光伏应用特别相关，在峰值太阳负载下保持较低温度的持续运行对于维持效率和可靠性至关重要。然而，应当注意的是，虽然增加鳍片密度增强了导热扩散并加速了PCM的参与，但预期超过λ = 20%的进一步增加会导致热回报的减少。过高的鳍片密度可能会减少有效的PCM体积，限制熔融PCM内的浮力驱动对流，并引入额外的制造复杂性。因此，λ = 20%的配置代表了当前实验范围内的实际上限，提供了热性能提升和系统简单性之间的平衡。6.3. CCR和SCR鳍片配置的比较 在本研究中，通过系统的实验分析了完整圆形杆（CCR）和半圆形杆（SCR）鳍片配置之间的热性能差异。研究评估了先前确定的最佳CCR配置（λ = 20%，N = 25个鳍片）与三种不同的SCR配置，这些SCR配置的间距比δ不同（δ = S/D，其中S表示SCR鳍片基部之间的法线距离，D表示鳍片直径）。SCR配置保持了相同的鳍片数量，同时使用间距比δ = 16%（S = 2 mm）、δ = 32%（S = 4 mm）和δ = 48%（S = 6 mm）来彻底评估间距对热性能的影响。图8中呈现的实验结果表明，与传统的CCR设计相比，SCR配置在整个210分钟的测试期间实现了更好的热性能。最佳SCR系统（δ = 48%）的最终温度达到51.0°C。这代表了显著的η = 62.3%，意味着它几乎防止了未冷却情况下观察到的三分之二的温度上升。与CCR配置相比，最佳SCR配置提供的3.6°C的温度降低可能有助于提高光伏系统的转换效率和长期可靠性。下载：下载高分辨率图片（650KB）下载：下载全尺寸图片 图8. CCR和SCR鳍片配置的温度曲线。SCR鳍片的增强热性能源于导热和对流热传输机制的根本改进。从几何学上讲，虽然单个CCR鳍片提供了一个圆柱形表面积ACCR=πDH，但相同的空间可以容纳两个背靠背的SCR鳍片。每个SCR鳍片贡献了一个半圆柱形外表面和一个平面矩形面。因此，SCR对的组合散热表面积为：(8)ASCR=πDH+2DH 与单个CCR鳍片的面积（πDH）相比，这代表了相对增加：(9)ASCR?ACCRACCR=πDH+2DH?πDHπDH=2π=0.6366=63.66% 这种可用于与PCM进行热交换的表面积的显著增加增强了导热性能。更重要的是，平面的锐利边缘有效地破坏了热边界层，而平面本身作为一个导向叶片，组织并加强了PCM内的自然对流。这促进了熔融PCM的更有效混合，并通过增强的流体动力学加速了热传递过程。从流体动力学的角度来看，SCR鳍片的平面加热表面促进了类似于垂直板上的自然对流的形成，而圆柱形鳍片倾向于产生更多周向和分散的羽流脱离。SCR几何形状的锐利过渡边缘也可能有助于局部边界层的减薄和边界层的提前破坏，从而增强了局部热传递系数。此外，平面表面作为一个导向界面，组织了鳍片间的再循环结构，并减少了鳍片基部附近的停滞区域，从而改善了熔融PCM内的熔融均匀性。尽管这些机制在当前研究中没有直接可视化，但它们与系统级热性能的观察到的改进是一致的。此外，从无量纲热传递的角度来看，SCR几何形状的优越性能可以用其对熔融PCM内浮力驱动对流的影响来解释。半圆形轮廓修改了相邻鳍片之间的内部流动域和特征长度尺度，从而影响了有效Rayleigh数和热边界层的发展。SCR鳍片的增加导热表面积进一步增强了热传递，这又通过结合导热和对流机制影响了整体的Nusselt数。虽然当前研究提供了系统层面热性能改善的明确证据，但要直接量化瑞利数（Rayleigh number）和努塞尔数（Nusselt number），需要进行空间温度映射、流动可视化或数值模拟，以解析局部速度和热场。因此，为SCR（Selective Catalytic Reduction）配置推导出一种通用无量纲传热关联关系超出了本实验研究的范围，但为未来的基础分析指明了有价值的方向。SCR配置之间的鲜明性能层次揭示了几何优化的关键重要性。间距最大的系统（δ = 48%）表现出最佳性能，而间距中等的系统（δ = 32%）和间距最小的系统（δ = 16%）的最终温度分别为52.5°C和53.5°C。随着鳍片间距的增加，温度逐渐降低2.5°C，这表明增加表面积的好处必须与足够的间隙相平衡，以便PCM（Phase Change Material）内部能够无障碍地发展自然对流。最佳间距（δ = 48%）通过最大化导电面积和对流流动，从而最有效地利用PCM的潜热容量。对温度演变数据的详细检查确认，在整个实验过程中，SCR配置始终保持比CCR（Controlled Crystal Regenerator）系统更低的温度。在关键的最初140分钟内，最佳SCR系统的温度比CCR配置低约1.5-2.0°C。这种早期的温度优势在实际应用中特别有价值，因为在初始运行期间快速的热响应对于维持最佳性能至关重要。热性能数据清楚地表明，δ = 48%的SCR配置在150分钟内保持温度低于45°C，而CCR配置仅为45分钟，因此在最佳工作温度下延长了233%的持续时间。全面的实验证据证明，尤其是具有优化间距比的SCR配置，在热管理方面优于传统的CCR设计。通过SCR鳍片几何结构实现的显著温度降低直接源于增加的传热表面积和增强的PCM对流系数，这是由于独特的半圆形棒状几何结构所带来的。这种热管理方法是有效的，它直接转化为系统效率的提高和操作可靠性的增强，使SCR配置成为需要最高性能和可靠性的高效冷却系统的首选。

6.4. 氧化铝纳米粒子对热性能的影响
将氧化铝纳米粒子集成到相变材料中，结合优化的半圆形棒状鳍片配置，通过多种增强机制产生了可测量的热性能改进。对四种不同纳米粒子质量浓度（0.25-1.0 wt%）的实验评估显示出了明显的浓度依赖性改进趋势，所有测量参数均观察到了系统性的提升。表5详细总结了纳米PCM系统的关键性能指标。图9显示的温度演变数据证实，随着纳米粒子负载的增加，性能持续改善，确定了纳米粒子浓度与冷却效率之间的明确相关性。

表5. 纳米PCM系统的关键性能指标总结。
纳米粒子浓度 | 最终温度（°C） | 相对温度降低，η（%） | 低于45°C的时间（分钟）
0%（纯PCM） | 51.0 | 62.3 | 150
0.25% | 50.3 | 63.4 | 175
0.50% | 49.5 | 64.8 | 179
0.75% | 49.2 | 65.2 | 181
1.00% | 48.8 | 65.9 | 185

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图9. 不同纳米粒子浓度（φ）的SCR鳍片系统的温度分布。
包含1.0%纳米粒子的系统达到最佳性能，最终温度为48.8°C，相对于带有SCR鳍片的纯PCM系统的62.3%的相对温度降低幅度为65.9%。纳米PCM系统的改善热响应可以在经典有效介质理论的框架下解释。对于本研究中使用的1.0 wt% Al2O3纳米PCM，相应的纳米粒子体积分数约为0.2%。应用Maxwell模型[67]对球形粒子进行预测，预测的内在热导率增强仅有约0.5%。这种温和的增益表明，实验观察到的系统级性能提升不能仅归因于热导率的显著提高。相反，这种增强更可能是由于导电性的适度改善、纳米粒子引起的熔点降低，以及熔化过程中成核行为和浮力驱动对流的潜在变化三者之间的协同作用。这些发现强调了纳米粒子在提高PCM热性能方面的多功能作用，超出了简单的导热性增强。增强的热传输特性促进了从铜基板通过鳍片网络到PCM内部的更有效热耗散，减少了热阻，并促进了更均匀的相变过程。材料表征显示，纳米粒子导致熔点从纯PCM的35.18°C降至1.0%纳米复合材料的31.13°C，这是由于高表面积纳米粒子破坏了晶体结构和改变了成核动态。这种相变温度范围的变化意味着潜热吸收在较低的系统温度下开始，从而在加热循环的早期提供了主动的热缓冲。热分布的分析表明，在关键的初始加热期间，1.0%纳米PCM系统的温度比纯PCM系统低1.2-1.5°C。全面的性能指标证实，纳米增强系统将低于45°C的运行时间延长了15分钟，与纯PCM系统相比，最佳运行条件的持续时间延长了12.5%。这些热性能改进表明，纳米PCM配置在热管理方面优于传统的CCR设计。通过SCR鳍片几何结构实现的显著温度降低，直接源于增加的传热表面积和增强的PCM对流系数，这得益于独特的半圆形棒状几何结构。这种方法对于热管理应用非常有效，它直接转化为系统效率的提高和操作可靠性的增强，使SCR配置成为需要最高性能和可靠性的高效冷却系统的首选。

6.4. 氧化铝纳米粒子对热性能的影响
将氧化铝纳米粒子集成到相变材料中，并结合优化的半圆形棒状鳍片配置，通过多种增强机制实现了热性能的可测量改进。对四种不同纳米粒子质量浓度（0.25-1.0 wt%）的实验评估显示出了明显的浓度依赖性改进趋势，所有测量参数均观察到了系统性的提升。表5详细总结了纳米PCM系统的关键性能指标。图9显示的温度演变数据证实，随着纳米粒子负载的增加，性能持续改善，确立了纳米粒子浓度与冷却效率之间的明确相关性。

表5. 纳米PCM系统的关键性能指标总结。
- 纳米粒子浓度 | 最终温度（°C） | 相对温度降低，η（%） | 低于45°C的时间（分钟）
- 0%（纯PCM） | 51.0 | 62.3 | 150
- 0.25% | 50.3 | 63.4 | 175
- 0.50% | 49.5 | 64.8 | 179
- 0.75% | 49.2 | 65.2 | 181
- 1.00% | 48.8 | 65.9 | 185

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图9. 不同纳米粒子浓度（φ）的SCR鳍片系统的温度分布。
包含1.0%纳米粒子的系统实现了最佳性能，最终温度达到48.8°C，相对温度降低幅度为65.9%。这表明纳米PCM系统的热响应得到了改进。对于本研究使用的1.0 wt% Al2O3纳米PCM，相应的纳米粒子体积分数约为0.2%。应用Maxwell模型[67]对球形粒子进行预测，预测的内在热导率增强仅有约0.5%。这种温和的增益表明，实验观察到的系统级性能提升不能仅归因于热导率的显著提高。相反，这种增强更可能是由于导电性的适度改善、纳米粒子引起的熔点降低，以及熔化过程中成核行为和浮力驱动对流的潜在变化三者之间的协同作用。这些发现强调了纳米粒子在提高PCM热性能方面的多功能作用，超出了简单的导热性增强。增强的热传输特性促进了从铜基板通过鳍片网络到PCM内部的更有效热耗散，减少了热阻，并促进了更均匀的相变过程。材料表征显示，纳米粒子导致熔点从纯PCM的35.18°C降至1.0%纳米复合材料的31.13°C，这是由于高表面积纳米粒子破坏了晶体结构和改变了成核动态。这种相变温度范围的变化意味着潜热吸收在较低的系统温度下开始，从而在加热循环的早期提供了主动的热缓冲。热分布的分析表明，在关键的初始加热期间，1.0%纳米PCM系统的温度比纯PCM系统低1.2-1.5°C。全面的性能指标证实，纳米增强系统将低于45°C的运行时间延长了15分钟，相对于纯PCM系统，最佳运行条件的持续时间延长了12.5%。这些热性能改进表明，对于光伏应用而言，可能有潜在的电效率效益。根据已建立的晶体硅太阳能电池的温度系数（每1°C降低-0.4%至-0.5%），测量的冷却效果相当于相对于未冷却基线的相对电效率提高了16.1-20.1%。这一预测是基于使用PV电池的热电关系得出的，强调了从温度降低中推断出的电效益。然而，这一预测没有考虑实际操作条件，如辐照度的变化、电负荷和电热耦合效应，因此应将其视为一个指示性估计，而不是直接测量的性能提升。

6.4. 氧化铝纳米粒子对热性能的影响
将氧化铝纳米粒子集成到相变材料中，并结合优化的半圆形棒状鳍片配置，通过多种增强机制实现了热性能的显著提升。对四种不同纳米粒子质量浓度（0.25-1.0 wt%）的实验评估显示出了明显的浓度依赖性改进趋势，所有测量参数均观察到了系统性的提升。表5详细总结了纳米PCM系统的关键性能指标。图9显示的温度演变数据证实，随着纳米粒子负载的增加，性能持续改善，确立了纳米粒子浓度与冷却效率之间的明确相关性。

表5. 纳米PCM系统的关键性能指标总结。
- 纳米粒子浓度 | 最终温度（°C） | 相对温度降低，η（%） | 低于45°C的时间（分钟）
- 0%（纯PCM） | 51.0 | 62.3 | 150
- 0.25% | 50.3 | 63.4 | 175
- 0.50% | 49.5 | 64.8 | 179
- 0.75% | 49.2 | 65.2 | 181
- 1.00% | 48.8 | 65.9 | 185

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图9. 不同纳米粒子浓度（φ）的SCR鳍片系统的温度分布。
包含1.0%纳米粒子的系统达到最佳性能，最终温度为48.8°C，相对温度降低幅度为65.9%。这表明纳米PCM系统的热响应得到了改进。对于本研究使用的1.0 wt% Al2O3纳米PCM，相应的纳米粒子体积分数约为0.2%。应用Maxwell模型[67]对球形粒子进行预测，预测的内在热导率增强仅有约0.5%。这种温和的增益表明，实验观察到的系统级性能提升不能仅归因于热导率的显著提高。相反，这种增强更可能是由于导电性的适度改善、纳米粒子引起的熔点降低，以及熔化过程中成核行为和浮力驱动对流的潜在变化三者之间的协同作用。这些发现强调了纳米粒子在提高PCM热性能方面的多功能作用，超出了简单的导热性增强。增强的热传输特性促进了从铜基板通过鳍片网络到PCM内部的更有效热耗散，减少了热阻，并促进了更均匀的相变过程。材料表征显示，纳米粒子导致熔点从纯PCM的35.18°C降至1.0%纳米复合材料的31.13°C，这是由于高表面积纳米粒子破坏了晶体结构和改变了成核动态。这种相变温度范围的变化意味着潜热吸收在较低的系统温度下开始，从而在加热循环的早期提供了主动的热缓冲。热分布的分析表明，在关键的初始加热期间，1.0%纳米PCM系统的温度比纯PCM系统低1.2-1.5°C。全面的性能指标证实，纳米增强系统将低于45°C的运行时间延长了15分钟，相对于纯PCM系统，最佳运行条件延长了12.5%。这些热性能改进表明，对于光伏应用而言，可能有潜在的电效率效益。根据已建立的晶体硅太阳能电池的温度系数（每1°C降低-0.4%至-0.5%），测量的冷却效果相当于相对于未冷却基线的相对电效率提高了16.1-20.1%。这一预测是基于PV电池的热电关系得出的，强调了从温度降低中推断出的电效益。然而，这一预测没有考虑实际操作条件，如辐照度的变化、电负荷和电热耦合效应，因此应将其视为一个指示性估计，而不是直接测量的性能提升。

6.4. 氧化铝纳米粒子对热性能的影响
将氧化铝纳米粒子集成到相变材料中，并结合优化的半圆形棒状鳍片配置，通过多种增强机制实现了热性能的显著提升。对四种不同纳米粒子质量浓度（0.25-1.0 wt%）的实验评估显示出了明显的浓度依赖性改进趋势，所有测量参数均观察到了系统性的提升。表5详细总结了纳米PCM系统的关键性能指标。图9显示的温度演变数据证实，随着纳米粒子负载的增加，性能持续改善，确立了纳米粒子浓度与冷却效率之间的明确相关性。

表5. 纳米PCM系统的关键性能指标总结。
- 纳米粒子浓度 | 最终温度（°C） | 相对温度降低，η（%） | 低于45°C的时间（分钟）
- 0%（纯PCM） | 51.0 | 62.3 | 150
- 0.25% | 50.3 | 63.4 | 175
- 0.50% | 49.5 | 64.8 | 179
- 0.75% | 49.2 | 65.2 | 181
- 1.00% | 48.8 | 65.9 | 185

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图9. 不同纳米粒子浓度（φ）的SCR鳍片系统的温度分布。
包含1.0%纳米粒子的系统达到最佳性能，最终温度为48.8°C，相对温度降低幅度为65.9%。这表明纳米PCM系统的热响应得到了改进。对于本研究使用的1.0 wt% Al2O3纳米PCM，相应的纳米粒子体积分数约为0.2%。应用Maxwell模型[67]对球形粒子进行预测，预测的内在热导率增强仅有约0.5%。这种温和的增益表明，实验观察到的系统级性能提升不能仅归因于热导率的显著提高。相反，这种增强更可能是由于导电性的适度改善、纳米粒子引起的熔点降低，以及熔化过程中成核行为和浮力驱动对流的潜在变化三者之间的协同作用。这些发现强调了纳米粒子在提高PCM热性能方面的多功能作用，超出了简单的导热性增强。增强的热传输特性促进了从铜基板通过鳍片网络到PCM内部的更有效热耗散，减少了热阻，并促进了更均匀的相变过程。材料表征显示，纳米粒子导致熔点从纯PCM的35.18°C降至1.0%纳米复合材料的31.13°C，这是由于高表面积纳米粒子破坏了晶体结构和改变了成核动态。这种相变温度范围的变化意味着潜热吸收在较低的系统温度下开始，从而在加热循环的早期提供了主动的热缓冲。热分布的分析表明，在关键的初始加热期间，1.0%纳米PCM系统的温度比纯PCM系统低1.2-1.5°C。全面的性能指标证实，纳米增强系统将低于45°C的运行时间延长了15分钟，相对于纯PCM系统，最佳运行条件的持续时间延长了12.5%。这些热性能改进表明，对于光伏应用而言，可能有潜在的电效率效益。根据已建立的晶体硅太阳能电池的温度系数（每1°C降低-0.4%至-0.5%），测量的冷却效果相当于相对于未冷却基线的相对电效率提高了16.1-20.1%。这一预测是基于PV电池的热电关系得出的，强调了从温度降低中推断出的电效益。然而，这一预测没有考虑实际操作条件，如辐照度的变化、电负荷和电热耦合效应，因此应将其视为一个指示性估计，而不是直接测量的性能提升。

6.4. 氧化铝纳米粒子对热性能的影响
将氧化铝纳米粒子集成到相变材料中，并结合优化的半圆形棒状鳍片配置，通过多种增强机制实现了热性能的显著提升。对四种不同纳米粒子质量浓度（0.25-1.0 wt%）的实验评估显示出了明显的浓度依赖性改进趋势，所有测量参数均观察到了系统性的提升。表5详细总结了纳米PCM系统的关键性能指标。图9显示的温度演变数据证实，随着纳米粒子负载的增加，性能持续改善，确立了纳米粒子浓度与冷却效率之间的明确相关性。

表5. 纳米PCM系统的关键性能指标总结。
- 纳米粒子浓度 | 最终温度（°C） | 相对温度降低，η（%） | 低于45°C的时间（分钟）
- 0%（纯PCM） | 51.0 | 62.3 | 150
- 0.25% | 50.3 | 63.4 | 175
- 0.50% | 49.5 | 64.8 | 179
- 0.75% | 49.2 | 65.2 | 181
- 1.00% | 48.8 | 65.9 | 185

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图9.主要研究结果及其含义如下：

- 结合使用散热片对于提升相变材料（PCM）的性能至关重要。最佳配置的CCR散热片系统（λ = 20%）最终温度达到了54.6°C，能量转换效率（η）为56.1%。更重要的是，它将工作温度在50°C以下的持续时间从未使用散热片的基线情况下的12分钟延长到了185分钟，显著改善了热缓冲能力。

- 散热片的几何形状是影响光伏系统性能的决定性因素。最佳配置的SCR散热片（δ = 48%，λ = 20%）最终温度为51.0°C，能量转换效率为62.3%，比最佳CCR设计提高了3.6°C，这证明了SCR散热片几何形状的优势。

- 纳米颗粒能够提供显著的、依赖于浓度的性能提升。最高浓度（φ = 1.0%）下的性能最佳，最终温度达到48.8°C，能量转换效率为65.9%。

- 分层优化策略实现了最高的性能。最优的混合系统（1.0%的纳米PCM与SCR散热片，δ = 48%，λ = 20%）结合了纳米颗粒的增强导热性能和优化散热片的优异散热能力，使系统的总温度降至未使用散热片基线情况下的40.2°C。

虽然实验背景是模拟的光伏模块，但结果也表明这种方法在高温电子组件的热管理方面具有很高的潜力。在1000 W/m2的恒定热流下，能够将表面温度维持在50°C以下并持续较长时间，表明这是一种可行的解决方案，适用于类似的紧凑型电子系统。该系统的被动性为电子产品带来了显著的优势，包括固有的可靠性、无需额外电力进行冷却以及静音运行。这项研究表明，SCR散热片/纳米PCM混合策略从熱管理角度来看是一种有效的被动方法，在1000 W/m2的持续热流下实现了40.2°C的温度降低。所实现的显著冷却效果表明，该方法在提升光伏电气性能方面具有巨大潜力，这一效果可以通过标准的光伏温度系数间接估计，但需要在实际工作条件下进行直接电气测量来验证。该方法在高功率电子系统的热管理方面也展现出巨大潜力。

未来的工作将集中在以下几个方面：
- (i) 在实际运行的光伏模块上对混合系统进行户外测试，以量化实际的电气效率提升；
- (ii) 在实际辐照条件下进行直接的电气性能测量；
- (iii) 长期研究材料的稳定性（例如纳米颗粒的沉积情况、PCM与散热片界面的耐久性）以及长时间的热循环影响；
- (iv) 通过数值模拟或流体可视化实验来解析局部速度和温度场，从而建立SCR散热片-PCM系统的无量纲传热关联。

CRediT作者贡献声明：
- Menna M. Hamed：负责撰写原始草案、验证、方法学研究、数据分析、数据整理。
- Mohamed R. Salem：负责撰写和编辑、验证、监督、资源调配、项目管理系统、方法学研究、数据分析、概念化。
- Abdulmajeed D. Aldabesh：负责撰写和编辑、验证、资源调配、方法学研究、数据分析。
- Sayed A. Abdel-Moneim：负责撰写和编辑、验证、监督、方法学研究、数据分析、概念化。
- Ashraf E. Elmohlawy：负责撰写和编辑、验证、监督、资源调配、数据分析、方法学研究、数据分析。