《Next Energy》：Thermal and electrical performance of photovoltaic modules with combined cooling fin and phase change materials
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摘要翻译：光伏（PV）系统在全球清洁能源转型中发挥着关键作用，然而工作温度升高持续降低发电效率、加速组件退化，并限制长期能源产出。被动冷却提供了一种有吸引力的替代方案，因为它无需外部电力且维护需求极低。本研究评估了一种结合铝制冷却翅片与石蜡相变材料（PCM）的
摘要翻译：光伏（PV）系统在全球清洁能源转型中发挥着关键作用，然而工作温度升高持续降低发电效率、加速组件退化，并限制长期能源产出。被动冷却提供了一种有吸引力的替代方案，因为它无需外部电力且维护需求极低。本研究评估了一种结合铝制冷却翅片与石蜡相变材料（PCM）的被动冷却框架的热性能、电性能及技术经济性能。研究在马来西亚一座电站对三块相同的50 W单晶硅光伏组件进行了连续七天的户外测试。配置包括未冷却的参考组件、翅片冷却组件以及翅片–PCM混合组件。研究人员收集了太阳辐照度、组件温度和电功率输出的逐时测量数据，随后基于马来西亚的上网电价（FiT）和净能量计量（NEM）方案进行了寿命周期经济评估。组件3的额外冷却主要归因于石蜡中热质量与显热储存的增加，因为实测工作温度低于其熔化范围（58–60 °C），从而限制了潜热贡献。仅翅片组件使温度降低2.9 °C，功率输出提高3.94%。经济分析表明，PCM集成使单位成本增至0.0384 RM/kWh，在FiT下投资回报率为193.65%，在NEM下为125.60%。本工作的新颖性在于将实验热–电评估与寿命周期技术经济评估相结合，提供了混合翅片–PCM冷却可改善光伏性能的实证证据，同时强调需要更低成本、更长寿命的PCM材料。
论文解读：光伏组件结合冷却翅片与相变材料的热电性能及技术经济研究
研究背景与问题：光伏（PV）系统在清洁能源转型中占据核心地位，但实际运行中组件温度升高导致转换效率下降、材料退化加速并缩短使用寿命。晶体硅组件在标准工作温度25 °C以上每升高1 °C效率损失约0.4–0.5%，而实际安装中组件温度常超过60 °C，功率损失可达25%。主动冷却（如风冷、水冷）虽能有效散热，但需消耗电能，部分抵消额外发电量并降低系统可持续性。被动冷却无需外部能源输入，其中相变材料（PCM）通过熔化时储存潜热、降温时释放热量来调节温度波动；冷却翅片通过增大换热面积增强对流散热。两者集成可提供互补的储热与散热机制。然而，现有研究多将PCM和翅片独立考察，缺乏在波动辐照和实际环境条件下的耦合性能评价；技术经济评估也较少与热性能数据结合；多数研究依赖受控实验室实验，缺乏长期现场耐久性证据。因此，本研究在统一实验框架下综合评估热、电和技术经济性能，弥补上述空白。
研究内容与结论：研究人员在马来西亚Melawa电站（6°5′20″N，116°9′26″E）对三块相同的50 W单晶硅光伏组件进行连续七天（2022年12月13–19日）户外测试。组件1为未冷却参考模块，组件2在背面安装铝制翅片（十根空心铝管焊接于铝条，每根管尺寸25.4 mm×25.4 mm×670 mm），组件3在相同翅片结构中填充石蜡PCM（每管130 g，总PCM体积4.32×10? mm3）。实验期间平均环境温度25.4 °C，平均湿度80.0%，平均风速1.8 m/s。每小时记录太阳辐照度、组件温度、翅片温度和电功率输出，并使用FLIR热像仪分析九个温度点。温度数据经标准差和95%置信区间计算及配对t检验验证（组件3 ΔT?=3.9±0.6 °C，p<0.05）。结果表明，在峰值辐照度930.7 W/m2下，组件3温度最低（37.7 °C），组件2为39.0 °C，参考组件为44.1 °C。平均温度方面，组件3为32.0 °C，热改善11.1%；组件2为33.0 °C，热改善8.1%。由于实测温度低于石蜡熔化范围（58–60 °C），PCM仅以显热方式工作，额外冷却主要源于热质量增加和显热储存。电性能上，组件3平均功率输出28.7 W，较参考组件提高6.88%；组件2为27.9 W，提高3.94%。组件3平均效率9.48%，比参考组件高5.80%；组件2效率9.26%，提高3.29%。技术经济评估采用4 kWp系统，基于马来西亚FiT和NEM方案进行21年分析。组件3总资本成本RM38,000（组件1为RM20,800），因每5年更换PCM，运维成本较高。FiT下组件3 ROI为193.65%，回收期66个月；NEM下ROI为125.60%，回收期204个月。敏感性分析（单因素±30%变化）表明，电价是主导经济因素（ROI变化?62.7个百分点），PCM单位成本和更换间隔影响较小（?约1个百分点），而资本成本差距是组件3经济劣势的结构性原因。该研究的意义在于首次在统一实验框架下结合热–电评估与寿命周期经济分析，证明混合翅片–PCM被动冷却在技术上有效，但当前形式下经济吸引力低于未冷却参考，需降低PCM成本并延长其寿命。
主要关键技术方法：本研究采用户外对比实验方法，设置三种配置（未冷却、翅片冷却、翅片–PCM混合），在马来西亚电站现场连续七天采集辐照度、温度和功率数据。热性能通过FLIR红外热像仪（精度±2 °C）和K型热电偶（精度±1 °C）测量，并采用误差传播（RSS法）和配对t检验进行统计验证。电性能通过功率计和太阳功率计监测辐照度，按公式计算组件效率和相对改善率。技术经济评估基于马来西亚FiT和NEM方案，计算单位成本CPU、投资回报率ROI和回收期，并进行单因素±30%敏感性分析。
研究结果：
3.1 热性能：通过对比三块组件在相同辐照度（峰值930.7 W/m2）下的平均温度，组件3（翅片+PCM）温度最低（平均32.0 °C），热改善11.1%；组件2（仅翅片）平均33.0 °C，改善8.1%。研究表明辐照度对组件温度的影响大于环境温度，且低风速（1.8 m/s）下对流处于混合自由–强迫对流状态。部分相关分析显示，风速与翅片冷却温差正相关（r=0.73，p=0.016），湿度负相关（r=?0.72，p=0.019）。由于石蜡熔化温度（58–60 °C）高于实测组件温度（最高44.1 °C），PCM未发生相变，额外冷却主要来自PCM的显热容量。
3.2 电功率输出：每小时记录功率数据并取平均值，组件3平均功率28.7 W，较组件1（26.8 W）提高6.88%；组件2为27.9 W，提高3.94%。在辐照度低于456.7 W/m2的清晨和傍晚，PCM冷却影响微弱。
3.3 组件效率与性能改善：组件3平均效率9.48%，组件2为9.26%，组件1为8.96%。相对组件1，组件3效率提高5.80%，组件2提高3.29%，PCM额外贡献了2.33%的改善。效率增益在低辐照时段减弱。
3.4 技术经济评估：在FiT方案下，组件3虽总发电量最高（21年157.46 MWh），总收益最高（RM79,632.65），但运维成本高（RM6,043.85）导致净利润仅略高于组件2；CPU为RM0.0384/kWh，高于组件2（RM0.0305）和组件1（RM0.0263）；ROI为193.65%，回收期66个月，低于组件1（ROI 341.18%，33个月）。在NEM方案下，组件3月度节电RM212.44，但ROI仅125.60%，回收期204个月，比组件2（132.87%，192个月）和组件1（225.50%，125个月）差。
3.4.3 敏感性分析：重建技术经济模型后，单因素±30%变化测试显示，电价对ROI影响最大（?约63个百分点），PCM替换间隔和单位成本影响较小（?约1个百分点），运维成本递增率影响最小（?0.3个百分点）。即使PCM零成本且免维护，组件3 ROI仅约为196.8%，仍远低于组件1的342.5%；需将资本成本降低约43.6%至RM21,400才能达到组件1的ROI。
3.5 与文献比较：对比十项相关研究，本研究是少数同时进行热、电和经济评估并包含不确定性量化敏感性分析的工作之一。测得的3.9 °C温度降低低于文献中采用低熔点PCM或纳米增强PCM的报道（如Rao等13.9 °C，Banda等18.86 K），但6.88%的功率增益处于混合翅片–PCM研究的范围内（5.09–17.2%）。
讨论与结论：研究证实整合铝翅片与PCM能有效降低组件温度并提升电输出，但经济可行性受制于高资本成本和PCM更换费用。实测温度未达到PCM熔化范围，因此潜热未激活，所获增益为配置潜力的下限。建议选择与组件实际工作温度匹配的PCM（25–35 °C），增强PCM导热性（复合或纳米增强），优化翅片形状以平衡散热与经济性。局限性包括：仅七天单季测试，未涵盖季风或雾霾条件；PCM未进行循环熔融测试；21年外推未考虑组件退化；未进行火用分析。未来应开展多季长期现场验证、多因素概率敏感性分析及机器学习预测热管理。该研究为工程人员和政策制定者提供了低成本、低碳的光伏被动冷却设计依据，强调在提升热性能的同时需降低制造成本以增强经济竞争力。
