《Materials Today Sustainability》：Energy evaluation of photovoltaic thermal system integrated with bamboo shell biochar and expanded graphite hybrid particles enhanced phase change material: Passive and active approach
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当前能源使用量的激增已导致传统能源的过度消耗，并引发了诸多环境挑战。采用太阳能等可再生能源是应对环境挑战的最直接途径之一，其可通过光伏（PV）模块转化为电能。光伏半导体材料利用电子吸收光子并产生电能。然而，能量高于带隙能量的光子在光伏电池中会转化为热量而非电能
当前能源使用量的激增已导致传统能源的过度消耗，并引发了诸多环境挑战。采用太阳能等可再生能源是应对环境挑战的最直接途径之一，其可通过光伏（PV）模块转化为电能。光伏半导体材料利用电子吸收光子并产生电能。然而，能量高于带隙能量的光子在光伏电池中会转化为热量而非电能，该热量显著影响光伏效率及运行使用寿命。由于制造商通常评估25°C条件下的电池效率，而实际运行温度会升高，光伏过热会加速光伏模块老化，并导致温度每升高1°C即产生0.4%至0.65%的功率亏损。
为将光伏板温度维持在最可行的低水平，研究人员采用了多种技术。热工程中常用的热管理解决方案通过强化对流和传导换热速率来实现，这些技术通常分为主动冷却、被动冷却和混合冷却三类。主要的主动冷却方法采用水或纳米流体用于光伏热（PVT）系统，以收集光伏电能并耗散光伏板产生的热量。然而，此类技术具有即时性，在夜间无法使用，且单一的主动热系统不足以耗散光伏系统产生的大量热量。另一方面，采用相变材料（PCMs）的被动光伏热解决方案可吸收光伏模块的多余热量并将其以潜热形式储存；当外界温度降至相变温度以下时，PCM将储存的热量释放到环境中，这有助于将光伏系统温度维持在可接受范围内。此外，被动系统比主动系统更便宜且更易安装，因为其自主运行，无需额外能源或维护。然而，PCM的低传热特性削弱了其充放电能力；当PCM在光伏系统内完全熔化时，其效率降低；此外，PCM与光伏系统集成时还存在泄漏问题。研究表明，封装在铝袋中的PCM在数周后趋于泄漏。在PCM中加入纳米颗粒可缓解低导热率问题，但这些纳米颗粒的高成本和PCM潜热储存容量的降低构成明显制约。
为解决上述问题，研究人员聚焦于主动和被动系统的混合组合研究。然而，对文献的批判性分析表明，利用如生物废料衍生材料等低成本颗粒及其混合组合来改进热物理性能并应用于光伏实施方面存在研究空白。此外，将颗粒掺入PCM通常会牺牲基础PCM的潜热焓。需要研究在保证PCM潜热的前提下，将新颖且廉价的颗粒掺入PCM。同时，在带PCM的水循环光伏背面吸热器中，PCM泄漏问题依然存在。以往研究中，PCM通常借助铝袋封装于光伏系统中，可能导致泄漏问题。因此，具有防漏特性的PCM集成背面吸热器设计仍是待解决的挑战性问题。
本研究考察了一种新型的、用于光伏系统的创新性丙烯酸板防漏背面吸热器概念。此外，文献中多数研究集中于采用昂贵纳米颗粒（如炭黑、石墨烯、多壁碳纳米管等）的纳米增强PCM光伏应用。然而，研究生物废料衍生颗粒（如竹壳）和低成本膨胀石墨（EG）颗粒的化学、热和光学特性并将其用于光伏集成PCM应用具有巨大潜力。因此，研究竹壳颗粒与PCM在具有成本效益颗粒混合集成中的热性能至关重要。基于定制PCM基本特性的动机，本研究致力于为热能储存（TES）和光伏应用创造创新的月桂酸PCM混合颗粒。此外，以往纳米增强PCM研究虽改善了热物理性能，却导致了潜热焓的降低。而本研究采用PCM中的混合颗粒，在不牺牲基础PCM潜热焓的前提下增强热物理特性。同时，密封的丙烯酸覆盖吸热器可解决PCM用于光伏系统集成时的泄漏问题。本工作的新颖之处在于合成了生物废料竹壳颗粒，并将其与EG颗粒以混合组合形式用于月桂酸PCM集成。据研究人员所知，竹壳及混合颗粒此前既未与月桂酸PCM联合评估，也未应用于光伏系统。此外，带吸热器/PCM结构的机械密封丙烯酸盖板凸显了本研究的贡献。因此，本研究旨在合成生物废料竹壳颗粒，并将其与廉价的EG以混合形式集成到PCM中，以获得更优的热物理性能；同时评估混合颗粒增强PCM（HePCM）的导热率、光吸收率、形貌评价、热稳定性和化学稳定性，确保不牺牲潜热焓。进一步地，将PCM和HePCM集成至光伏系统，在PCM背面设置蛇形流道水循环铜管，以主动/被动模式运行。研究评估了6种光伏系统的热和电特性：简单PV、PV-PCM（被动）、PV-HePCM（被动）、PVT（主动）、PVT-PCM（主动）和PVT-HePCM（主动），以比较各系统的能量性能。该研究进而推动了联合国可持续发展目标7（清洁且可负担的能源）和13（气候行动）的实现。
研究背景与问题
随着全球能源需求持续攀升，传统化石能源的过度开采与消耗引发了严重的环境问题。太阳能作为最具潜力的可再生能源之一，其开发利用受到广泛关注。光伏（PV）技术通过半导体材料的光生伏特效应将太阳能直接转化为电能，然而光伏电池在工作过程中存在一个固有的物理限制：高于带隙能量的光子会转化为热量而非电能，导致电池温度显著升高。由于光伏电池的转换效率与温度呈负相关，温度每升高1°C，输出功率将损失0.4%至0.65%，同时加速组件老化，缩短使用寿命。尽管制造商通常在25°C标准条件下标定组件效率，但实际运行中电池温度往往远高于此值，造成显著的能量损失。因此，有效的热管理策略对于提升光伏系统综合性能至关重要。
现有光伏热管理技术主要分为主动冷却、被动冷却及两者结合的混合冷却三类。主动冷却技术（如PVT系统）利用水或纳米流体循环带走热量，可实现光伏发电与余热回收的双重功能，但其依赖外部能量输入且在夜间无法运行。被动冷却技术（如相变材料（PCM）集成）凭借潜热储存特性可有效抑制电池温升，且无需额外能耗，然而PCM固有的低导热系数严重制约了其充放热速率；当PCM完全熔化后，其对光伏面板的热缓冲作用丧失，甚至可能发生反向传热；此外，PCM在反复相变循环中的泄漏问题亦不容忽视。在PCM中添加纳米颗粒（如碳黑、石墨烯、碳纳米管等）虽可提升导热性能，但其高昂成本和潜热焓的损失限制了实际应用。因此，开发新型、低成本且不损害PCM潜热性能的导热增强填料，并设计可靠的防漏封装结构，是推动PCM在光伏热管理中应用的关键课题。
研究目标与方法
本研究旨在开发一种基于生物废料衍生竹壳（BS）颗粒与低成本膨胀石墨（EG）颗粒的混合填料体系，将其掺入月桂酸相变材料中制备混合颗粒增强PCM（HePCM），并结合主动与被动冷却技术构建高效光伏热（PVT）系统。实验材料方面，月桂酸PCM购自Sigma Aldrich，BS颗粒由马来西亚双威大学纳米材料与能源技术研究中心以竹壳生物废料经管式炉碳化（900°C，6小时）和球磨（尺寸缩减至512 nm）制备，EG颗粒由鳞片石墨在900°C管式炉中膨化制得。通过两步法制备了多种质量分数配比的复合PCM样品，其中最优配方为0.5 wt.% BS和1 wt.% EG（编号LB0.5-E1）。采用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）表征复合材料形貌与元素组成；利用热常数分析仪测量导热系数；通过紫外-可见分光光度法（UV-Vis）评估光透过率与吸收率；借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学稳定性；差示扫描量热法（DSC）测定相变温度和潜热焓；热重分析（TGA）评价热稳定性。经过1000次加速热循环以验证材料耐久性。实验系统方面，搭建了100 W单晶硅光伏面板测试平台，设计了蛇形铜管水循环背部吸热器，并以亚克力板配合硅橡胶密封层进行机械压紧密封以防止PCM泄漏。室内模拟太阳光源辐照度为500、630和800 W·m?2，水流量为0.2和0.3 LPM。对比研究了六种系统构型：简单PV、PV-PCM（被动）、PV-HePCM（被动）、PVT（主动）、PVT-PCM（主动）和PVT-HePCM（主动）的能量性能。
主要研究结果
形态与成分分析（3.1节）：SEM观察显示，实验制备的EG呈现蠕虫状蓬松多孔结构，BS表现为不规则粗糙颗粒，而HePCM复合材料呈现包含BS、EG和月桂酸的非均匀复合结构。EDS分析确认碳（C）为主要元素峰，同时存在少量钠（Na）、硫（S）、氧（O），归因于分散剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）的引入。该结果表明材料制备工艺可行且成分符合预期。
热物理性能评估（3.2节）：导热系数测试表明，单独添加0.5 wt.% BS可使月桂酸导热系数提升至0.253 W·m?1·K?1，而BS与EG的混合添加（LB0.5-E1配方）实现了81%的最大导热系数增强，归因于混合颗粒在PCM基体内构建了高效导热网络。FTIR分析显示复合材料特征峰与基体PCM一致，未产生新峰，表明化学稳定性良好。UV-Vis测试表明，LB0.5-E1复合材料的光透过率相较于纯PCM降低了84.97%，增强了光吸收能力。DSC分析表明该复合材料熔融潜热焓为197 J·g?1，高于纯月桂酸的192 J·g?1，突破了以往添加颗粒导致潜热下降的瓶颈。TGA实验显示复合材料在135°C以下无质量损失，最终降解温度为235°C，热稳定性良好。
热循环可靠性分析（3.3节）：经过1000次热循环后，复合材料化学结构保持稳定，FTIR谱图无显著变化。光透过率从12.79%略增至17.4%，归因于热循环过程中的颗粒团聚和沉降。熔融潜热焓从197 J·g?1分别降至500次循环后的190 J·g?1和1000次循环后的187 J·g?1，降幅有限。热降解温度略有降低，整体性能衰减处于可接受范围，证明复合材料具有优良的长期服役稳定性。
被动模式光伏性能（3.4节）：在500、630和800 W·m?2辐照度下，简单PV表面最高温度分别为75、82和90.5°C；PV-PCM系统降至64、69.5和72.5°C；PV-HePCM系统进一步降至60、64和74°C。PV-HePCM在500和630 W·m?2下分别实现15°C和18°C的最大降温幅度。在800 W·m?2高辐照下，PV-HePCM在测试后期因复合材料完全熔化发生反向传热，温度略高于PV-PCM。电气性能方面，PV-HePCM在500 W·m?2下达到12.6%的最大电效率，相较于简单PV系统的11.94%提升了5.53%。
主动模式光伏热性能（3.5节）：主动冷却模式下，0.3 LPM流量时的冷却效果优于0.2 LPM。在800 W·m?2及0.3 LPM条件下，PVT、PVT-PCM和PVT-HePCM表面温度分别降至68.5、63.6和60.7°C，PVT-HePCM实现约29.5°C的最大温降。热效率方面，PVT-HePCM在500 W·m?2和0.3 LPM条件下达到79.6%的最大热效率，高于PVT-PCM的78.4%和PVT的75.15%。值得注意的是，虽然PVT-HePCM的热效率最高，但其出水温度（37.5°C）略低于PVT系统（42°C），这是因为部分热量被储存于PCM中而非直接传递给循环水，该热量可以延长放热时间。电气性能方面，PVT-HePCM在500 W·m?2和0.3 LPM下实现了13.3%的最高电效率，相较于简单PV系统的11.94%提升了11.38%；最大输出功率为51.6 W（800 W·m?2，0.3 LPM），比简单PV系统高出10.97%。综合能量效率方面，PVT-HePCM在500 W·m?2和0.3 LPM条件下达到92.9%的最大总效率。
结论与展望
研究结论总结如下：本研究成功利用马来西亚竹壳生物废料合成了尺寸为512 nm的碳化竹壳颗粒，并将鳞片石墨高效转化为低密度膨胀石墨。0.5 wt.% BS和1 wt.% EG的混合配方（LB0.5-E1）使月桂酸PCM导热系数提升81%，同时保持了197 J·g?1的高潜热焓（高于纯月桂酸的192 J·g?1），光透过率降低84.97%。该复合材料经过1000次热循环后仍保持化学和热稳定性，仅呈现轻微性能衰减。被动模式下，PV-HePCM系统的最高电效率为12.6%（500 W·m?2），较简单PV提高5.53%。主动模式下，PVT-HePCM系统在800 W·m?2和0.3 LPM条件下实现约29.5°C的最大温降；在500 W·m?2和0.3 LPM条件下获得13.3%的最高电效率（较简单PV提升11.38%）以及79.6%的最大热效率和92.9%的综合能量效率。该研究提出的被动—主动混合热管理策略显著提升了光伏系统的电效率和热能回收能力，延长了组件使用寿命，并可提供即时热水用于生活需求，为高性能、低成本的光伏热管理提供了新途径。Saidur等研究人员的贡献包括概念构思、监督、审核与编辑；Bhutto负责原稿撰写、调查和数据处理；Pandey负责审核、编辑和经费获取。
