54、共晶在提高太阳能光伏组件效率中的应用

共晶在提高太阳能光伏组件效率中的应用

1. 引言

随着对可再生能源需求的不断增长以及供需之间的巨大差距，人们采取了各种措施来提高现有可再生能源的生产率。太阳能是一种丰富且安全的能源，光伏（PV）电池可将太阳能转化为电能。然而，PV电池升温问题会大幅降低系统的转换效率，因此需要额外的装置来控制PV电池的温度。本文将探讨利用共晶进行PV面板热调节的系统，这是一种简单且经济的被动冷却技术。

光伏和光电效应的概念已经存在了一个多世纪，但由于其电效率会随表面温度高于环境值而降低，目前仍无法大规模实现盈利性应用。PV电池能将分散和集中的（可见光和紫外线）太阳辐射转化为电能，而红外辐射则会转化为热量，导致面板温度升高。面板温度升高会使输出功率、填充因子和转换效率降低，热晶格振动增加。长期在高温下运行会影响面板性能，每升高1°C，电池效率大约下降0.45 - 0.5%，效率还取决于电池材料和技术，从有机PV的10%到多结电池的近45%不等。

为提高PV面板效率，科学家和研究人员尝试了多种技术，如使用太阳跟踪器获取最大日照、定期清洁面板灰尘、采用抗反射涂层等。同时，也有多种冷却技术被报道，包括自然或强制对流（使用空气、水、纳米流体等工作流体）、热管冷却、热电冷却以及应用各种相变材料（PCMs）。PCMs具有高比热容，单位体积的储热和放热能力是显热存储的5 - 14倍。部署PCM需要考虑其热力学、动力学和化学性质，以及成本和可用性。PV模块的首选工作温度为25°C，因此PCM应具有合适的相变温度、高相变潜热和良好的传热性能，其热导率决定了热量的充放过程。

不同冷却技术的实施需要考虑初始成本和维护成本。自然和强制对流使用自然空气循环成本较低，但需要更多空间来维持适当的质量流量，传热系数较低，空气的热容量也很低，如建筑集成PV系统就存在这些问题。而使用空气作为冷却剂的主动冷却系统，由于对流换热系数较高，效果更显著，但存在消耗额外能量和维护成本等缺点。相比之下，PCM在PV系统热管理方面具有很大潜力，本文将重点介绍共晶在热管理中的应用，以提高电转换效率。

2. 太阳能光伏面板温度调节概述

光伏模块的电功率转换效率受温度影响很大，研究人员提出了多种冷却方案来降低模块温度，这些技术可分为显热存储、热化学存储和潜热存储类型，且有主动和被动两种应用方式。其中，潜热储能系统因其紧凑性和相变过程中的温度稳定性，被认为是最有用和有前景的选择，全球研究人员已证实其能有效降低面板温度。

2.1 主动冷却技术

主动冷却技术需要额外的动力来维持PV面板上方或下方的流体流动，涉及风扇或泵等外部动力源，通过流体流动增加热传递。这种技术适用于太阳能辐射较高且稳定的情况，以确保主动冷却后太阳能面板增加的效率大于冷却系统的能量需求。近年来，基于空气、水和纳米流体的主动冷却技术得到了广泛研究。
- 空气冷却 ：在模块背面设置平行风道以维持空气流动，可将电效率从无冷却时的8.6%提高到12.5%；强制冷却空气系统可使系统功率输出增加8%。
- 水冷却 ：水具有良好的热传输性能，更适合作为主动冷却的工作流体。通过泵使水在PV面板的顶面或背面流动，在固定流量为0.48 kg/s的情况下，实验进行5分钟并间隔15分钟，水在前面板流动的冷却速率可达2°C/min。
- 纳米流体冷却 ：为进一步提高热传递效率，可使用基于氧化物的纳米流体代替基础流体。纳米流体具有比基础流体更高的热容量、改善的热导率、对流换热系数和粘度等特性。例如，在马来西亚的气候条件下，使用Al₂O₃ - 水纳米流体冷却单晶硅PV/T面板，在流量为0.2 L/s、纳米流体浓度为0.3%、辐射强度为1000 W/m²的条件下照射24分钟，面板温度从79.1°C降至42.2°C，系统电效率提高到12.1%，热效率达到34.4%。此外，使用氧化铜 - 水纳米流体（CuO/H₂O）与水进行对比实验，在恒定层流流量为0.01 kg/s的情况下，发现纳米流体冷却的热效率提高到45.76%，使用纳米流体有和无玻璃覆盖时的最大电效率分别为6.18%和7.62%，但在相同条件下，纳米流体冷却的电效率低于普通水冷却，而热效率更高。同时，一些先进材料如碳纳米管（CNTs）、光谱可定制的多颗粒纳米流体过滤器等也被应用于冷却技术中。

2.2 被动冷却技术

被动冷却技术不需要外部电源来从PV面板提取热量，热量从面板散发到周围环境。具有高导热性的金属如铜和铝，可通过有无鳍片的方式来增强向周围环境的热传递。以下是几种常见的被动冷却方式：
- 空气基被动冷却 ：将导热油脂应用于带有铝鳍片的PV电池，并与无散热片的PV电池进行对比，采用被动冷却技术可实现9%的相对电效率提升。当入射输入日照分别为200、400、600和800 W/m²时，输出功率分别提高8%、27%、46%和65%。在日照为800 W/m²时，最大冷却效果可达25.2%，进而使功率输出提高约20%，改善了性能。但该系统的主要缺点是PV电池温度波动较大，在高峰时段面板温度也会变得很高。
- 水基被动冷却 ：利用螺旋缠绕的棉芯结构浸入水中产生的毛细效应，可将单晶硅PV模块的背面温度降低约20°C，相当于在实验期间温度降低了约30%。由于空气和水的热性能较低，在炎热地区用水从面板传递热量更有效，但在水资源有限的地方不建议使用。
- 相变材料基被动冷却 ：相变过程中，热量在恒定温度下吸收或释放。PCM附着在面板下方，初始时面板和PCM温度较低，低于PCM的相变温度。当面板温度升高时，PCM温度也会相应升高并从面板吸收热量。当PCM达到熔点时，开始熔化并逐渐吸收热量，完全熔化后，PCM温度继续升高。相变时间取决于PCM的体积、热性能和化学结构。PCM层的厚度对冷却效果有显著影响，过厚或过薄都会降低PV - PCM系统的传热效率，面板后面PCM的最佳厚度应为3.9 - 5.3 cm，以保持PV在较低温度。此外，PCM的密度也会影响其在低温下的凝固过程，特别是在夜间。实验表明，高密度PCM的顶层在白天熔化后会以显热的形式消耗热量，导致底层部分熔化或未熔化，从而增加热阻并影响顶层在夜间的凝固。因此，在将PCM应用于PV面板之前，应优化其尺寸和厚度。例如，将0.01 m厚的有机石蜡基RT - 22和0.015 m厚的石油基地蜡分别附着在不同的PV面板上，这种系统被证明效率较低。

2.3 常见共晶材料及其特性

共晶是由多种物质按固定比例混合而成的混合物，其熔点和凝固点低于各组分的熔点或凝固点。熔点低于30°C的共晶最适合用于SPV冷却。在结晶过程中，各物质会顺利相变，形成组分晶体的混合物而不发生偏析。共晶可分为有机 - 有机混合物、无机 - 无机混合物和有机 - 无机混合物三类。以下是一些适合用于太阳能光伏面板冷却的共晶材料及其特性：
| PCM | 组成（重量%） | 熔点/凝固点（°C） | 潜热（kJ/kg） | 热导率（W/mK） |
| — | — | — | — | — |
| 癸酸 - 月桂酸 [51] | - | 20.6 | 179.0L
188.0S | 0.139
0.143 |
| 癸酸 - 棕榈酸 [51, 52] | - | 22.4 | 195.0 | 0.143 |
| C₁₄H₂₈O₂ + C₁₀H₂₀O₂ [10] | 34 + 66 | 24 | 147.7 | – |
| CaCl₂ + MgCl₂·6H₂O [10] | 50 + 50 | 25 | 95 | – |
| CH₃CONH₂ + NH₂CONH₂ [10] | 50 + 50 | 27 | 163 | – |
| Ca(NO₃)·4H₂O + Mg(NO₃)₃·6H₂O [10] | 47 + 53 | 30 | 136 | – |
| CH₃COONa·3H₂O + NH₂CONH₂ [10] | 40 + 60 | 30 | 200.5 | – |
| 癸酸 [12] | - | 27 - 32 °C | 152.7 | 0.372S
0.153L |

注：L = 液态，S = 固态

2.4 结果与讨论

Hasan等人使用四种不同的散热器与PV面板连接，研究不同类型PCM的性能，并在两种不同气候条件下评估了电效率和热效率。由于气候条件的原因，该系统在爱尔兰不经济，但在巴基斯坦具有经济性。他们对癸酸 - 棕榈酸共晶混合物进行了实验，该混合物包含75.2%重量的98%纯癸酸和24.8%重量的98%纯棕榈酸，结果表明峰值温度降低了12°C，并进行了经济分析。

2.5 结论

基于共晶的光伏系统是一种高效且有前景的冷却解决方案。冷却技术大致可分为主动和被动冷却技术，进一步细分为基于空气、水和纳米流体的冷却技术。本文旨在概述利用各种现有冷却技术的研究工作，然后重点介绍PCM冷却技术，特别是共晶在PV面板温度调节中的应用。

无机PCM具有比有机PCM更高的热导率、不可燃性、高单位体积潜热和成本效益，但存在稳定性问题，可能会分解、脱水或发生相分离，还可能具有腐蚀性，通常需要成核剂和增稠剂来防止过冷和相分离。从经济角度来看，这种设置的优势尚未得到充分证明。未来，需要进一步研究和优化共晶材料的应用，以提高PV系统的效率和经济性。

综上所述，共晶在太阳能光伏面板的热管理中具有很大的潜力，但仍需要解决一些技术和经济问题，以实现其大规模应用。通过不断的研究和创新，有望开发出更高效、更经济的冷却技术，提高太阳能光伏系统的性能和可持续性。

3. 共晶在光伏系统中的优势与挑战分析

3.1 共晶的优势

• 温度调节性能 ：共晶能够在较低的温度下熔化和凝固，这使其非常适合用于太阳能光伏面板的冷却。当面板温度升高时，共晶可以吸收热量并发生相变，有效地将面板温度控制在一个合理的范围内，从而提高光伏系统的电转换效率。例如，癸酸 - 棕榈酸共晶混合物的实验表明，它可以使面板的峰值温度降低12°C。
• 成本效益 ：相比于一些复杂的主动冷却技术，使用共晶进行被动冷却通常不需要额外的能源消耗和复杂的设备维护，因此具有较低的成本。而且，一些常见的共晶材料来源广泛，价格相对较低，进一步降低了应用成本。
• 稳定性和可靠性 ：在合适的条件下，共晶的相变过程相对稳定，能够在多次循环中保持其性能。这使得基于共晶的冷却系统具有较高的可靠性，减少了因冷却系统故障而导致的光伏系统性能下降的风险。

3.2 共晶面临的挑战

• 材料稳定性问题 ：如前文所述，无机共晶可能存在分解、脱水或相分离等问题，这会影响其长期使用性能。例如，在高温或高湿度环境下，某些共晶材料可能会发生化学反应，导致其相变性能下降。
• 热导率限制 ：虽然一些共晶材料具有一定的热导率，但与金属等高效导热材料相比，其热传递速度仍然较慢。这可能会导致在快速升温的情况下，共晶不能及时吸收和传递热量，从而影响冷却效果。
• 优化设计难度 ：要实现共晶在光伏系统中的最佳应用效果，需要对共晶的种类、比例、厚度以及与光伏面板的结合方式等进行优化设计。然而，由于不同的光伏系统和应用环境存在差异，这增加了优化设计的难度。

4. 共晶应用的操作步骤与建议

4.1 共晶材料的选择

• 根据工作温度选择 ：首先要考虑光伏系统的工作温度范围，选择熔点和凝固点适合该温度范围的共晶材料。一般来说，熔点低于30°C的共晶更适合用于SPV冷却。
• 考虑材料特性 ：评估共晶材料的潜热、热导率、化学稳定性等特性。较高的潜热意味着能够吸收更多的热量，而良好的热导率可以提高热传递效率。同时，要确保材料具有较好的化学稳定性，避免在使用过程中发生分解或反应。
• 参考已有研究和经验 ：可以参考相关的研究文献和实际应用案例，了解不同共晶材料在光伏系统中的性能表现，从而做出更合适的选择。

4.2 共晶系统的设计与安装

• 确定共晶层厚度 ：根据光伏面板的尺寸、功率和工作环境等因素，确定共晶层的最佳厚度。一般来说，面板后面PCM的最佳厚度应为3.9 - 5.3 cm，但具体数值还需要通过实验和模拟来确定。
• 优化结构设计 ：设计合理的共晶与光伏面板的结合结构，确保热量能够有效地从面板传递到共晶材料中。例如，可以采用导热油脂或其他导热介质来增强热传递。
• 安装注意事项 ：在安装共晶系统时，要确保共晶材料均匀分布，避免出现局部过热或过冷的情况。同时，要注意密封和防潮，防止共晶材料受到外界环境的影响。

4.3 系统的监测与维护

• 温度监测 ：安装温度传感器，实时监测光伏面板和共晶材料的温度，以便及时发现温度异常情况并采取相应的措施。
• 性能评估 ：定期对光伏系统的电效率和热效率进行评估，了解共晶冷却系统的性能变化。如果发现性能下降，要及时分析原因并进行调整。
• 材料更换 ：根据共晶材料的使用寿命和性能变化情况，定期更换共晶材料，以确保冷却系统的长期稳定运行。

5. 未来发展趋势与展望

5.1 材料研发方向

• 新型共晶材料的开发 ：研究人员将继续探索新型的共晶材料，以提高其热性能和稳定性。例如，通过混合不同的有机和无机化合物，开发出具有更高潜热和热导率的共晶材料。
• 纳米技术的应用 ：将纳米技术引入共晶材料的制备中，有望改善其热传递性能。纳米颗粒可以增加共晶材料的比表面积，提高热导率和传热效率。

5.2 系统集成与优化

• 与其他技术的结合 ：未来的光伏系统可能会将共晶冷却技术与其他冷却技术（如热管冷却、热电冷却等）相结合，以实现更高效的冷却效果。同时，还可以将共晶冷却系统与光伏系统的其他部件（如逆变器、电池等）进行集成设计，提高整个系统的性能和可靠性。
• 智能化控制 ：利用传感器和智能控制系统，实现对共晶冷却系统的实时监测和优化控制。根据光伏系统的实际运行情况和环境条件，自动调整共晶的相变过程，提高冷却效率和能源利用效率。

5.3 应用领域拓展

• 大规模光伏电站 ：随着共晶冷却技术的不断发展和成熟，它有望在大规模光伏电站中得到广泛应用。通过降低光伏面板的温度，提高电站的发电效率和稳定性，从而降低发电成本。
• 建筑一体化光伏 ：在建筑一体化光伏系统中，共晶冷却技术可以与建筑结构相结合，实现美观与实用的统一。例如，将共晶材料集成到建筑外墙或屋顶的光伏面板中，既可以提高光伏系统的性能，又可以为建筑提供一定的隔热和保温效果。

6. 总结

共晶在提高太阳能光伏组件效率方面具有显著的潜力。通过合理选择共晶材料、优化系统设计和加强系统维护，可以有效地降低光伏面板的温度，提高电转换效率。然而，目前共晶应用还面临着一些挑战，如材料稳定性、热导率限制等，需要进一步的研究和创新来解决。

未来，随着材料科学和技术的不断发展，共晶冷却技术有望在光伏领域得到更广泛的应用和发展。通过与其他技术的结合和系统的智能化控制，将能够实现更高效、更经济的太阳能光伏系统，为可再生能源的发展做出更大的贡献。

以下是一个简单的mermaid流程图，展示了共晶在光伏系统中的应用流程：

graph LR
    A[选择共晶材料] --> B[设计共晶系统]
    B --> C[安装共晶系统]
    C --> D[监测系统温度]
    D --> E{温度是否异常}
    E -- 是 --> F[分析原因并调整]
    E -- 否 --> G[定期评估系统性能]
    G --> H{性能是否下降}
    H -- 是 --> F
    H -- 否 --> I[定期更换共晶材料]
    I --> D

这个流程图清晰地展示了从共晶材料选择到系统维护的整个过程，强调了持续监测和优化的重要性。通过遵循这些步骤，可以确保共晶在光伏系统中的有效应用，提高系统的效率和可靠性。