基于含有相变材料的纳米流体的光伏/热能系统的实验研究

《Solar Energy》：Experimental investigation of a photovoltaic/thermal system utilizing nanofluids incorporated with phase change materials

　　•将PCM与水冷系统结合使用，可使光伏组件的温度降低约5.08°C。•在热性能和电性能方面，MgO纳米流体均优于ZnO纳米流体。•将纳米颗粒浓度从0.01%提升至0.05%，可提高发电量。•这种纳米流体与PCM相结合的系统，其整体效率可达50.17%。

引言
全球能源需求正以惊人的速度增长，预计到2030年，能源需求将比2006年高出44%[1]。与此同时，能源需求还受到环境问题以及化石燃料使用的影响。化石燃料的使用所带来的环境问题，促使人们更加迫切地寻求可持续的可再生能源技术。太阳能光伏系统因其环保优势、不断下降的成本以及技术的发展，已成为太阳能领域中最可靠、最清洁的可持续发电技术[2][3]。传统光伏系统的最大缺点是，其效率会随着工作温度的升高而下降。每上升1摄氏度，光伏系统的电气效率就会下降0.4–0.5%[4][5][6]。这一升温问题会导致光伏组件温度升高，在正常条件下温度可达到60–80°C，这不仅会大幅降低发电量，还会降低组件的耐用性，并使能量转换效率略有下降[7][8][9]。为了解决这一问题，人们开发出了光热光伏系统。除了能够产生热能和电能外，光热光伏系统还能在光伏电池工作时为其提供冷却功能[10][11][12]。1978年，Kern和Russell首次提出了在单一装置中同时实现光能和热能转换的理念。如今，这项先进技术能够实现超过60–80%的综合电效率和热效率，这一数值远远高于通常只有15–20%电效率的独立光伏系统[12][13][14][15]。根据先前的研究，光热光伏系统在整体能源效率方面有着显著的优势。有些研究甚至表明，与传统光伏系统相比，其热效率可提高多达100%，而电气效率则可提升约25%[16][17]。在光伏系统中引入冷却系统，不仅能提高电气效率，还能回收利用废弃的热能，这些热能可用于多种用途，如家庭热水供应、空间供暖、海水淡化以及工业流程中的加热[15]。

纳米技术的应用极大地提升了光热光伏系统中的热管理性能，其中纳米流体的发展起到了重要作用。纳米流体是由尺寸通常在1到100纳米之间的微小颗粒均匀悬浮在水等常见基础液体中所构成的悬浮液[18][19]。这类新型传热流体相较于其基础液体具有更好的热物理特性，比如更高的热导率、更好的对流传热系数以及不同的粘度特性，因此非常适合用于光热光伏系统。例如，Hussein[20]指出，与传统冷却剂相比，纳米流体可使热导率提高40%，而对流传热系数则可提高120%。这些研究结果清楚地表明，光热光伏系统的性能可以得到极大提升。除了热物理特性之外，纳米流体的效果还取决于诸多其他因素，如纳米颗粒的浓度、大小、形状、材料类型、基础液体的性质、制备工艺以及长期稳定性[21]。不过，所有这些参数都需要针对具体应用进行精确优化。

由于金属氧化物纳米流体具有优异的热性能、化学稳定性和成本效益，因此成为众多光热光伏应用研究中的重点对象[22]。Sardarabadi等人[23]使用了氧化铝纳米流体，发现0.2重量百分比的氧化铝纳米流体可使光伏电池的温度降低19%，同时提高其电气效率。Ibrahim等人[24]对氧化铝纳米流体进行了评估，认为其具有很大的应用潜力，与传统系统相比，其电气效率可提高16.55%，而电池温度则可降低25°C。Diwania等人[8]通过实验比较了铜基和氧化铝基纳米流体作为光热光伏系统冷却剂的性能。他们的研究发现，铜基纳米流体的性能优于氧化铝基纳米流体，其平均热效率和电气效率分别约为5.23%和4.98%。此外，基于碳纳米管的纳米流体也是光热光伏系统热管理技术方面的又一重要进展。多壁碳纳米管因其极高的热导率而备受关注，单根碳纳米管的热导率可能高达3000瓦/米·开尔文或更高[25]。Abdallah等人[26]在户外实验中研究了多壁碳纳米管与水混合而成的纳米流体在光热光伏系统中的应用，他们发现这种纳米流体的平均效率可达61.23%，它能使电气效率提高20%以上，性能优于传统的冷水冷却方式。通过在恒定流量为1.2升/分钟的情况下，逐步改变多壁碳纳米管的浓度，从0%变为0.3体积百分比，他们发现0.075体积百分比的多壁碳纳米管浓度是实现系统最高效率的最佳值。

Kazem等人[27]也使用了不同重量百分比的单壁碳纳米管纳米流体进行实验，他们发现，使用这类纳米流体后，光热光伏系统的电气效率可比传统系统高出约25.2%。由于混合纳米流体的出现，热管理技术领域正在发生显著变化。例如，将氧化锌纳米颗粒与多壁碳纳米管结合在基于水的纳米流体中，就展现出了巨大的潜力。Sharaby等人[28]的研究表明，与仅采用冷水冷却的模块相比，使用多壁碳纳米管/氧化锌-水混合纳米流体可使电气效率提高16.8%。这种混合纳米流体的热效率可达51.3%，而纯冷水冷却系统的热效率仅为45.5%，由此可见其在热性能方面的显著优势。这种混合纳米流体方案不仅提高了效率，还大幅降低了光伏组件的工作温度，使其温度降低了14.9°C。与未经冷却的系统相比，该方案还使得系统的熵产生降低了3.5%，能量效率则提高了7%。

将PCM与纳米流体冷却技术相结合，是光热光伏系统热管理领域的一项重大进步。通过结合PCM的储热功能与纳米流体的高效传热能力，这种混合配置能够更好地控制温度，提升系统的稳定性。Hosseinzadeh等人[29]对包含PCM的纳米流体基光热光伏系统进行了详细的能量分析，他们认为，这种组合方式能够显著提升系统的性能、热稳定性以及能源利用效率。他们的研究结果表明，将纳米流体与PCM结合使用，相比单独使用任何一种冷却技术，都能实现更好的温度调控效果，同时还具备更出色的日间能量存储和释放功能。纳米增强型PCM通过将纳米颗粒直接融入相变材料基质中，克服了传统PCM热导率较低的缺陷。Al-Waeli等人[30]对将纳米颗粒融入光热光伏系统中的相变材料所产生的影响进行了深入研究。他们的研究发现，系统的峰值效率可提升至近13.7%，这一数值远高于使用传统太阳能电池板时通常所达到的7.1%的效率。Tian和Cui[31]则对目前采用不同纳米材料的光伏/热电模块的发展状况进行了综述，他们认为，通过优化热管设计以及纳米流体的浓度，系统的整体效率可达到85–90%。不过，大多数研究都只是单独探讨了被动冷却技术或仅使用纳米流体的主动冷却技术，而没有将这两种策略与PCM集成在一起。最近，Hassan等人[32]发现，在基于水的光热光伏系统中使用微型封装的PCM颗粒，能够显著提升系统的热量管理性能。这类含有胶囊的系统在充电和放电模式下都能表现出良好的性能，因此有望成为提升热管理效果的优质方案。

现代热管理系统，如建筑一体化光热光伏系统、集中式光热光伏模块以及混合系统，都展现了纳米流体强化热管理技术的多功能性和可扩展性。Xu和Kleinstreuer[33]等研究人员探讨了采用基于水的纳米流体进行冷却的高性能光热光伏结构。他们发现，增加纳米颗粒的数量不仅可以提升电气效率，还能减少熵损失。Hosseinzadeh等人[29]以0.2重量百分比的氧化锌/水纳米流体作为工作介质，对基于纳米流体的光热光伏/PCM系统进行了能量和?分析，他们发现，引入PCM后，系统的热能利用率可提升约29.6%。

与此同时，Elmir等人[34]通过计算模拟研究了水中不同比例的氧化铝对光热光伏系统性能的影响，氧化铝的比例范围从0%到10%。当氧化铝的比例为10%时，系统的传热速率可提升约27%。最近，科学家们还开始尝试使用含有不同类型纳米颗粒的混合纳米流体。例如，Akram等人[35]在二维光热光伏系统中测试了含有二氧化钛和银颗粒的水基纳米流体，他们发现，使用这类纳米流体后，光伏单元的效率可提升6%。研究中还对雷诺数、圆柱体的旋转速度以及银颗粒的浓度等因素进行了优化。Kazem等人[36]则研究了在阿曼的索哈尔地区使用碳化硅纳米流体与乙二醇水溶液混合后的光热光伏纳米流体的应用情况。他们对比了两种类似的光热光伏系统与传统光伏系统在产热和发电方面的性能，发现基于水的系统可使温度降低3.92%，而使用纳米流体的光热光伏系统则可使温度降低15.26%。此外，Murtadha等人[37]还使用了二氧化钛纳米流体来提升双通道循环光热光伏系统的冷却性能。他们在实验中使用了五块光伏面板，分别测试了1%、2%和3%重量百分比的二氧化钛纳米流体冷却效果，这些效果均优于传统的水冷方式。与单独使用光伏面板相比，使用二氧化钛纳米流体冷却时，光伏面板的温度下降了明显的幅度。在3%重量百分比的二氧化钛纳米流体冷却条件下，温度下降的最大幅度为8.6°C。这些研究结果表明，使用纳米流体能够显著提升光伏系统的热性能。Safan等人[38]研究了将ZnO-MgO/水-乙二醇混合纳米流体作为光伏系统的光谱过滤器的可能性，他们发现，与参考光伏面板相比，使用这种纳米流体可使光伏系统的电气效率平均提升28%，冷却效果则提升26%。

为了寻找性能更好的技术，Ali等人[39]运用层次分析法对多种光伏技术进行了评估，这些技术包括独立的光伏装置、纯水冷却、二氧化钛纳米流体冷却、氧化铝纳米流体冷却以及氧化锌纳米流体冷却，评估指标涵盖了能源、?、经济性和环境因素等多个方面。他们的研究结果表明，光伏冷却技术能够提升能源转换效率，进而提高电气效率。在减少二氧化碳排放、效率以及系统可靠性方面，氧化锌纳米流体光伏/热电系统的表现优于其他技术。此外，Abdulhamid等人[40]通过实验研究了浓度分别为0.01%、0.03%和0.05%的氧化镁和氧化锌水基纳米流体对多晶光伏太阳能板の被动冷却效果。他们发现，氧化镁和氧化锌纳米流体分别可使光伏面板的温度降低20.72%和15.80%，而在0.05%的浓度下，光伏面板的电气效率可分别提升20.90%和21.65%，这些提升效果均优于未经冷却的光伏面板。

Arifin等人[41]通过研究采用二氧化钛、氧化铝和氧化锌纳米流体作为冷却介质的冷却系统，探索了在太阳能集热器中创造性地利用纳米流体来提升其效率的方法。他们的研究结果显示，氧化锌纳米流体的整体性能最佳，它能使集热器的表面温度降低15°C，电气输出功率提升4.7%，热产出效率则为25.4%。在另一项实验研究中，Emara等人[42]研究了在光热光伏冷却系统中使用氧化铝-水基纳米流体的效果，旨在提升光伏组件的性能。他们在实验中设置了不同重量百分比（0.05–0.4%）和不同流量（0.8、1.2和1.6升/分钟）的纳米流体，并考察了是否添加PCM对系统性能的影响。研究结果表明，在0.4%浓度下，将PCM与纳米流体结合使用，可显著降低光伏组件的温度，并提升其电气输出功率。在流量为1.6升/分钟的情况下，该系统的整体效率达到了最高的82.7%。

综上所述，目前关于将PCM作为储热材料与纳米流体作为冷却剂结合使用，共同应用于光伏电池的系统研究还相对较少。据我们所知，目前尚无研究探讨在埃及炎热的气候条件下，将含有不同浓度MgO和ZnO纳米流体的有机石蜡基相变材料用于光伏热系统中的应用情况。尽管各种类型的纳米流体已被广泛应用于不同的光伏冷却方案中，但确定合适的纳米颗粒浓度仍是一个重大挑战，尤其是在引入相变材料之后。此外，大多数研究都使用纯水作为纳米流体的载体，而没有考虑其他类型的载体。为克服这些限制，本研究通过实验分析了在不同载体和纳米流体作为冷却剂的情况下，光伏热模块的性能表现，这些冷却剂在铜管内循环，而铜管周围则包裹着相变材料层，以此提升光伏系统的性能并释放更多热量。在埃及开罗的不同环境条件下，本研究采用RT35型石蜡作为相变材料，结合不同比例（0.01%、0.03%和0.05%）的MgO和ZnO纳米颗粒，以水或50:50的水与乙二醇混合物作为冷却介质。同时，以1.6 LPM的流量输送冷却剂，研究了所设计模块的每日热性能、电性能以及光伏面板表面温度的变化情况。

方法部分
实验的目的是系统地评估载体流体成分、相变材料整合方式、纳米流体类型以及纳米颗粒浓度对光伏热模块热性能和电性能的影响。为确保所有配置之间的准确比较，我们在相同的户外条件下同时对三块20瓦特的单晶光伏板进行了测试。根据初步测试和文献综述，确定了相应的流量参数。

结果与讨论
本研究探讨了在不同体积分数下，将基于MgO和ZnO的纳米流体作为冷却剂用于光伏板下方的铜管中，并由相变材料包围时的效果。同时，将这些纳米流体冷却的光伏模块与仅用水冷却的传统光伏模块进行了对比。本部分分为三个小节，第一节介绍天气数据，第二节展示性能变化情况。

结论
本研究在埃及开罗的特定气候条件下，通过实验评估了采用纳米流体和相变材料混合系统的光伏/热模块的热效率和电效率。研究中使用了不同纳米颗粒体积分数（0.01%、0.03%和0.05%）的MgO和ZnO纳米流体，载体流体则为水或50:50的水与乙二醇混合物。光伏热系统中使用的热能存储介质为……

作者贡献说明
M. Gamal：撰写原始稿件、方法设计、实验研究、正式分析、概念构建。Ibrahem Mohamed：撰写文本审核与编辑、数据可视化、概念构建。M.Abd El-Hamid：撰写文本审核与编辑、数据可视化、方法设计、实验研究。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

M. Gamal | Ibrahem Mohamed | M.Abd El-Hamid