半透明光伏窗中热管冷却集成技术的数值与实验研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Numerical and experimental study of integrating heat pipe cooling in semi-transparent photovoltaic windows

　　

李亚东|郑志航|谢国|陈聪|陈文龙|王文权

中国四川成都610065，四川大学水资源与水电学院，水力与山区河流工程国家重点实验室

摘要

半透明光伏窗兼具发电和透光功能，具有巨大的商业潜力，但在高效冷却和耐用性方面存在挑战。本研究针对钙钛矿半透明光伏窗的特性，提出了一种细管式热管冷却方案。通过实验与仿真评估了该系统的热性能、电性能、透光性能、经济性及使用寿命。在不同环境条件下的实验表明，热管冷却可使太阳能电池的工作温度降低0.8至5.2开尔文。仿真结果与实验数据高度吻合，最大偏差为1.4开尔文，均方根误差为0.76开尔文。通过仿真分析了不同热管配置下太阳能电池的温度分布情况，结果表明减小热管间距比增加热管宽度更能有效降低太阳能电池的温度。对于宽度为0.6米、高度为1.2米的半透明光伏窗，建议采用宽度为8毫米、间距为75毫米的热管。该冷却系统可将室内吸热量从58.8瓦特降至44.9瓦特，同时使平均照度降低约5.05%。从经济性和环境性能分析来看，采用热管冷却可使北京地区的T₈₀使用寿命从10,600小时延长至13,860小时，LCOE成本从0.529美元/千瓦时降至0.493美元/千瓦时，从而提升了半透明光伏窗的商业应用可行性。

引言

在碳达峰、碳中和及可持续发展战略的推动下，人们越来越重视可再生能源[1]。太阳能因其资源丰富、成本低廉且运行时对环境的影响较小，被视为最具前景的可再生能源之一[2]、[3]。然而，传统的光伏电站需要占用大量土地，因此多建于偏远地区，这带来了额外的输电成本[4]、[5]。建筑一体化光伏技术则将光伏组件集成到建筑结构中，利用现有建筑构件作为安装载体，从而减少对土地的需求并降低输电成本[6]、[7]。已有研究表明，建筑一体化光伏是实现零能耗建筑的有效途径，可通过抵消建筑能耗来实现这一目标[8]、[9]。在各类建筑一体化光伏技术中，半透明光伏窗近年来受到了广泛关注[10]。这类窗户既能发电又能透光，尤其在炎热的夏季，能为室内人员提供良好的舒适度[11]。

不过，目前半透明光伏窗设计仍面临散热不良和运行温度过高的问题。已有研究探讨了多种针对半透明光伏窗的热管理方案。Yadav和Hachem-Vermette[12]对比了半透明光伏窗、半透明光伏-空气间隙玻璃窗以及带通风功能的半透明光伏-空气间隙玻璃窗的性能，发现带通风功能的光伏窗可在寒冷天气提供供暖，在炎热天气提供降温效果，同时每天可产生约361瓦时/平方米的电能。Liu等人[13]提出了一种水流驱动型光伏窗，该装置能在正午时将镉碲太阳能电池的温度降低约10摄氏度，整体光伏转换效率可达68.8%。但由于表面对流冷却方式会在冬季造成较大的能量损失，因此并不适用于光伏窗。基于液体的光伏窗系统可通过循环水实现有效的热量排出，但这类系统通常需要额外的液体通道、泵类设备、密封部件以及防泄漏措施。此外，被动辐射冷却涂层、相变材料辅助冷却以及水凝胶冷却技术也被用于建筑一体化光伏领域。Wang等人[11]开发了一种带有被动辐射冷却涂层的半透明光伏窗，该涂层可使建筑的热量吸收率降低约15%，同时使年度发电量增加约3%。Mangherini等人[14]将相变材料集成到半透明光伏窗中，使得太阳能电池的额定工作温度从42摄氏度降至36摄氏度，功率输出提高了11.80%。Yang等人[15]则将水凝胶与被动蒸发冷却技术结合用于镉碲光伏窗，实现了15.5摄氏度的温度下降效果。虽然这些冷却方案提供了不同的冷却途径，但其冷却能力会受到涂层性能、相变温度、储热能力、蒸发条件以及材料长期稳定性等因素的显著影响[16]。目前仍需要一种既能够直接集成到半透明光伏窗中，又能保持良好透光性的紧凑型被动冷却方案。

在光伏窗的太阳能电池上应用热管冷却是一种极具前景的解决方案，这一思路借鉴了此前关于夹层结构中嵌入式热管冷却的研究成果[17]、[18]。光伏电池产生的热量可以通过相变传热从蒸发段传递到冷凝段，无需持续的液体循环或强制通风。在冬季，还可以手动关闭热管冷却系统，从而保证室内的温度舒适度并实现节能的供暖效果[19]。尽管已有研究在建筑一体化光伏外墙及建筑集成式太阳能集热器中探讨过基于热管和夹层结构的冷却系统，但目前大多数研究都是针对不透明光伏组件、太阳能热集热器以及建筑一体化光伏的各个组成部分展开的。例如，Wang等人[20]在1平方米的光伏组件上使用了长度为1200毫米、宽度为8毫米的热管，在太阳辐照度为300瓦特/平方米的情况下，该光伏系统的热转换效率和电转换效率分别达到了44.04%和7.9%。Ali等人[21]则研究了一种热管与蒸发式多孔黏土相结合的冷却系统，实验表明这种混合型的建筑一体化光伏/黏土热管系统可使光伏电池的温度最高降低14.7摄氏度，光伏电转换效率提高7.8%。Liu等人[22]提出了一种嵌入有热管环阵列的金属幕墙组件，该组件既可以作为建筑集成式太阳能集热器为水加热，又能进一步减少热量向室内的传递。不过，将细管式热管集成到半透明光伏窗中仍面临诸多挑战，因此还需要对将热管冷却技术应用于半透明光伏窗的可行性进行深入研究。

本研究提出了一种结合热管冷却系统的半透明光伏窗方案，充分考虑了该窗户的结构特性与功能需求。首先，对冷却系统进行了优化设计，以便为钙钛矿太阳能电池提供高效的冷却效果。通过数值仿真分析了环境温度、风速以及热管的宽度、间距等参数对太阳能电池温度和发电效率的影响，随后通过实验数据对仿真结果进行了验证，以确保模型的准确性。之后，建立了针对不同热管配置的半透明光伏窗性能预测模型，以确定最佳设计方案。此外，还通过基于温度的寿命模型分析了热管冷却技术对延长钙钛矿太阳能电池使用寿命的潜在作用。

内容节选

所提出的半透明光伏窗的工作原理

本研究基于双玻璃结构[23]设计了一种集成热管冷却系统的半透明光伏窗模型，见图1。该结构采用夹层设计，由外层玻璃、钙钛矿太阳能电池层、嵌入式热管以及内层玻璃组成。外层玻璃与内层玻璃之间设有充满氩气的空腔，这一设计能够进一步提升隔热和隔音效果。当该半透明光伏窗在夏季高温环境下运行时

风速对温度的影响

在太阳辐照度为900瓦特/平方米、倾斜角度为30度的稳态运行条件下，研究了两种不同风速（图4(a)和(b)中为0米/秒，图4(c)和(d)中为1米/秒）下太阳能电池的温度分布特征（见图4），其中部分工况下采用了热管冷却（图4(b)和(d)），部分工况下未采用热管冷却（图4(a)和(c)）。实验结果表明，有风环境下太阳能电池的整体温度有所下降，温度最高的区域位于

成本分析

项目的经济可行性是其能否成功实施的关键因素。本研究通过两个核心指标来评估该技术的经济性能：即平准化能源成本（LCOE，见表4）以及经济回报周期[40]。此外，还通过分析该半透明光伏窗在整个使用周期内的碳减排效果，对其环境性能进行了评估。表5中的数据包括了该半透明光伏窗的初始投资成本、能源产出量以及使用寿命等信息。

结论

本研究提出了一种用于半透明光伏窗的热管冷却系统。与现有的泵驱动式冷却系统相比，该系统具有更高的冷却效率以及更好的季节适应性。通过采用细管式热管结构，不仅可以提升太阳能电池的温度均匀性，还能减少入射太阳辐射的遮挡效应。本研究的主要结论如下：

• (1)
  在不同工况下，热管冷却技术都能有效降低钙钛矿太阳能电池的工作温度。

作者贡献说明

李亚东：论文撰写——初稿编写、可视化处理、结果验证、软件应用、方法设计、实验研究。郑志航：可视化处理、结果验证、方法设计、实验研究。谢国：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理工作、概念构思。陈聪：可视化处理、方法设计。陈文龙：论文撰写——审阅与编辑。王文权：方法设计、实验研究。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

资金支持：本项目得到了智能电网国家科技重大专项的支持（项目编号：2024ZD0801800）。