利用石蜡、蜂窝结构及金属泡沫等先进冷却技术提升光伏电池的效率

《Journal of Energy Storage》：Advanced cooling techniques for photovoltaic cells with paraffin, honeycomb structures and metal foam to improve efficiency

　　扎伊纳布·埃斯马伊利|法特梅赫·萨莱希
澳大利亚新南威尔士州悉尼市麦考瑞大学工程学院，邮编2109

摘要
本研究探讨了一种用于光伏电池的先进冷却系统，该系统结合了铜蜂窝结构、相变材料以及多孔金属泡沫，以此提升热量调控能力。研究共分析了三种结构配置：第一种仅使用相变材料；第二种在相变材料腔体内加入铜蜂窝结构；第三种则在铜蜂窝与相变材料组合结构中引入金属泡沫。这种混合结构旨在降低光伏组件的工作温度，进而提升电能转换效率并延长其使用寿命。数值模拟结果显示，与基准配置相比，光伏组件温度可降低6.3开尔文。在594.25瓦/平方米的太阳辐射强度下，第三种设计的电能转换效率比基准配置高出3.1%，而相比第二种设计则高出1.3%。这些改进充分体现了铜蜂窝结构及多孔金属泡沫在提升热传导性能及实现更均匀的温度分布方面的重要作用。研究结果表明，这种创新性的冷却策略有望在各种环境及运行条件下显著提升光伏系统的性能与使用寿命。

引言
太阳能光伏技术因其能够将太阳辐射转化为电能而被视为可持续能源发展中的重要技术。然而，光伏电池的性能效率对温度极为敏感，工作温度升高会导致性能下降。这一热效应成为提升光伏系统性能与寿命的巨大障碍，尤其是在环境温度较高的地区。因此，有效的热管理对于保持光伏系统的最佳性能并延长其使用寿命至关重要。与此同时，全球能源消耗问题引发了人们对人类活动影响、电力供应波动、化石燃料价格不稳定以及环境恶化加剧的担忧。面对这些挑战，以太阳能和风能为代表的可持续能源资源逐渐成为替代传统能源的可行选择，它们不仅具备稳定的性能，还能有效缓解能源短缺问题[1]、[2]。太阳能技术通过将阳光转化为清洁、可持续的热能和电能，使其成为比传统能源系统更为环保且可靠的替代方案[3]。为更有效地应对光伏组件中的热效应，人们提出了多种解决方案，并开展了大量研究以评估和完善这些技术。

阿蒂亚等人[4]通过采用新型之字形流道设计，提升了光伏热系统的效率。研究结果显示，使用水作为工作介质时，热传递效率提升了7.23%；而使用空气时则提升了15.75%。阿尔卡利迪等人[5]通过实验研究了光伏热系统的热性能与能量效率，发现开环和闭环结构下的热传递效率分别提升了76%和58%。塞利梅芬迪吉尔和奥兹托普[6]提出了一种创新的冷却技术，该技术结合了旋转圆柱体以及四种不同形状的纳米颗粒，通过使用旋转圆柱体，水和纳米流体的努塞尔数分别提升了99%和37%。阿尔梅沙尔和阿尔托哈米[7]通过使用相变材料与纳米流体，提升了光伏热收集器的能源效率。与未经冷却的光伏系统以及以水为工作介质的光伏热/相变系统相比，采用相变材料与氧化铜作为纳米流体的系统，其效率分别提升了37.7%和13.3%。刘等人[8]通过数值建模与实验测量，研究了相变材料与纳米流体对光伏/热系统热传递效率及氢气生成量的影响，结果显示，系统的热传递效率提升了12%，电能输出提升了8%。汗等人[9]通过实验将相变材料与热电元件结合在一起，以此提升系统性能，实验结果显示，通过同时运用这两种被动冷却方法，系统温度下降了9.28%，输出功率提升了9.69%。王等人[10]对一种采用三维铜泡沫作为冷却介质的蒸发驱动型吸水凝胶进行了数值研究，结果表明，该冷却方式可使光伏面板表面温度降低10摄氏度，发电量提升14.01%。彭等人[11]在集成有相变材料的光伏热系统中采用了金属鳍片与换热管相结合的设计，用以研究该系统的热传递效率，结果表明，当相变材料厚度为45毫米时，系统的光热转换效率可达到70.7%。索利曼[12]通过数值模拟与实验，研究了一种为双面光伏面板设计的新型热管理系统，该系统结合了相变材料以及带肋的铝板，实验结果显示，与无冷却系统的相比，该系统的电能效率提升了1.6%，输出功率提升了27.21瓦/平方米。梅里亚等人[13]研究了多孔介质对光伏热系统效率的影响，根据数值模拟与实验结果，金属泡沫显著提升了系统的效率，并降低了光伏电池的温度。谢赫等人[14]通过数值模拟，在光伏系统中采用了多层相变材料，以此提升系统效率，但这种被动冷却方式反而使系统温度上升了59.6摄氏度。杨等人[15]通过实验与数值模拟，研究了在光伏面板中结合脉动热管与相变材料后的系统热传递性能，结果表明，同时使用热管与相变材料可使系统温度下降8.8%，效率提升1.3%。霍等人[16]研究了在光伏热系统中使用相变材料的效果，他们提出了优化后的参数建议，例如相变材料的层厚应为0.015米。索利曼和程[17]设计了一种带有多个相变材料（RT-35和RT-27）的散热器结构，用于为光伏电池降温，实验结果显示，最优的六鳍片结构可使光伏电池温度下降27.9%至31.11%，电能效率可提升至17.22%至17.41%，而传统结构的效率仅为15.24%至16.32%。阿尔萨格里和阿尔罗巴因[18]对集成有相变材料的光伏热系统进行了数值研究，结果表明，该系统的电能效率提升了1.26%。卡里法等人[19]设计了骨架状鳍片，并通过实验研究了这类鳍片对光伏热系统性能的影响，研究结果显示，该结构可使系统的能源效率提升8.61%，能量效率提升8.98%。德瓦拉詹和库马古鲁帕兰[20]通过数值研究与实验，分析了集成有相变材料的太阳能电池板的热传递效率，结果表明，使用相变材料会使电池板的温度下降30.29%，电压下降24.78%。卡纳费尔等人[21]研究了相变材料在光伏热系统中的应用，并对其特性进行了优化，实验结果显示，优化后的相变材料可使光伏电池温度下降20%。索利曼等人[22]提出了一种新的散热器设计，该设计结合了凸形与凹形凹槽以及多种按熔点顺序排列的相变材料，实验结果显示，最优配置（两种相变材料加上8个凹槽）可使系统在25至40分钟内实现温度下降2.22%至7.14%，效果优于无凹槽的结构。张等人[23]在基于相变材料的光伏热系统中加入了多孔金属泡沫，数值研究表明，该结构可使系统的热效率提升33.6%。奇巴尼[24]通过将金属泡沫与相变材料结合作为冷却手段，提升了聚光光伏系统的电能性能，数值结果显示，该冷却方式可使系统的电能效率提升3%。埃尔-纳加尔等人[25]通过数值方法，研究了将相变材料与碳泡沫复合材料结合用于提升与建筑一体化的光伏模块的效率，结果表明，该技术可使系统的电能输出提升12.64%，效率提升27.35%。普拉布等人[26]使用基于石蜡的相变材料，对光伏系统的冷却过程进行了数值研究，结果表明，该冷却方式可使系统的电能效率提升56%。索利曼等人[27]比较了用于相变材料模拟的简化模型与凝固-熔化模型，发现胶囊形状会影响材料的熔化时间，其中水平椭圆形胶囊的熔化效果最佳，而简化模型适用于长期应用，且误差在可接受范围内。加扎尼等人[28]研究了填充有相变材料的蜂窝状铝结构在光伏热系统中的应用，实验结果显示，该结构可使系统温度进一步下降10摄氏度，效率提升0.57%。米哈尔卡和马蒂亚索夫斯基[29]通过模拟，研究了填充有微相变材料的铝蜂窝在光伏冷却中的应用，结果表明，蜂窝结构能够克服相变材料导热性较低的缺陷，只有高导热性的蜂窝结构才能实现相变材料的全部潜热利用。

本研究通过探索结合相变材料、蜂窝结构与金属泡沫的新型冷却设计在光伏系统中的应用效果，填补了现有研究中的重要空白。以往的研究大多侧重于短期冷却性能，而本研究则着眼于在不同环境条件下一整天的系统运行表现。本研究的创新之处在于：（1）将相变材料与蜂窝结构及金属泡沫协同应用，以实现更高效的热管理；（2）通过全天候的数值模拟，全面了解系统的热行为特征；（3）分析该设计在提升系统热性能与电气性能方面的优势。本研究采用数值模拟方法，以便在真实气候条件下评估冷却效果。

部分内容节选
物理仿真模型
本研究采用的方法如图1所示，该图既展示了研究的物理问题解决思路，也说明了研究方法，清晰地呈现了研究过程中的各个关键步骤。相变材料能够吸收太阳热量，从而稳定光伏电池的温度。不过，相变材料的一个主要局限性在于其导热性较低，这会限制其吸热与冷却能力。为克服这一缺陷，本研究采用了铜蜂窝结构。

控制方程
对于所研究的系统，固体部分与流体部分的控制方程是分别建立的。作为导热层的固体部分仅受能量方程约束，而包含相变材料的流体部分则需同时满足连续性方程、动量方程与能量方程。

各组分的热物理性质
表3列出了光伏热系统各层材料的规格与热物理性质。分析过程中还使用了正二十烷的相应性质，这些性质的数据汇总在表4中。正二十烷的温度依赖性动态粘度（单位为帕·秒）可通过以下数学公式进行建模[52]：
μ=9×10?4T2?0.6529T+119.94×10?3

假设条件
本研究采用了以下假设：
•由于玻璃层与上层EVA层的吸收率较低，模型中未考虑这两层内部产生的热量。
•在上午8点时，系统的初始温度与周围环境温度一致，且假设在模拟开始时相变材料处于完全固态。
•风速设定为1.5米/秒，该风速作用于光伏面板的上表面，以此模拟自然对流冷却效应。

边界条件与初始条件
为准确描述系统的热行为与动态特性，本研究在计算域中设置了如图3所示的边界条件。这些条件是经过精心选择的，旨在模拟系统实际的工作环境。附录中的图A1展示了三种结构在实际应用中的结构示意图。模拟过程中所涉及的环境条件，如环境温度（T∞）与太阳辐射强度等，也已在模型中予以体现。

验证
本研究通过两项关键测试来验证所提出的仿真模型的准确性，这两项测试分别是相变材料熔化过程的模拟以及光伏系统冷却效果的模拟。这些验证的目的是为了评估该模型在预测相变材料熔化现象以及光伏面板在运行状态下的冷却行为方面的能力。

计算网格
图2的下半部分展示了第二种研究案例的计算网格，该案例采用了相变材料与蜂窝结构。计算域采用三角形单元进行离散化，这种网格结构能够更好地适应复杂的几何形态与边界条件。表5列出了粗网格、中等网格与细网格中所使用的单元数量，便于比较不同分辨率下的计算需求。此外，图10展示了网格时间步长与结果之间的独立性。图11通过比较?t为0.5秒、1秒和2秒时的瞬时液体分数，来评估案例2的时间步长独立性。研究结果表明，这些不同时间步长下的液体分数变化可以忽略不计，尤其是?t=0.5秒与?t=1.0秒之间，这说明1.0秒的时间步长足以获得准确的结果，同时不会影响计算效率。

数值结果
以下部分介绍了不同冷却系统配置的实验结果。具体而言，比较集中在三种不同的案例上：传统结构、在系统中加入蜂窝结构，以及蜂窝结构与金属泡沫的组合。研究了这些不同结构对液体分数、相变材料温度、光伏层温度以及电气效率的影响。此外，还通过定性分析进行了进一步评估。

结论
在这项数值研究中，分析了三种不同的案例，以评估光伏电池的热管理性能。第一种案例作为参考案例，保持其原有结构；第二种案例加入了蜂窝结构；第三种案例则将蜂窝结构与金属泡沫结合在一起。选择这些案例是为了探讨抑制自然对流、提升热导率以及优化整体热性能之间的权衡关系。

未来工作
所提出的冷却结构中融化的相变材料所储存的热能，可在未来的研究中用于多种应用。一些潜在的应用包括：
1. 家用及工业用水加热：提取的热量可用于为住宅和商业建筑中的水加温。
2. 室内供暖：储存的热能可与建筑供暖系统结合，为寒冷季节提供舒适的温度。
3. 农业应用：这些热量也可用于农业领域。

作者贡献说明
Zeinab Esmaeili：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，概念设计。Fatemeh Salehi：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，研究，概念设计，可视化，撰写——初稿。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益或个人关系。