综述：光伏/热（PV/T）系统的冷却技术：性能、?分析、维护策略和人工智能应用的关键综述

《Energy Nexus》：Cooling techniques for photovoltaic/thermal systems: A critical review of performance, exergy analysis, maintenance strategies and AI-applications

　　

本综述论文对用于冷却光伏/热（PV/T）系统并提高其效率的各种技术进行了关键性研究。关于生产清洁能源的日益增长的关注促使研究人员开发PV/T系统，该系统可同时产生电力和热能。论文讨论了PV/T系统中采用的最新冷却布置，包括空气冷却、水冷却、双流体（bi-fluid）冷却、热管冷却和相变材料（PCM）辅助冷却。该研究还讨论了以往文献中报道的热学、电学和?（exergy）分析以及维护优化方法，以更好地理解各种PV/T技术的优势和局限性。此外，简要介绍了近期趋势，例如基于人工智能（AI）的PV/T冷却系统优化。已识别出若干研究空白，包括纳米流体的长期稳定性、混合冷却技术的优化、热管理、?性能、维护以及技术的AI辅助方面。当前研究并非提出创新的冷却技术，而是旨在对PV/T冷却技术进行广泛的文献综述和比较分析。

2. 光伏材料的分类（Classification of PV materials）
光伏电池的工作原理基于半导体材料。根据不同类型的半导体材料，光伏电池主要分为四类：晶体光伏电池、薄膜光伏电池、染料敏化光伏电池和多结太阳能电池。晶体光伏电池包括单晶硅、多晶硅及其他类型（如砷化镓和带状硅），其中单晶硅效率较高但成本高，多晶硅成本低但效率略低。薄膜光伏电池通过在廉价基底上沉积半导体薄膜制成，材料用量少且成本低，但效率较低。染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells）属于第三代技术，通过光化学系统工作，染料吸收可见光后向半导体（如二氧化钛（TiO₂））转移电子，适用于多种光照条件，但液体电解质稳定性和贵金属材料成本是挑战。多结太阳能电池（multi-junction solar cells）利用多层半导体吸收太阳光谱的不同部分，理论效率可超过43%，优于单结电池的34%限制。

3. 对PV/T系统的需求（Need of PV/T systems）
随着全球能源需求和环境问题增加，PV系统需求上升。PV系统主要利用可见光发电，但红外辐射会导致过热，降低效率和寿命，因此采用不同冷却方法控制电池温度。研究还扩展到农业光伏系统（agrivoltaic systems）和透明光伏技术，以支持可持续粮食-能源系统和未来绿色氢生产。混合太阳能系统结合PV和聚光太阳能（concentrated solar power）可改善热能储存和稳定性。PV/T系统的设计与工作流体有关，传统使用空气和水，近年研究致力于减少传统流体依赖。半透明光伏集成温室系统有助于可持续农业实践。

4. PV/T系统的冷却策略（Cooling strategies for PV/T systems）
4.1 空气冷却系统的集成（Integration of air-cooling systems）
空气作为工作流体通过PV/T集热器冷却光伏电池，通常使用盒子或简单风道，成本低且便于操作。空气冷却系统可分为主动循环（使用风扇驱动）和被动循环（自然对流）。研究表明，通过优化风道设计、添加挡板（baffles）、双入口空气流道、穿孔挡板等可提升性能。例如，Zine等人（增加挡板）实现了平均热效率（η_th）86%和电效率（η_el）约9%。Dunne等人使用空气风道使η_el提升13.67%。Mourshed等人的混合PV/T系统效率依赖于太阳强度和冷却剂质量流量。Kang等人的双入口空气集热器达到62.14%的η_th和11.19%的η_el。Fterich等人使用铝方管在高速气流下获得42.5%的平均η_th。Senthilraja等人的空气冷却PV/T系统用于制氢，η_th和η_el分别为24.4%和5.18%。Elminshawy等人结合地热空气冷却，将PV温度从55°C降至42°C，η_el提升22.98%。总体而言，空气冷却系统设计需匹配气候和运行条件以保持稳定性能。

4.2 水冷却系统的集成（Integration of water-cooling systems）
水具有更好的热传导特性，可被动或主动冷却PV模块。水冷系统在PV底部布置管道，冷却水带走热量并产生热水，提升η_th并降低电池温度。Basuhaib等人优化了马来西亚热带气候下的水冷PV/T系统，η_th达67.4%。Khenfer等人结合水冷与热电技术，日均?产出187.75 Wh/天。Abdelhafez等人使用ZnO和TiO₂涂层纳米流体使输出功率提升22.81%，效率提升29.47%。Podder等人使用COMSOL数值模型，η_th和η_el峰值分别达89.96%和11.47%。Dev等人结合PCM与水基Al₂O₃和TiO₂纳米流体，使面板温度降低25%，η_th提升10.3%。Gomaa等人使用交叉翅片冷却通道数值模拟，增加冷却液流量降低表面和水温。Fadli等人使用TiO₂-水纳米流体在1100 W/m²辐射下使温度降低11.4°C，功率增加10.38 W。Salameh等人数值评估了极端气候下的集热器，流量从0.4 L/min增至5.4 L/min时η_th从60%升至68%。Ramdani和Lahoucine研究了先进水冷PV/T集热器，优化冷却通道高度3.6 cm，电池温度低于68°C。Ahmed等人使用模糊逻辑控制反射镜，η_th达82%。Abdallah等人使用多壁碳纳米管（MWCNT）水纳米流体，温度降低12°C，总效率（η_over）达83.26%。Kabeel等人添加自清洁功能，η_el增加24.11%，η_over增加41.71%。Almetwally等人使用ZnO-水纳米流体和被动空气对流，η_el和η_th分别达15.56%和75.60%。Maarof和Maree结合PCM与水冷单翅片管，温度从75.3°C降至45.8°C，η_el升至13%。Satpute等人使用Al₂O₃-水纳米流体在印度气候下，η_th、η_el和总效率分别为57.51%、9.8%和67.31%。Al-Ansari等人使用三元纳米流体（GO、CuO、SiO₂），温度降低17.9%，η_th和η_el分别为58.1%和14.7%。Kazem的水冷单晶PV/T系统比常规面板功率输出高6%。水冷系统结合纳米流体和PCM可有效降低工作温度并改善η_th和η_el。

4.3 双流体冷却系统的集成（Integration of bi-fluid cooling systems）
双流体PV/T系统同时使用空气和水，克服单一流限制，同时产生电力、热水和热空气。Harby等人比较了铜（Cu）、铝和不锈钢冷却系统，Cu基系统η_el提升16.04%，平准化能源成本最低。Attia等人使用自然空气和TiO₂纳米流体，翅片配置下最大小时η_th达78.6%。Abdulmajeed等人改进双通道集热器，气流温度升高5.60°C，η_th和η_el分别提高44.88%和14.44%。Attia等人使用CuO-水纳米流体和翅片双交换器，48翅片下η_th达78.19%，总效率23.57%。Nasri等人数值优化发现空气/水-TiO₂纳米双流体冷却使性能提升22%。Alshibil等人测试匈牙利气候下的百叶窗翅片蛇形PV/T模块，电池表面温度降低31.7%，η_th和η_el分别为89.1%和7.66%。Alshibil等人还提出带平板吸收器和百叶窗翅片的双侧PV/T系统，η_th66.17%，η_el7.56%。Abed等人研究玻璃面板对PV太阳能热墙的影响，水/Al₂O₃纳米流体冷却使η_th达88%。Aghakhani等人提出V形多孔铜板与空气-水冷却，η_th71.4%，总效率82.57%。Maarof和Maree结合空气-水冷却与PCM，面板温度降低8.7°C，η_el升至12.94%，总效率74%。Ahmed等人研究BIPV/T Trombe墙，玻璃覆盖与多孔介质在300 L/天水流量下总效率达87.4%。双流体冷却系统的性能取决于流体选择、流量平衡和通道设计。

4.4 热管冷却系统的集成（Integration of heat pipe cooling systems）
热管利用相变换热将PV模块多余热量传递至冷凝段释放，可提升散热效率。Sachdev等人使用带状管水冷，质量流量0.03 kg/s时面板温度降低22%，η_el和η_ex分别提升20%和17.5%。Sabry等人开发嵌入热管和二次水冷环路，在炎热气候下电气功率提升35.7%，总效率达92.1%。Harmailil等人结合翅片和管道使温度降低14.9%，输出功率增加6.7%。Ali等人混合BIPV/T与粘土热管冷却，峰值温度降低14.7°C，η_el和η_ex分别提升7.8%和8.4%。Kargaran等人使用GO-MXene混合纳米流体3D振荡热管，温度降低超过24°C，η_ex达30.9%。Li等人使用微热管PV/T系统，8% Ag-水纳米流体使功率转换效率提升0.77%，热转换效率提升2.78%。Dhairiyasamy等人使用TiO₂-MWCNT混合纳米流体的环路热管冷却双面PV模块，背面温度降低47.7%，η_el提升20.4%。Ji等人实验创新双冷凝管热管PV/T系统，总效率80.2%，η_th74.3%，η_el7.2%。Yao等人提出年平均值评估方法，系统平均总效率53.75%。Zhang等人发现最佳倾斜角40°，PV功率16.0-19.2 W，效率4.4-5.3%。Han等人使用纳米流体光谱分光器和热管冷却的聚光PV/T系统，瞬时总效率73.20%，日均效率53.66%。Zhang等人测试热管PV/T系统，η_th和η_el分别为45.65%和10.06%。Kumar等人混合PV-HP-TEG-RC系统，温度降低13°C。Yigit等人比较热管和铝翅片，热管冷却效率提升9.28%。热管冷却系统，尤其是结合纳米流体或环路热管，可有效降低温升并改善总效率与电效率。

4.5 PCM冷却PV/T系统的集成（Integration of PCM cooling PV/T system）
PCM或纳米PCM通过潜热储存改善温度调节和废热管理。Kibria等人使用石蜡PCM与混合Al₂O₃和ZnO纳米颗粒，热导率提升41.56%，η_el提升31.46%，η_th分别为47%和51.28%。Kumar等人在北印度气候下PV/T-PCM系统η_el14.32%，η_ex15.59%，η_th53.78%。Bassam等人使用微翅管、扭曲带、水/SiC纳米流体和纳米PCM，η_th83.3%，η_el10.8%，功率比常规PV增加44.5%。Carmona等人集成热能储存，每日η_el增加7.43%，混合PV/T-PCM模块每日效率31.35%。Maghrabie等人使用RT42和RT35石蜡PCM，3 cm PCM厚度下功率提升15.8%。Zohra等人使用两种PCM，η_el提升42.5%。Sopian等人比较不同系统，纳米流体与纳米PCM结合改善热和总效率。Bak?r等人分析储能集成PV/T集热器，在25°、30°、35°坡度下效率分别为73.26%、84.70%和68.96%。Naghdbishi等人使用水-乙二醇基纳米流体和PCM，MWCNT水悬浮液提升电热效率。Fayaz等人验证PV/T-PCM的3D模型，η_el数值13.98%与实验13.87%吻合。Kibria等人进一步证明纳米增强PV/T系统η_th提升17.32%，η_over提升13.82%。Sheik等人使用压扁热管和生物基PCM，η_el提升17.3%，温度降低37.0°C。Salam等人集成RT-35 PCM与翅片和梯形内管，η_el15.982%，η_th82.088%。Din等人使用PCM圆柱体在PV/T双通道空气加热器中稳定空气温度。Cai等人优化RT-35 PCM几何，平均温度降低7.2 K，能量输出增加35.7%。Bhutto等人使用月桂酸PCM增强银和石墨烯纳米颗粒，热导率提升57%，η_el9.42%。Dayer等人集成铜泡沫基体（CFM）与PCM改善导热。Sheikh等人提出多层有机和金属PCM，15:85厚度比使电池温度降低59.6°C，性能提升35.8%。PCM冷却系统结合纳米材料可显著提升η_el和η_th，但需注意PCM的长期降解。

5. ?驱动的性能提升（Exergy-driven performance enhancement in PV/T cooling systems）
?分析评估能量转换的品质。纳米流体辅助和纳米增强PV/T系统通过降低电池温度和改善热提取提升?性能。研究使用数值模拟与响应面法优化电/热?。扭曲带插入物提升总?效率。高浓度PV/T系统结合喷雾冷却和?分析方法。挡板集成存储PV/T系统增强对流换热。混合聚光PV/T-TEG系统评估热力学、环境和经济性能。SnO₂纳米流体冷却PV/T系统结合机器学习实现?改善。表面改性MWCNT增强PCM改善热管理和经济效益。El Alami等人提出直接接触水冷PV/T，轻量低成本，?效率15.96%。Azeez等人发现SiC纳米流体和纳米PCM有效提升能量和?效率。Gu等人证明双面太阳能吸收与选择性光谱管理增加电热产出。Shahsavar和Toghraie实验比较单、混合和三元纳米流体，混合和三元配方优于单一。Mortadi等人分析PV/T驱动三联产结合吸附冷却，?利用增加。?ztürk等人研究V型槽PV/T集热器，纳米增强使?效率从3.03%升至5.42%。Ahmadinejad等人使用正弦翅片和Cu-水纳米流体，总?效率18.08%。Rao等人实验双对称网状流动吸收器，降低熵产生提升?效率。Alsharifi等人使用扭曲带和Ag-水纳米流体，电?效率11.268%，热?效率2.106%。Jasim等人使用Al₂O₃纳米流体闭环系统，?效率从5.01%提升至9.43%。研究表明混合冷却结合几何改进和纳米流体可降低?损失。

6. PV/T系统的应用（PV/T systems applications）
PV/T系统应用于建筑集成（BIPV/T）、电网、电动汽车、漂浮太阳能电站等。BIPV/T系统通过空气冷却降低面板温度并提升性能。冷却通道几何和气流速率影响热效率。PV/T系统需根据目标应用（住宅、商业、农业、医疗等）配置，定向和安装角度影响太阳能吸收。BIPV/T可集成于屋顶、立面、半透明系统与Trombe墙结合。电网连接通过净计量和储能提升稳定性。电动汽车充电站使用PV减少化石燃料依赖，研究显示可减少电网依赖66.7%。漂浮太阳能电站利用自然水冷却，减少蒸发，但需考虑腐蚀问题。运河顶PV系统同样有效。

7. 维护优化与检查规划（Maintenance optimization and inspection planning）
先进维护策略和优化框架可提升PV系统运营效率和可靠性。研究包括运筹模型、随机模型、决策支持系统、智能算法等。维护优化目标是通过预测和预防措施延长寿命、降低成本。动态调度和智能清洁方案基于灰尘积累和气象数据，可提升利润15-34%。资源管理包括备件库存和物流优化，使用马尔可夫链和优化模型指导维护。运输和检查路径规划使用遗传算法和UAV优化，减少停机时间和成本。

8. AI在PV/T系统中的作用（Role of AI for PV/T system）
AI技术支持PV/T系统的设计优化、性能预测、故障诊断和智能控制。主要应用包括能量预测、电网集成、功率电子控制、状态监测和预测维护。AI方法如人工神经网络（ANN）、支持向量机（SVM）、深度学习和异常检测算法实现自动化监控和早期故障识别。AI也用于冷却系统预测和优化，例如ANFIS-PSO结合纳米增强PCM优化热和?性能。AI驱动的冷却策略允许自适应优化，如分区域冷却使η_el从14.85%提升至17.44%。物联网（IoT）和实时监控系统进一步强化能量管理。挑战包括缺乏高质量数据集和传感器准确性，但AI在纳米流体冷却和PCM系统中展现巨大潜力。

（注：第9节比较分析基于先前综述文献，第10节结论已在前文概括，此处未重复详细内容。）