基于相变材料的光伏热管理系统研究进展

2019-10-12伍森怡

制冷 2019年3期

伍森怡

（华南理工大学化学与化工学院，广州 510640）

作为太阳能的一种有效利用方式，随着成本的降低，光伏发电受到了广泛的关注［1］。然而光伏（PV）板在实际应用中，仅15%-20%的太阳能转化为电能，其余以热能形式散失［2］。这些热量将导致PV板温度升高，从而影响其光电转化效率。当高于正常工作温度25 ℃时，光伏板效率降低0.4%-0.65%·K-1［3］。若温度不能及时控制，将可能导致永久性结构损坏，缩短使用寿命［4］。因此，良好的热管理系统对PV板至关重要，以保证PV系统较高的工作效率。

光伏板冷却技术可分为主动冷却与被动冷却。主动冷却，包括强制风冷［5］，水冷却［6］等，通过风扇或泵输送传热流体带走PV板热量，进而达到热管理的效果。然而主动冷却需要添加额外复杂的设备，且消耗更多的能源。相比之下，使用相变材料（PCM）的被动冷却更具高效率和温度分布均匀性［7］。Huang等人［8］尝试将PCM应用于PV板的热管理系统中，通过PCM的较大潜热相变来吸收热量，从而缓解PV板温度上升速率。在750 W·m-2日照和20 ℃环境温度下，成功使PV板前表面温度保持在33 ℃以下达150分钟。他们的进一步实验与模拟研究［9-13］已经证明PV-PCM系统具有良好的温度控制性能和不同程度的效率提升。然而，PV-PCM热管理系统仍处于开始阶段，许多问题尚不明确，为进一步研究提供了机会。

本文基于相变材料探讨了光伏板热管理系统的研究现状。本文将从相变材料的选择、封装，以及导热增强回顾近年来的研究现状。还探讨了PV-PCM一维、二维、三维数值模型。最后，就目前的研究，分析了PV-PCM热管理系统在后续研究中可能的研究方向。

1 PV-PCM系统的研究

1.1 PV-PCM的选择

1.1.1 PV-PCM类型选择

相变材料按组成成分分类，可分为：有机、无机、低共熔化合物［14］。有机相变材料性能稳定、无腐蚀，因此得到广泛应用，其代表性材料为石蜡。据报道，大多数研究首选石蜡基PCM用于PV的热管理系统［15］。然而石蜡基PCM导热系数仅0.2 W·（m-1· K-1）左右，较低的热导率不利于PV板热调节，因此研究者们将重心放在如何提高石蜡热导率及装置结构上。相比之下，水合盐存在过冷、相分离、腐蚀性等固有缺陷限制其在光伏板中的应用，仅有少数研究采用水合盐相变材料。如表1所示，目前用于冷却光伏板所采用的水合盐有CaCl2·6H2O和Na2S O4· 10H2O，但这些研究均没有涉及如何解决水合盐的缺陷。若能解决水合盐过冷相分离等问题，高导热、低成本的水合盐相变材料具有比石蜡更好的应用前景。

表1 用于冷却光伏板的水合盐相变材料

1.1.2 PV-PCM熔点选择

光伏板性能测试温度为25 ℃，但理论上光伏板工作温度越低，性能可能越好。但对于目前为止，仍没有准确规定PCM的熔点选择。首先，熔点不能太高，否则光伏板性能会随温度升高而显著降低。其次，熔点也不能太低，以至于还没有吸收光伏板热量就已经吸收周围环境热量而提前熔化，失去冷却效果。此外，凝固点不能太低，且基本无过冷，以保证PCM在夜间能够完全凝固。因此，光伏板性能以及PCM熔点的选择受环境温度影响较大，应通过不同使用地区的气候条件选择不同熔点的PCM。Smith等［22］使用一维数值模型，以1.5 °*1.5°经纬度划分全球网格区域，测量光伏板电输出的绝对和相对增量来分析全球范围内PCM冷却光伏板的潜力。对于非洲，中东，南亚，澳大利亚和南美洲等大部分热带炎热气候地区，使用PCM的最佳熔化温度超过30 ℃。且总体趋势是环境温度越高的地区，其PCM的贡献值越明显。此外，Hasan等人［23］基于夏季的平均夜间温度和冬季的平均PV温度来大致确定PCM熔点。如阿联酋6月的平均夜间温度为34 ℃，12月白天的平均PV温度为46 ℃。因此选择熔点为42 ℃的PCM。

1.2 PV-PCM的封装

为解决固液相变材料的泄露问题，PCM必须加以封装。在PV-PCM热管理系统中，最常见的封装方式是直接将PCM封装在高导热的铝制容器中［24-28］，以及其他宏观封装方式，如封装在由聚合物复合膜组成的袋中［29］，简单的塑料袋封装［30］等。铝制容器不仅导热系数高，且固定容易，与光伏板很好地相贴合。除此之外，高导热的多孔基吸附材料-膨胀石墨也被用于封装PCM进而用于光伏板冷却［31，32］。膨胀石墨的引入，不仅能封装PCM使其不泄露，还能增强其导热系数，且能通过压块等方式使其形成与光伏板背面相贴合的块体材料。在微封装方面，Ho等［33，34］通过将PCM微胶囊化，并附着到光伏板的背面以形成漂浮在水面上的MEPCM-PV模块。总之，PV-PCM的封装多种多样，但是对于多孔基材料封装以及微胶囊封装研究较少，可加强这一方面的研究。

1.3 PV-PCM的导热增强

PV-PCM的导热增强不仅有助于PV-PCM系统的热管理效果，还能保证其温度均匀性［15，35］。因此，有必要通过某些途径来增强热传递，以确保PCM能快速有效地吸收PV 板热量，进而达到降温效果。本小节将从PCM本身以及PV-PCM装置两方面进行强化传热。

1.3.1 PCM自身导热增强

常用的相变材料-石蜡较低的导热系数不利于光伏板散热，因此，采用高热导率的PCM显得格外重要。首先，可考虑改用较高热导率的水合盐作为PV-PCM热管理材料［16］。此外，添加额外高导热材料，如金属纳米粒子，碳基材料等可进一步提升PCM热导率［36］。Zarma等［19］通过数值模拟对比了不同负载量的Al2O3，CuO和SiO2纳米颗粒对聚光PV-PCM性能的影响。随着负载量的增加，PCM-纳米颗粒导热系数也逐渐增强，进而显着提高了温度均匀性，减少了局部温度过热，提高了电效率。且较高导热的PCM-纳米Al2O3表现出最佳性能。Nada等人［37］实验研究了添加Al2O3纳米颗粒增强PCM和PCM对PV 集成系统的热调节和效率增强的影响。相比于参考PV板，无添加纳米粒子的PV-PCM系统电效率提高了5.7%，而纳米Al2O3的添加，使其效率提高了13.2%。Hachem等［26］通过与PCM混合10 wt%石墨和20 wt%铜，总热导率从0.18提高至92 W·（m-1·K-1），光伏板表面温度进一步降低约20 ℃，且温度波动大大降低。Atkin等［31］以及Luo等［32］利用膨胀石墨吸附封装PCM，不仅达到封装解决泄露问题的效果，还进一步提高复合相变材料的热导率，提高光伏板效率。

1.3.2 PV-PCM装置改善

尽管PCM封装在高导热铝制容器中，外部传热速率快，但其内部均被PCM所填满，导热依然较低。因此，有研究者［38，39］在铝制容器内部添加翅片，以增强PCM和PV板之间的热传递。如图1（a）所示，Huang等［13］将两种不同熔点PCM（RT27-RT21）填充在内置三角形、圆形翅片的铝制容器中，将PV板维持在接近其25 ℃正常工作温度，且三角形翅片表现出更好的性能。此外，他们团队还研究了内置垂直鳍片的PV-PCM系统［12］，如图1（c）所示，同时探究了在内置垂直鳍片的情况下，PCM的熔化结晶过程［8，9］，如图1（d）～（e）所示。研究发现不同翅片厚度、长度、间距直接影响着PCM的熔化与结晶，以及容器内部液态PCM的对流效应，进而影响光伏板效率。图1（b）为添加外置翅片散热器，结合PCM协同散热，散热效果得到进一步提高［31］。尽管内置翅片可以改善装置热传递及温度均匀性，但同时也带来液态PCM对流障碍，减少熔化后PCM中的对流传热。此外，金属翅片所带来的重量增加也是不可忽视的。以及由于PCM熔化过程中在翅片底下有可能会形成气泡，增加不必要的热阻，这是不利的。总之，对PV-PCM装置的改善研究还需进一步探索。

图1 PV-PCM装置改善

2 PV-PCM系统的数值模型

除了进行实验研究，数值模型也被用于光伏板的研究中。当仅考虑PCM内单一方向热传递，可采用一维数值模型分析其系统性能［40，41］。Kibria等［42］应用有限差分法对能量平衡方程进行离散化，同时采用全隐式方案对PCM模块中的热平衡进行离散化，研究了三种不同熔融温度的PCM性能影响。Atkin等［31］模拟分析添加外置翅片对系统性能的影响。Aelenei等［43］实验与数值结合分析了建筑一体化PV-PCM系统。一维数值模型虽可较为准确地分析，但其忽略了容器内部液态PCM的对流传热，因此，二维模型也得以应用［44，45］。Biwole等人［46］将热量和模拟传质在一个集成系统中，并加入到在Navier-Stokes动量守恒方程的体积力方程进行建模。Huang等［8］通过流体动力学共轭的2D有限体积传热模型改进模型以求解Navier-Stokes和能量方程。Khanna等［47］研究了PV-PCM系统的倾斜角度对PCM熔化速率的影响，发现随着倾斜度的增加，熔化速率增加。为充分考虑其他影响因素，建立三维数值模型研究PV-PCM系统。Huang等［11］考虑了PCM容器侧壁所带来的热损失。而Ho等人［48］提出了三维热模型但却没有考虑对流PCM内部能量流动，考虑了外部和内部周围环境，太阳辐射，PCM容器厚度以及PCM的熔点的影响。