Energy Conversion and Management
能量转换与管理
第 255 卷,2022 年 3 月 1 日,115278
Review 评论Pathways toward high-efficiency solar photovoltaic thermal management for electrical, thermal and combined generation applications: A critical review
为电力、热能和联合发电应用实现高效太阳能光伏热管理的途径:重要综述
Highlights 亮点
- • -Diverse thermal management solutions for photovoltaic applications are reviewed.
回顾了光伏应用的各种热管理解决方案。 - • -Technical characteristics, design and operational aspects and challenges are presented.
介绍了技术特点、设计和运行方面的问题和挑战。 - • -Emphasis is placed on recent approaches based on novel radiative and nanofluid cooling.
重点是基于新型辐射冷却和纳米流体冷却的最新方法。 - • -Insights are provided on effective hybrid techniques in various solar applications.
对各种太阳能应用中的有效混合技术进行了深入探讨。 - • -Comparative analyses, challenges and future research directions are also provided.
还提供了比较分析、挑战和未来研究方向。
Abstract 摘要
光伏(PV)电池板将部分入射太阳辐射转化为电能,剩余的能量(>70%)大部分转化为热能。这些热能滞留在电池板内,反过来又会增加电池板的温度,降低输出功率和电气效率。要获得高效太阳能光伏发电,有效的热管理系统至关重要。本文全面综述了应用于光伏技术的热管理解决方案的最新研究成果。研究旨在从设计方法和概念、操作方法和其他提高性能的技术等方面介绍各种拟议的解决方案和替代方案,并对其相关的挑战和机遇进行评述。报告介绍了主动和被动热管理解决方案,并对其进行了详细分类和讨论,同时还介绍了为提高光伏电池板性能而开展的大量实验工作的结果。文章讨论了利用空气、水、热管、相变材料和/或纳米颗粒悬浮液(纳米流体)作为热交换介质的辐射和对流传热原理的方法,并总结了这些方法的独特之处、优点、缺点和可能的应用。特别是使用冷却剂捕获光伏板废热以提供额外有用热输出的光伏-热(PV-T)混合集热器,该技术在提供高效太阳能转换方面具有广阔的发展前景。 这篇文章可作为研究界、开发商、制造商、工业家和政策制定者在设计、制造、应用和推广高性能光伏技术和系统方面的指南。
Keywords 关键词
主动冷却冷却技术能效提升纳米流体被动冷却光变材料光伏 PV-T 冷却热管理
Nomenclature 术语
- a-Si
- Amorphous silicon 非晶硅
- AF
- Aluminium foam 泡沫铝
- ANP
- Analytical network process
分析网络流程 - BIPV
- Building-integrated PV systems
光伏建筑一体化系统 - CdTe 碲化镉
- Cadmium telluride 碲化镉
- CFD 差价合约
- Computational fluid mechanics
计算流体力学 - CIGS 铜铟镓硒
- CPV
- Concentrated photovoltaic collectors
聚光光伏集热器 - CPVT
- Concentrated hybrid PV and thermal
集中式混合光伏和热能 - DC
- Direct Current 直流电
- DPP 人民党
- Discounted payback period
贴现回收期 - DSC
- GaAs 砷化镓
- Gallium arsenide 砷化镓
- HTF
- IR
- Infrared radiation 红外线辐射
- LCOE
- MAT
- Maximum attainable temperature
可达到的最高温度 - MEPCM
- Microencapsulated PCM 微胶囊 PCM
- PCM
- PDMS
- PV
- PV-T
- PV-thermal 光伏-热
- Si
- S-CCHP
- Solar combined cooling, heating and power system
太阳能冷热电三联供系统 - SEM
- TEC 技术电子学委员会
- Thermoelectric cooler 热电冷却器
- THM
- Temperature history method
温度历史法 - TMS
- Thin metal sheet 薄金属板
Abbreviations 缩略语
- A
- Solar cell area 太阳能电池面积
- Eg0
- Bandgap 带隙
- FF
- Fill factor 填充系数
- G
- Solar irradiance 太阳辐照度
- Gc
- Generation rate of carriers
载体生成率 - I0 我 0
- Reverse saturation current
反向饱和电流 - IL 我 L
- Photogenerated current 光生电流
- Imax 我 max
- Maximum value of the current
电流的最大值 - IPV 我 PV
- Current of PV cells 光伏电池的电流
- Isc 我 sc
- Short circuit current 短路电流
- k
- Ln
- Diffusion lengths of electrons
电子的扩散长度 - Lp
- Diffusion lengths of holes
孔的扩散长度 - n
- Pmax
- Maximum power produced by solar panel
太阳能电池板产生的最大功率 - q
- Element charge 元件电荷
- T
- Operating temperature 工作温度
- Tref
- Reference temperature 参考温度
- V
- Output voltage 输出电压
- Vmax
- Maximum value of the voltage
电压最大值 - Voc
- Open-circuit voltage 开路电压
Symbols 符号
- β
- Temperature coefficient of PV cell
光伏电池的温度系数 - γ
- Irradiance coefficient 辐照度系数
- ηel 的 el
- Electrical efficiency 电气效率
- ηref 的 ref
- Electrical efficiency at the reference temperature
参考温度下的电效率 - λ
- Wavelength 波长
Greek 希腊文
1. Introduction 1.导言
能源是一种不可或缺的资源,与人类、经济和社会发展以及人类赋权密切相关。能源通常可大致分为传统形式和替代形式(包括可再生形式)[1]。目前,世界能源需求的大部分是由化石燃料和核能等不可再生资源满足的[2]、[3]、[4]、[5],尽管可再生能源的应用仍在加速。不可再生资源的主要特点是数量有限,而且其补充速度大大低于其利用或消耗速度。以巨大的消耗速度持续使用这些资源,会给持续的能源安全和环境影响带来严重风险。因此,世界各地的各种利益相关者(如研究人员、科学家、公司、组织、决策者、政府)都在努力提高可再生能源的普及率,以满足全球日益增长的各种形式的能源需求 [6]、[7]、[8]、[9]、[10]。可以说,在所有可再生能源中,太阳能是最丰富、最广泛、最有希望满足全球能源需求的能源[11]、[12]、[13]。
两种主要的太阳能技术是太阳能集热器和光伏(PV)电池板。太阳能集热器将太阳辐射转化为有用的热能,通常是通过使用一种导热流体,当流体通过集热器时,其温度(也就是焓)会升高。另一方面,光伏板通过光伏效应将落在其表面的太阳辐射直接转化为电能。通常,商用太阳能光伏板的效率约为 10 % 到 23 % [14]、[15]、[16]。最广泛使用的光伏电池板以硅(Si)电池为基础,可分为三种类型:单晶、多晶和非晶。最近,硅异质结电池以及薄膜技术(如碲化镉、铜铟镓硒)也进入了市场 [17],[18]。
在光伏电池板中,能量大于带隙能的光子支持光伏效应,通过这种效应产生电力,但剩余的光子能量大部分转化为热量,导致电池温度升高。这种温度上升反过来又会对开路电压(V oc )、填充因子和输出功率产生不利影响,从而最终降低电池板的电气效率。除了当地的太阳辐照度之外,影响太阳能电池工作温度的常见因素还包括风速、环境温度和相对湿度等气候条件,以及电池板上的积尘等因素。在这种情况下,任何能够通过去除一些不需要的或积累的热能来冷却光伏电池板的解决方案都会引起人们的兴趣,因为这可以降低电池温度,提高电能效率,并防止电池温度上升和昼夜周期性热循环对电池板造成不可逆转的损坏。
多年来,人们提出、开发并测试了各种专门针对光伏电池板冷却的热管理方法,市场上也出现了一些采用此类解决方案的商业产品。这些热管理方法可分为主动和被动两种。前者依靠强制对流传热,而属于后者的方法则依靠自由对流、传导和/或辐射传热控制。
在对文献中与该领域相关的研究进行调查时,可以发现一些全面而翔实的综述。例如,Siecker 等人[19] 综述了各种混合冷却技术,涵盖的技术包括:(i) 浮动跟踪集中冷却系统,(ii) 由散热器冷却的光伏热电系统,(iii) 集成了相变材料 (PCM) 的光伏面板,(iv) 通过浸入冷却冷却的光伏面板,(v) 具有透明涂层的光伏面板,(vi) 通过喷水冷却的混合光伏热电 (PV-T) 系统,以及 (vii) 通过强制流体循环冷却的 PV-T 系统。这篇综述对这些冷却技术进行了深入探讨,但并未涵盖所有可用技术,例如纳米流体、热管冷却或辐射方法的潜在应用,以及对其热性能和电性能的介绍。此外,Maleki 等人[20] 和 Hasanuzzaman 等人[21] 概述了可用于调节光伏面板温度的主动和被动冷却技术,并认为被动技术更适合小规模实施,而主动技术由于增加了成本和额外的电力要求,在商业规模系统中更有用。
Velmurugan 等人[22]对 PCM 类型和使用 PCM 的被动冷却进行了全面综述,Muhammad Ali [23]阐明了光伏冷却的最新进展,特别是 PCM 系统的整体进展,而 Sargunanathan 等人[24]则对一系列冷却概念进行了广泛综述,如热管冷却、液体浸入冷却以及通过水流过光伏面板前表面或通过在面板后侧集成空气/水/翅冷却系统进行主动冷却。他们分析了这些方法对降低光伏板工作温度的作用。Kandeal 等人[25] 综述了光伏性能提升技术的最新进展,作者特别关注了基于对流、传导和辐射的冷却技术。Bahaidarah 等人[26]和 Hamzat 等人[27]也概述了不同的热管理方法,主要依赖于以下几种方法的应用:(i) 热管,(ii) 微通道,(iii) 液体浸入,(iv) 散热器,(v) 喷射流和 (vi) PCM。
上述综述包含了有关此类解决方案及其发展的非常有趣的信息,但是,它们并没有涵盖更多最新的研究课题,包括纳米液体冷却的使用、辐射热管理方法和新型设计,以及光伏-太阳能混合集热器领域的最新发展,其中也涉及从光伏电池中去除热能。这为全面回顾光伏热管理方法留下了文献空白。
在此背景下,本文全面回顾了旨在提高光伏电池板效率的热管理技术。本文涉及的主要方面包括
- • -Discussion of the effect of temperature on PV cell/panel performance.
讨论温度对光伏电池/电池板性能的影响。 - • -Summary of thermal management techniques.
热管理技术摘要。 - • -Overview, where relevant, of key implementation, operational and performance characteristics.
在相关情况下,概述主要的实施、运行和绩效特点。 - • -Consideration of the advantages and disadvantages of each approach or solution.
考虑每种方法或解决方案的优缺点。 - • -Discussion of the application of each technology based on its characteristics and limitations.
根据每种技术的特点和局限性讨论其应用。 - • -Outlook of important research gaps and future research directions.
重要研究空白和未来研究方向展望。
要进行全面审查,需要大量数据。本综述中介绍和总结的信息既来自学术文献,即经专家同行评审的知名期刊或书籍中的文章,也来自灰色文献,其中包括报告(技术或其他)、官方网站(如政府网站、私营部门和其他非政府组织)上的信息、白皮书和许多知名资料来源。起初,我们通过在 Elsevier、IEEE、MDPI 等知名期刊出版平台上进行关键词搜索来开展文献调查。结果发现有 3000 多篇文章包含所需的关键词。第二步是 "标题筛选",特别考虑了与本综述核心主题相关的预选文章的标题,约有 1260 项研究。通过审查摘要,对每篇研究的主题和重点进行了估计,并根据新颖性、明确的目标、方法、高影响力等要求,在 "摘要筛选 "步骤中进行了进一步筛选。经过这一步骤,共确定了 388 篇文章,并对其内容所采用的方法、主要发现和概念讨论的质量进行了调查。最终筛选出最合适的 239 项研究,其中 212 项研究为原创研究文章,其余 27 项研究为综述。
2. Motivation for thermal management
2.热管理的动机
太阳能光伏电池板的有用电力输出主要取决于入射辐射和电池板的电气效率。光伏电池板的电气效率在很大程度上取决于其温度。具体来说,温度每升高一度,硅电池板的效率就会下降 0.2 % 到 0.5 %,这一点已被许多研究人员证实 [28]、[29]、[30]、[31]。此外,电池板的输出功率还会随其他大气条件(如太阳辐照度、风速、云层覆盖率和相对湿度以及材料成分)的变化而变化 [32]。在聚光光伏(CPV)集热器中,光伏电池的工作温度远高于平板光伏系统,这反过来又大大缩短了 CPV 面板的使用寿命。在这些系统中,无论电池类型如何,冷却对于降低电池温度和提高整体性能都至关重要。
在太阳能转化为电能的过程中,(废)热的产生会使光伏电池的温度升高。这会降低光伏电池价带和导带之间的间隙,从而使开路电压(V oc )降低约 2 mV/°C [33]、[34]、[35] 和填充因子,同时也会使短路电流(I sc )略有增加。由于相对于 I sc 的增加,V oc 明显下降,光伏电池板的总体输出功率(取决于两者的倍数)也随之下降。除效率下降外,较高的工作温度还会导致光伏电池退化,从而影响其有效寿命。
由于持续暴露在阳光下,光伏电池板内的热能会不断积累,从而导致电气性能下降。光伏电池的等效电路如图 1 所示,可用于描述这种劣化[36]。

Fig. 1. Equivalent electrical circuit of a PV cell.
图 1.光伏电池的等效电路。
参照图 1,单结太阳能电池中的电流 I PV 由 [37] 给出: 其中 I 0 是二极管对应的反向饱和电流,q 是元件电荷,V PV 是太阳能电池的输出电压,n 是表意系数,k 是玻尔兹曼常数,T 是工作温度。光生电流的计算公式为 I L = A∙q∙G c ∙(L n + L p ),其中 A 是太阳能电池面积,G c 是载流子的产生率,L n 和 L p 分别是电子和空穴的扩散长度。
此外,电池的开路电压 V oc 为 [38]: (2) 其中,T 0 为参考温度,E g0 为带隙,开路电压的温度依赖性在此直接显现。V oc 随温度的变化可以用 [39] 来描述: (3) 其中 T 0 = 300 K,E g0 = 1.1 eV,V oc = 0.55 V,通常用于硅电池。V oc 随着电池温度的升高而降低,在 25 °C 时,dV oc /dT 的系数为 -2.45 mV/K[39]。
太阳能电池的填充因子 FF 是根据输出电压和电流的最大值 V max 和 I max 以及开路电压 V oc 和短路电流 I sc 确定的 [14]: (4)
这样,分子中的最大功率 P max 由 [14] 给出: (5)
由于填充因子 FF 和开路电压 V oc 取决于电池温度,因此输出功率也受温度影响。因此,光伏电池的电效率可通过表达式 [40] 计算得出: (6) 其中,β = -0.0045 K −1 是硅电池的典型温度系数,T ref = 25 °C 是标准测试条件下的参考温度,η ref 是温度为 25 °C 和太阳辐照度为 1000 W/m 2 时的电池参考效率,γ = 0.085 是辐照度系数,G 是太阳辐照度。不同太阳能电池技术的典型温度系数范围如图 2 所示。对于大多数太阳能电池板来说,除了非晶硅(a-Si)具有非单调行为外,观察到的电效率下降与电池的温度升高呈线性关系。

Fig. 2. Variation of normalised efficiency of different PV technologies with temperature [41].
图 2.不同光伏技术的归一化效率随温度的变化 [41]。
最后,光伏效率还可以通过以下方式与最大功率输出 P max 联系起来: (7)
Chander 等人[42] 通过将电池温度从 25 °C 变为 60 °C 以及将光照强度从 215 W/m 2 变为 515 W/m 2 ,研究了单晶硅光伏电池板的性能。结果表明,温度系数对开路电压、填充因子和最大电输出有负面影响,而对短路电流有正面影响。Jiang 等人[43] 研究了温度和辐照强度变化对光伏性能的影响,发现温度越高,光伏电池板的输出功率越小。图 3 显示了在不同环境温度下测量的光伏板的 I-V 特性。不过,可以通过采用热管理技术来控制光伏板的温度。

Fig. 3. I-V characteristics of a PV panel over a range of ambient temperatures [43].
图 3.环境温度范围内光伏电池板的 I-V 特性 [43]。
3. Convective thermal management approaches
3.对流热管理方法
光伏电池板的对流热管理技术可分为两类:主动式和被动式 [44], [45]。主动式方法由于使用泵和/或风扇来循环导热液体或冷却剂,通过(最常见的)强制对流带走热量而消耗能源,而被动式方法主要依靠自然对流、毛细管流动等过程,不需要额外的能源就能实现相同的目标,即带走光伏板上的热量。在任何情况下,在传统光伏电池板和系统上采用任何解决方案都会增加复杂性和成本,因此有必要确保这些复杂性和成本大大超过其带来的性能优势。如果不能确保这一点,就没有理由实际实施解决方案。图 4 显示了对流光伏冷却方法的分类。下文将讨论不同的主动对流冷却方法在提高独立太阳能光伏板效率方面的效果。为便于查阅,还以表格形式提供了调查摘要。

Fig. 4. Classification of convective PV thermal management methods, focussing on cooling.
图 4.对流光伏热管理方法的分类,侧重于冷却。
3.1. Active thermal management
3.1.主动热管理
主动热管理的目的几乎都是利用泵/风扇循环空气或水冷却光伏板。由于主动热管理需要消耗电能,因此成本比被动冷却高,但通常比被动冷却技术性能更好。
3.1.1. Air cooling 3.1.1.空气冷却
空气冷却因其可用性、简便性和低成本而成为最直接、最简单的光伏板冷却方式之一。Teo 等人[46]在实验中研究了光伏板的冷却技术,该技术包括连接到光伏板下表面的平行空气管道阵列,以主动冷却光伏板。为了提高热传导率,空气管道上连接了散热片,并使用鼓风机从周围抽取空气和控制空气流速。研究中还包括第二块不带冷却装置的光伏电池板,以便进行比较。研究发现,0.055 千克/秒的空气流速可有效降低面板温度。结果显示,当太阳辐照度为 1000 W/m 2 时,温度从 68 °C (无冷却的参考面板)降至 38 °C。此外,还观察到电池板的效率显著提高(提高了 50%),从无冷却时的 8% 至 9% 提高到有冷却时的 12% 至 14%。Farhana 等人[47]在实验中使用了无刷直流风扇,采用进气/出气歧管设计,以获得恒定的气流。该冷却系统由安装在光伏板下的铝和连接到散热器上的直流无刷风扇组成。风扇的气流带走光伏板上的热量,并将热量传递到散热器上,从而促进热量向周围传递。通过这种方法,作者证明与没有冷却装置的面板相比,面板温度降低了 40%。
Syafiqah 等人[48]通过计算研究了在后表面使用直流无刷风扇以六种不同速度冷却光伏板的方法。结果显示,光伏功率输出和风扇的寄生输入功率都随着风扇速度的增加而增加。由于 3.1 米/秒的风扇速度与其他速度相比具有最高的净功率输出,因此被选为最佳冷却速度。Boulfaf 等人[49]使用有限元方法研究了 PV-T 混合型太阳能空气集热器的热性能。该集热器的示意图如图 5 所示。他们的模拟结果表明,在太阳辐照度为 1000 W/m 2 时,当空气流速从 0.05 kg/s 增加到 1 kg/s 时,太阳能电池温度从 78 °C 下降到 62 °C 。这些结果表明,在流体流速较高的情况下,光伏温度和流体出口温度都会如预期般有效降低。第 7 节将详细介绍太阳能 PV-T 空气集热器在热电联产中的应用。Dehghan 等人[50] 在伊朗西北部的两个方案中评估了光伏空气冷却的技术经济前景,方案之间的差异在于使用 3 台和 6 台低能耗风机。能源平衡分析表明,在使用 3 台风机的方案中,发电量更大。据报告,方案 1 和方案 2 的具体能源净改善量分别为 4.4 % 和 4.1 %。技术经济分析突出表明,只有在上网电价较高的情况下,建议的热能管理方案才有合理性。

Fig. 5. Diagrammatic representation of a hybrid PV-T air collector [49].
图 5.PV-T 混合空气集热器示意图 [49]。
Almuwailhi 和 Zeitoun [51] 在沙特阿拉伯利雅得研究了冷却对多晶光伏电池板性能的影响,他们使用了三种不同的技术,即:(i) 自然对流、(ii) 强制对流和 (iii) 蒸发冷却与自然对流和强制对流。实验结果表明,自然对流冷却(气隙为 120 毫米)使电池板的日发电量和效率分别提高了 1.7% 和 1.2%,而强制对流(气流速度为 3 米/秒)使电池板的日发电量和效率分别提高了 4.4% 和 4.0%。强制对流之所以能提高效率,是因为气流速度提高了对流传热系数。另一方面,强制对流蒸发冷却(使用 2 米/秒的速度)使光伏电池板的日发电量和效率提高了 3.8%。蒸发冷却的布局与自然对流类似,但在通道底部增加了一块湿布,并通过喷水系统保持湿度。因此,在蒸发冷却的情况下,与自然对流相比,水的潜热起到了吸收更多热量的作用。在同一项研究中还发现,空气间隙较窄(30 毫米和 60 毫米)的自然对流效果不佳,因为它会使面板温度升高。这是由于摩擦对冷却通道中的自然对流产生了阻力。
总之,先前的研究表明,通过强制气流进行主动冷却可以提高光伏电池板的效率。利用强制(主动)气流进行冷却的效果取决于多个因素,如使用的风扇速度(即风扇速度越高,冷却效果越好)、风扇是在光伏板后部还是前部使用(前部冷却通常比后部冷却更有效)以及环境条件(如风速越大、环境温度越低和/或云层覆盖越多,光伏冷却效果越好)。与单独使用前置水冷却和后置空气冷却相比,同时使用前置水冷却和后置空气冷却显示出特别的前景。无论采用哪种方法,如前所述,任何效率优势都需要与增加的系统复杂性、成本和功耗相结合。只有当性能优势超过增加的成本时,实施这些解决方案才是可行的,而这在很多情况下都是一个挑战。
3.1.2. Liquid cooling 3.1.2.液体冷却
光伏电池板的冷却可通过多种液体实现,但最常见的液体是水。与空气(密度 = 1.225 kg/m,比热容 = 1012 J/kg K,热导率 = 0.020 W/m K)相比,水的密度(997 kg/m 3 )、比热容(4184 J/kg K)和热导率(0.6 W/m K)都更高,因此相对于空气,水能提供更高的传热系数(对于给定的几何形状和类似的流速)。这是因为对流传热系数取决于流体密度、导热系数和比热容。相关的热管理可根据光伏板的散热表面,通过前置或后置冷却来实现。
Mah 等人[52] 测试了在光伏板前部采用水膜冷却的屋顶光伏改造系统的性能。在太阳辐照度为 1150 W/m 2 时,优化水流量为 6 L/min,电气性能提高了 15%。同样,Prudhvi 和 Sai [53] 通过使用正面水冷技术冷却光伏板,研究了光伏板的性能。水借助水泵在面板的正面(顶部)循环,在这项研究中,水泵的功耗为 36 W。这项工作的节能评估显示,热板的净效率提高了 7.8%。Kordzadeh [54] 认为,改善光伏系统运行和性能的最佳方法之一是使用薄膜水进行冷却。他们的光伏水泵系统示意图如图 6 所示。使用该设备得出的结果显示,随着系统水泵速率的增加,发电量也显著增加。

Fig. 6. Schematic of a PV water pumping system used in the study [54].
图 6.研究中使用的光伏水泵系统示意图 [54]。
Shahverdian 等人[55] 利用动态多目标优化方法来优化和控制用于冷却光伏板的水流量,目的是在最大限度地提高功率输出的同时最大限度地降低耗水量。他们的模拟结果表明,与没有水冷却的光伏面板相比,采用最佳流速的水冷却光伏面板的平均温度和最高温度分别降低了 54% 和 61%。Hadipour 等人[56] 比较了光伏板稳定喷淋和脉冲喷淋水冷却系统的性能。测试结果表明,与无水冷却的光伏板相比,使用稳定喷淋和脉冲喷淋水冷却系统的光伏板的最大功率输出分别提高了 33% 和 26%。脉冲喷淋冷却系统的耗水量仅为稳定喷淋冷却系统的九分之一。因此,与采用稳态冷却的光伏板相比,采用脉冲喷淋冷却的光伏板的平准化能源成本(LCOE)降低了 76%,原因是耗水量大幅减少。
Dorobantu 等人[57]还考虑了前置水冷技术。水从一个管子流过面板顶部,冷却面板的同时也消除了碎屑,因为碎屑不仅会对性能产生不利影响,还会导致物理损坏。实验使用了一块面积为 0.56 米 2 的光伏板,以 0.03 千克/秒的速度自由流水。结果表明,由于光伏温度的相应降低,输出电功率增加了 4 W。在相关工作中,Moharram 等人[58] 也进行了用水冷却光伏板的实验,但没有考虑空气冷却。在这些实验中,当光伏板达到最高可达到温度 (MAT)(即 45 °C)时,在光伏板上喷洒非加压水。据观察,水冷却提高了电池板的效率,冷却系统工作 5 分钟可使太阳能电池温度降低 10 °C,从而使太阳能电池效率提高 13%。
从上述研究中可以推断出,前表面冷却可以有效降低泵送成本,尤其是在炎热的气候条件下。然而,一个关键的缺点是太阳能电池上的水会蒸发,这需要不断补充,同时也大大阻碍了通过吸收到达电池的太阳辐射。就各种前置水冷却方法和设计而言,喷雾冷却会比薄膜冷却造成更多的水浪费,而脉冲喷雾冷却则可以最大限度地减少浪费。同时,薄膜冷却最适合通过回收和再循环实现水的再利用。目前仍不确定定期脉冲喷淋冷却或在光伏板达到设定的最高温度后喷淋水是否是最有效的冷却解决方案,因此应开展进一步研究,对这两种前置水冷方案进行比较。
关于后部水冷却,Zondag 等人[59] 开发了一种先进的数值模型,用于确定基于片管设计的光伏-T 混合集热器的热输出。图 7 显示了集成板表面和穿过集成板的温度分布和热流量。他们的研究结果表明,组合系统的电效率和热效率分别为 6.7% 和 33%,而传统独立光伏板的电效率和热效率分别为 7.2% 和 54%。主动式后部水冷却通常借助安装在面板后侧的管道来实现,这种安排也适用于 PV-T 应用。第 7 节将进一步讨论光伏-热混合集热器。

Fig. 7. Temperature distribution over a PV panel with water circulation [59].
图 7.有水循环的光伏板上的温度分布[59]。
除了为 PV-T 应用设计的传统后置水冷系统外,研究人员还提出了一些进一步的创新设计,旨在降低光伏冷却所需的水利用率。Musthafa [60]考虑将海绵附在光伏板背面进行冷却。实验结果表明,温度降低了 4 °C,效率提高了 2.6%。这种海绵系统利用毛细作用驱动冷却水流,由于海绵的存在,接触面板后表面的水量减少,从而减少了水的使用量。本方案中海绵的成本较低,但预计海绵的使用寿命约为 6 个月,因此需要对本方案进行一定程度的维护,但维护工作相对简单。
Abdelrahman 等人[61]研究了前部冷却(薄膜水冷却)、直接接触后部水冷却以及通过使用两个水泵进行组合冷却的效果。第一台水泵用于在面板前侧提供水膜流,而第二台水泵则用于通过连接在面板底部的翅片管道进行水循环。实验结果表明,与没有额外冷却的独立光伏板相比,前部冷却、后部冷却和组合冷却的光伏板温度分别降低了 16°C、18°C 和 25°C,日输出功率分别提高了 22%、30% 和 35%。后冷却比前冷却效率更高。前置和后置冷却组合的冷却效果最佳。
有几项研究对水冷和风冷进行了比较,这有助于我们了解每种方法的潜力和相对技术(性能、操作)及经济特性。具体而言,Bevilacqua 等人[62]对面板后侧的喷淋冷却、金属板喷淋冷却和强制通风等不同冷却方法进行了长期评估(8 个月)。在晴天,喷雾冷却相对于无冷却的面板温度最高降低了约 26 °C。在炎热的月份,后侧的喷淋降温能产生最大的降温效果,因为水基降温能满足更高的降温需求。同时,由于环境空气温度低到足以成为有效的载热流体,因此强制通风在冬季能提供更好的冷却效果。Irwan 等人[63]比较了采用前置水冷却的光伏电池板和采用普通空气冷却的光伏电池板的性能。他们的室外实验结果表明,水冷比风冷更有效。在马来西亚一个典型的三月天,采用前置水冷却的光伏电池板比采用空气冷却的光伏电池板多产生 6.8% 的输出功率。此外,也有研究采用了主动水冷和空气冷却相结合的方法。Leow 等人[64] 通过使用无刷风扇进行后部冷却和水泵进行前部冷却,展示了增强的冷却效果。该系统由微控制器和温度传感器控制。当温度变化超过设定的最高温度时,传感器自动控制混合系统的开关。 室外实验结果表明,平均输出电压、电流和输出功率分别增加了 5%、40% 和 43%。在马来西亚平均环境温度为 33.6 ° C 的典型三月天,电池板温度降低了 6.8 °C。
其他研究也将油类作为冷却介质。Sun 等人[65] 研究了使用二甲基硅油作为液体对 CPV 面板进行直接液体冷却的方法,液体流经一个与光伏电池热接触的狭窄矩形腔,从而在 910 W/m 2 、进油温度为 15 °C 的条件下将电池平均温度维持在 20-30 °C 的范围内。据报告,电池温度相对均匀,浸入硅油中的电池电气性能稳定,即使浸入 270 天也没有观察到明显的效率下降。
上文总结的研究表明,主动(即泵送)水流或油流可用于有效冷却光伏板。水可以在光伏电池板上方或下方循环,也可以同时在电池板上方和下方循环。使用水作为冷却剂比主动空气冷却效果更好,但在缺水地区使用水时需要慎重考虑。值得注意的是,下一节将讨论基于空气和水的被动冷却技术,一些研究人员认为这种技术总体上比主动冷却技术更有效,因为促进冷却不需要额外的寄生功耗。表 1 提供了通过主动水冷却提高光伏电池板效率的进一步研究摘要。
Table 1. Summary of research aimed at efficiency enhancement of PV panels by active water cooling.
表 1.旨在通过主动水冷提高光伏电池板效率的研究综述。
Nature of work 工作性质 | Method 方法 | PV panel temperature reduction 降低光伏板温度 | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|
Experimental 实验性 | Thin-film water cooling on the film side and finned water duct at the rear side 薄膜侧采用薄膜水冷却,后侧采用翅片式水管 | Average temperature reduction by 4 °C 平均气温降低 4 °C | Electrical efficiency enhancement by 12 % 电气效率提高 12 | Integration of water absorption sponge on the rear of PV panels can reduce their temperature over prolonged periods by passing water drop by drop through a sponge to maintain wet conditions over the panel. 在光伏电池板的背面集成吸水海绵,通过将水一滴一滴地滴在海绵上,使电池板保持湿润状态,从而长时间降低电池板的温度。 | [60] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Water splashed on the front side of the panel in a non-pressurised way 水以非加压方式溅到面板正面 | Cooling of PV panel for 5 min resulted in a 10 °C temperature drop 光伏板冷却 5 分钟后,温度下降 10 °C | Water cooling resulted in electrical efficiency enhancement of 13 % 水冷使电气效率提高了 13 | It was observed that water cooling can clean and cool PV panels in hot and sandy regions, resulting in better performance. 据观察,水冷可以清洁和冷却炎热多沙地区的光伏电池板,从而提高其性能。 | [58] |
Experimental 实验性 | Water flowed through a tube over the array surface 水通过一根管子流过阵列表面 | Temperature reduction of about 25 °C at solar noon 太阳正午时温度降低约 25 °C | – - | Results show that this method can improve the optical properties of the array surface and increase the overall efficiency of the system. 结果表明,这种方法可以改善阵列表面的光学特性,提高系统的整体效率。 | [54] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Water flowed through multi-header microchannels 水流通过多头微通道 | Temperature reduction of 19 % for multi-header channel 多头通道温度降低 19 | Power output increased by 28 % for the multi-header micro-channel compared to a single-header channel 与单头微通道相比,多头微通道的功率输出增加了 28 | The multi-header channel can allow a greater temperature reduction and electrical efficiency improvements to the wider system. 多集电极通道可以进一步降低温度,提高整个系统的电气效率。 | [66] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Surface cooling technique 表面冷却技术 | Average temperature reduction by 16 °C 平均温度降低 16 °C | Power enhancement of about 15 % during peak radiation conditions 在辐射峰值条件下,功率提升约 15 | Better PV cooling due to the straight connection between the PV panel surface and water. The surface can be dust-free thanks to continuous water flow. Overall PV efficiency is higher. 由于光伏板表面与水直通,因此光伏冷却效果更好。由于持续的水流,光伏板表面无灰尘。整体光伏效率更高。 | [67] |
Experimental 实验性 | Spraying of water over the PV panel front surface 在光伏板正面喷水 | Decrease in operating temperature by 5 °C to 23 °C 工作温度降低 5 °C 至 23 °C | With water cooling, the output power of the PV panel increased by 9.7 % to 22 % 采用水冷却后,光伏电池板的输出功率增加了 9.7% 至 22 | Results showed a reduction in operating temperature and an increase in output power of the PV panel with a water-cooling system. 结果表明,使用水冷系统后,光伏电池板的工作温度降低,输出功率增加。 | [68] |
Experimental 实验性 | Water spray cooling on the front and back sides of the panel 面板前后两侧喷水冷却 | Average PV panel temperature dropped to 32 °C from 52 °C 光伏板平均温度从 52 °C降至 32 °C | Front and back side PV panel cooling by spraying water results in an increase in power output by 16 % and 5.9 % respectively 通过喷水冷却光伏面板的正面和背面,可使输出功率分别增加 16 % 和 5.9 %。 | The proposed water spray cooling procedure enhanced the performance of the PV panel and also kept the panel clean from dust particles. 拟议的喷水冷却程序提高了光伏电池板的性能,还保持了电池板的清洁,使其免受灰尘颗粒的影响。 | [69] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Water cooling on the backside of the panel 面板背面的水冷却 | The temperature of the PV panel dropped to 34 °C from 45 °C 光伏板的温度从 45 °C 降至 34 °C | The PV panel electrical efficiency increased by 9.1 % 光伏电池板的发电效率提高了 9.1 | Energy generated by the hybrid water cooled PV system was nearly four times that of the PV without cooling. 混合水冷光伏系统产生的能量几乎是无冷却光伏系统的四倍。 | [70] |
3.2. Passive thermal management
3.2.被动热管理
虽然通过强制对流进行主动冷却已被证明能够提高光伏电池板的电能效率,但其主要缺点是冷却剂循环会产生寄生功耗,泵和液压元件(如阀门、配件)以及必要的流体回路和导管会增加成本。采用被动冷却方法就不会遇到或避免了这些困难,因此也引起了人们的关注。
被动冷却是指在不使用泵或风扇的情况下冷却光伏电池板,但通常使用空气、水等流体的自然对流,和/或使用辐射热损增强、表面结构、发射率控制等方法。由于这些方法不需要泵、风扇或相关组件,因此消除了泵/吹风的成本(以及相关系统的复杂性),使这些解决方案通常更具成本效益,所需的维护也更少。此外,由于不再需要冷却剂循环所需的能量,尽管强制对流的热传导率更高,光伏温度也更低,但被动冷却方法仍有可能达到比主动冷却方法更高的总体效率。依靠对流散热的被动冷却可细分为空气冷却、水冷却、翅片冷却、热管冷却和 PCM 集成冷却,本节将讨论这些方法。
3.2.1. Passive air cooling
3.2.1.被动式空气冷却
近几十年来,通过被动方式进行空气冷却尤其受到关注。这种方法的优点包括(i) 所需材料最少,(ii) 运行成本低,(iii) 与主动冷却相比不耗电,(iv) 易于处理。然而,这种方法也存在一些缺点,主要是由于空气相对于水的主要热特性造成的,例如:(i) 热传导性差(即热传递),(ii) 热容量低(即存储密度)。
Naghavi 等人[71] 通过数值评估研究了光伏面板下方的自然空气流动。他们的研究结果表明,相对于无间隙的面板,当屋顶和面板后表面之间的空气间隙分别为 200 毫米和 250 毫米时,温差可分别达到 12 ± 5 °C和 18 ± 5 °C。空气间隙越大,空气流动量就越大,从而能有效地通过对流从面板后侧带走热量。Hernandez 等人[72]通过在工业建筑的钢结构屋顶上安装光伏板,研究了光伏板的冷却问题。通过在光伏板下方放置空气通道,利用自然或强制对流冷却光伏板。实验结果表明,采用自然对流冷却的光伏板温度比背面不采用自然冷却的温度低约 5 °C。在这种情况下,研究可以扩展到分析屋顶温度,并将其与面板温度联系起来,因为较高的屋顶温度会降低空气自然对流产生的冷却效果,因为空气会被面板和屋顶同时加热。虽然采用强制对流冷却的光伏电池板比采用自然对流冷却的光伏电池板多发电 3-5 %,但强制对流冷却需要风扇将通道中的气流保持在每秒 4 米的速度。因此,比较主动冷却和被动冷却两种方法产生的净电量将是一种更加务实的方法,但在所审查的研究中,由于风扇的耗电数据较少,因此无法做出适当的推断。
Tonui 和 Tripanagnostopoulos [73]建立了一个验证模型,研究两种不同类型的低成本空气通道设计的自然对流冷却性能,一种是在空气通道中间插入平面金属薄板 (TMS),另一种是在通道后壁安装鳍片。相对于 TMS 配置,翅片配置具有更好的热性能,这可能是由于翅片提供的扩展表面实现了更高的表面积,从而提供了更好的整体散热率。
如图 8 所示,Shahsavar 等人[74] 在有玻璃的光伏板下方安装了一个带有 TMS 的空气通道。该空气通道用于通过自然对流冷却光伏板。当太阳辐照度为 880 W/m 2 时,出口空气温度达到 48 °C。空气通道能够有效去除光伏板中的余热,并产生额外的热能。电效率和热效率分别约为 8% 和 32%。然而,作者并未提及与独立光伏板相比的光伏温度变化,这阻碍了对所实施的冷却系统有效性的可靠推断。这是因为空气通道是否能提供更好的性能尚不确定,因为与无通道的情况相比,通道可以降低空气的置换率,也可以提高气流的速度。为了验证这一点,建议进行实验研究,比较与参考光伏系统的性能。

Fig. 8. Photograph of the practical implementation of the PV-T air system used in Ref. [74].
图 8.参考文献 [74] 中使用的 PV-T 空气系统的实际应用照片。[74].
Rahimi 等人[75] 研究了将风能和太阳能结合起来以高效生产更多电力的想法。在图 9 所示的这一概念中,空气流经一个汇聚部分(锥形管)并撞击涡轮机(风向叶片转子)。实验针对不同的太阳强度和 0.88 和 2.67 米/秒两种不同的风速进行。涡轮机的设计是将气流径向引向发散部分,发散部分的开口朝向光伏板的后表面,以产生所需的冷却效果。因此,从锥形管收集的风有两个用途:(i) 作为光伏电池的冷却液,在太阳辐照度恒定为 910 W/m 2 的情况下,观察到光伏电池的工作温度平均降低了 21 °C;(ii) 利用涡轮机产生电能。结果表明,与没有冷却的独立光伏电池相比,发电量总体增加了 36%。

Fig. 9. Schematic of the hybrid wind-PV jet-impingement system for PV panel cooling [75].
图 9.用于光伏板冷却的风光互补喷气增焓系统示意图 [75]。
Valeh-e-Sheyda 等人的另一项研究[76] 尝试了将风力涡轮机和太阳能整合到一个系统中的类似概念。在该系统中,使用的涡轮机是轴流式的,气流速度(3 m/s 和 5 m/s)比前一项研究中使用的要大。结果表明,输出功率提高了 47%。这种较大的改进可归因于设计特点和较高的风速。一般来说,轴流式涡轮机的流体出口速度高于径流式涡轮机,因此轴流式涡轮机的效率较低,不适合用于多级用途 [77]。但就光伏冷却而言,涡轮机的空气出口速度对提供有效冷却非常重要,因为对流传热随着流体速度的增加而增强,传热率越高,光伏性能就越好。另一方面,在后面的研究中,输入速度本身较高,这有利于提高风力涡轮机和光伏冷却的性能。因此,与前一项研究相比,后一项研究获得了更大的功率提升。然而,这种太阳能和风力涡轮机混合发电方法的主要局限性在于其复杂的设计和气流通道,这使其更适用于主动冷却。这种冷却系统可能适用于多风地区,而即使系统采用主动冷却,气流速度也会受到阻碍(由于涡轮机),进而影响冷却系统的热性能。
表 2 列出了在通过被动式空气冷却提高光伏电池板效率方面进行的一系列研究。
Table 2. Summary of research aimed at efficiency improvement of PV panels by passive air cooling.
表 2.旨在通过被动式空气冷却提高光伏电池板效率的研究综述。
Nature of work 工作性质 | Temperature reduction 降低温度 | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
---|---|---|---|---|
Numerical 数字 | Minimum temperature reduction of 10 °C was achieved 温度最低降低 10 °C | Maximum power output of the PV panel increased from 7.0 % to 7.6 % relative to a conventional PV panel 与传统光伏电池板相比,光伏电池板的最大输出功率从 7.0% 提高到 7.6 | Results showed that the heat transfer rate and air flow inside the ventilated channel were influenced by the angle of the ribs; specifically, PV panel cooling was directly proportional to the height and inversely proportional to the inclination angle of the ribs. 结果表明,通风通道内的传热率和空气流量受肋条角度的影响;具体而言,光伏板的冷却与高度成正比,与肋条的倾斜角度成反比。 | [74] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Average temperature decrease of 21 °C was accomplished 平均气温下降 21 °C | Overall power output of both PV panels and wind turbines increased by 36 % 光伏电池板和风力涡轮机的总输出功率增加了 36 | The combined hybrid system was capable of cooling PV panels, thereby increasing their power output and producing power from a turbine. 联合混合动力系统能够冷却光伏电池板,从而提高其功率输出,并通过涡轮机发电。 | [75] |
Experimental 实验性 | Operating temperature reduced by 18.3 °C 工作温度降低 18.3 °C | Electrical efficiency increased by 7.9 % 电气效率提高了 7.9 | The temperature of PV panels was maintained lower while operating under direct sunlight by radiative passive cooling. A thin material layer over the solar cells was used, which was transparent at solar wavelengths but had higher emissivity in the IR (thermal) wavelengths, thereby emitting significant thermal radiation that cooled the PV panel and enhanced performance. 通过辐射被动冷却,光伏电池板在阳光直射下工作时的温度保持在较低水平。在太阳能电池上使用了一层薄薄的材料,在太阳光波长下是透明的,但在红外(热)波长下具有较高的发射率,从而发出大量热辐射,冷却光伏板并提高性能。 | [78] |
Numerical 数字 | PV cell temperature reduced by about 7 to 16 °C when the flow rate reached 1.6 to 5 g min−1 当流速达到每分钟 1.6 至 5 克时,光伏电池温度降低了约 7 至 16 °C −1 。 | Electrical efficiency is enhanced between 12 % and 23 % 电气效率提高了 12% 至 23 | A mixture of air and naturally occurring water vapour used as the heat transfer fluid enhanced the electrical performance of a PV panel. The studied system performed best at low flow rates. To improve the performance of PV panels, it was suggested that the panels can be installed in locations where vaporisation occurs naturally. 使用空气和天然水蒸气的混合物作为传热流体,可提高光伏电池板的电气性能。所研究的系统在低流量时性能最佳。为了提高光伏电池板的性能,建议将电池板安装在自然产生水蒸气的地方。 | [79] |
Experimental 实验性 | PV panel integrated with clay reached a maximum temperature of 45 °C whereas PV panel without clay reached a temperature as high as 85 °C 集成粘土的光伏板的最高温度为 45 °C,而不集成粘土的光伏板的温度高达 85 °C | Maximum increase in both output voltage and power of 19 % was achieved 输出电压和功率最大提高了 19 | Incorporated a clay layer on the back side of a PV panel and a thin film of water vaporised. This lowered the PV operating temperature and enhanced its efficiency. The method was reported as being efficient, cost-effective, stable and environmentally friendly. 在光伏电池板背面加入粘土层,形成一层水蒸气薄膜。这降低了光伏的工作温度,提高了其效率。据报道,这种方法高效、经济、稳定且环保。 | [80] |
Experimental 实验性 | An average PV temperature drop of 14 °C was achieved 光伏温度平均下降了 14 °C | Overall power output of the system improved up to 47 % 系统的总体功率输出提高了 47 | A hybrid wind-driven ventilator and PV system maintained a suitable environment inside the building by air ventilation and maintained a lower PV cell temperature. The hybrid system resulted in higher electrical energy generation from the PV and dynamo. 风力通风器和光伏发电混合系统通过空气流通维持建筑物内的适宜环境,并保持较低的光伏电池温度。该混合系统提高了光伏发电和发电机的发电量。 | [76] |
3.2.2. Heat sink and fin cooling
3.2.2.散热器和散热片冷却
这里所说的散热器是一种热交换器,它能将光伏板表面等处产生的热量转移到流体介质(通常是空气或液体冷却剂)中,从而将热量从光伏板上散发出去,并调节设备的温度。当散热器依靠自然对流散热时,其散热率会随着放置角度的变化而变化。Nair 等人[34]证明,利用散热片的被动冷却技术可以降低光伏板的温度。实验是在一个晴朗的夏日进行的,结果表明,散热片角度为 45°时的光伏板温度低于 135°时的温度,而 135°时的温度是记录的最高温度。对同一研究的最大发电量也进行了测量,发现与未采用任何冷却措施的基准光伏板相比,散热角为 90°时的发电量增加了 7.0%,散热角为 45°时的发电量增加了 7.6%。
在相关研究中,Chandrasekar 和 Senthilkumar [81] 通过实验利用鳍片和自然对流冷却光伏板。如图 10 所示,棉芯被连接到铝鳍片上,并与光伏板背面相连,以提高整体热传导率。结果表明,与单独的散热器相比,铝散热器和湿棉芯的冷却效果更好。据指出,光伏板的最高温度降低了约 6 °C,光伏板的电力输出增加了 14%。同样,Varkute 等人[82] 也进行了一项使用散热片冷却 160× CPV 面板的实验。在这项工作中,一个多接面太阳能电池被放置在带鳍片的铜块上。通过在鳍片下方积极循环水,进一步提高了带鳍片铜块的散热速度。电池板的温度保持在 45 °C左右,大大低于未采用热管理的情况下的预期温度(约 58 °C)。在另一项研究中,Zubeer 等人[83] 研究了强制和自然空气循环对光伏电池板性能的影响。实验使用了一个经过改装的空气通道,以两种不同的方式促进热量的传递:(i) 在通道中心插入一个薄的平面金属片;(ii) 在面板后侧连接矩形鳍片。结果表明,与金属片系统相比,鳍片的热效率更高,运行性能更好。

Fig. 10. Experimental photographs from [81]: (a) backside of PV panel, (b) thermocouple locations, (c) fins joined with wick structures, (d) stiffeners, and (e) final fabricated arrangement.
图 10.来自文献[81]的实验照片:(a)光伏板背面,(b)热电偶位置,(c)与灯芯结构连接的散热片,(d)加强筋,(e)最终制作的布置。
Idoko 等人[84] 利用两种不同的被动技术,即被动风冷和被动水冷,探索了光伏板的运行性能。如图 11 所示,在光伏板的底部安装铝翅片进行空气冷却,同时在同一光伏板的上表面手动喷洒冷水,以进一步提高冷却效果。据观察,在太阳辐照度为 1080 W/m 2 的条件下,与未进行冷却的光伏板相比,集成了空气和水冷却的光伏板温度降低了 20 °C,功率输出提高了 21 W。

Fig. 11. Experimental apparatus showing fins connected to the backside of a PV panel [84].
图 11.实验装置,显示连接到光伏板背面的鳍片 [84]。
Othman 等人[85] 研究了一种 PV-T 混合型太阳能空气加热器系统,该系统在吸收器表面连接了翅片,以增强热对流。该研究中探讨的 PV-T 混合系统示意图如图 12 所示。空气流经上部通道,然后流经带有翅片的底部通道。当空气质量流量从 0.027 千克/秒增加到 0.181 千克/秒时,热效率和电效率分别提高了约 20% 和 0.5%。

Fig. 12. Schematic of the PV-T solar air heater with fins investigated in the study [85].
图 12.研究[85]中使用的带鳍片的 PV-T 太阳能空气加热器示意图。
最近的科学文献也强调通过修改散热片外形和鳍片方向来提高热传导率。例如,Hernandez-Perez 等人[86] 修改了散热片的几何参数,以增强附着在光伏面板上的散热片的被动冷却能力。作者提出了一种不连续的鳍状散热片,有助于诱导多个方向的气流,进而提高热传导率。数值模拟显示温度降低了 7 °C,与实验结果(降低 5 °C)接近。
用于光伏板(或类似于 PV-T 集热器中的光伏电池)被动冷却的典型翅片形状/几何形状通常是纵向、矩形和障板翅片。使用热管也能提高光伏板的性能,这就是下一节的主题。研究结果表明,散热器和散热片可有效降低光伏板的工作温度,提高其电能转换效率。散热片的冷却效果在很大程度上取决于散热片的材料和几何参数。表 3 总结和比较了光伏电池板散热翅片的性能。翅片的冷却效果通常随着翅片长度的增加而提高。大多数研究只关注附加翅片结构对面板效率的改善,但只有少数研究调查了翅片(及其他相关组件)的额外成本,这一点应在未来的研究中加以考虑。翅片结构在其他领域也得到了广泛的研究和应用,如电子冷却系统和家用空间加热器。因此,在其他领域使用翅片的经验教训也可应用于光伏板冷却。
Table 3. Summary of research aimed at efficiency enhancement of PV panels by fin cooling.
表 3.旨在通过翅片冷却提高光伏电池板效率的研究综述。
Nature of work 工作性质 | Temperature reduction 降低温度 | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
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Experimental 实验性 | – - | Up to 5.5 % relative increase in peak power 峰值功率最高可相对提高 5.5 | Passive cooling technique in aluminium fins was mounted on the rear side of a PV panel with conductive epoxy glue, which resulted in lower PV temperatures and enhanced efficiency and lifetime of PV panel. 利用导电环氧胶在光伏板背面安装铝翅片的被动冷却技术可降低光伏板的温度,提高光伏板的效率和使用寿命。 | [87] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Overall thermal resistance with a flared-fin heat sink was 10 % lower than that of a rectangular-fin heat sink 喇叭形鳍片散热器的整体热阻比矩形鳍片散热器低 10 | – - | The number and length of fins in a flared-fin heat sink had a significant influence on thermal performance. However, the inclination angle of the fins did not strongly affect thermal performance. It was observed that 15 to 18 fins resulted in optimum system performance. 扩口鳍片散热器中鳍片的数量和长度对散热性能有很大影响。不过,散热片的倾斜角度对散热性能的影响不大。据观察,15 至 18 片鳍片可实现最佳系统性能。 | [88] |
Experimental 实验性 | Maximum surface temperature obtained by a finned panel (with 10 mm thick and 5 mm high porous aluminium fins) was 48 °C 翅片面板(厚 10 毫米、高 5 毫米的多孔铝翅片)的最高表面温度为 48 °C | Highest output power of the panel without fins, with 6 mm fins and 10 mm fins, was 41.8 W, 44.7 W and 47.9 W, respectively, and panel with 10 mm fins showed maximum power enhancement of 14 % compared to panel without fins 与不带鳍片的面板相比,带 6 毫米鳍片和 10 毫米鳍片的面板的最高输出功率分别为 41.8 瓦、44.7 瓦和 47.9 瓦。 | Integrating porous fins into a PV panel enhanced the overall performance. 将多孔鳍片集成到光伏板中可提高整体性能。 | [89] |
Experimental 实验性 | Average temperature of the front surface was reduced by 6.1 °C 前表面的平均温度降低了 6.1 °C | Electrical efficiency enhanced by 1.8 % 电气效率提高 1.8 | PV panel temperature was always lower than the maximum allowable temperature due to constant heat absorption by the finned plate which acted efficiently as a heat sink. 由于散热片持续吸热,光伏板的温度始终低于最高允许温度。 | [90] |
Numerical 数字 | Reported a 3 °C drop in operating temperature 报告工作温度下降了 3 °C | Electrical efficiency enhanced by 2.6 % 电气效率提高 2.6 | Integration of fins can reduce operating temperature and improve efficiency. Fins can be integrated with other solutions/approaches for much better results. 集成翅片可以降低工作温度,提高效率。翅片可与其他解决方案/方法相结合,以获得更好的效果。 | [91] |
3.2.3. Heat pipe cooling 3.2.3.热管冷却
另一种被动冷却方法是使用热管,因为与主动冷却方法相比,热管简单、成本低。热管冷却的特点是,与其他被动冷却方法相比,由于内部相变,可以实现非常高的热传导率[92]。因此,由于热管的高热传导率,其在 CPV 系统冷却中的应用备受关注。对于 CPV,一项综述研究强调,丙酮和乙醇(用作导热液体时)性能更佳,因为它们的冷却效果分别是水的 7 倍和 3 倍 [93]。此外,在冷凝器部分加入鳍片可以提高热性能,但建议鳍片的间距应大于流体边界层的厚度,以防止边界层造成的流动阻塞。
热导管很容易与其他解决方案和方法(如空气或水冷却)结合使用,既适用于光伏电池板,也适用于混合型光伏-T 集热器,旨在进一步最大限度地提高光伏电池板的整体性能 [73],[82]。在大多数采用热管的设计中,工作流体吸收的热量最终会通过自然对流(空气冷却)排出到周围环境(通常是环境空气),也可能通过散热片排出。在这种情况下,主要热阻在于后一个排热过程,这就给设计带来了挑战。
Al-Amri [94]在沙特阿拉伯恶劣的气候条件下使用被动和主动冷却技术对光伏板进行了实验,其中一种配置是借助散热器实现被动冷却,而另一种配置则将散热器与 PCM 集成在一起。另一方面,主动冷却的光伏组件由热管和液体浸入冷却技术组成。结果表明,带有热管且浸入水中的 PVT 集热器可使整个面板的温度分布均匀,与最佳被动冷却配置(散热片)相比,总体最大温降为 53%。由于沙特阿拉伯的气候条件极端恶劣,冷却需求较大,因此热管配置能有效传递热量,而水介质则能吸收来自集热器的热量。结果还显示,乙二醇、机油和无浸泡主动冷却的光伏板的稳态温度分别降低了 21%、25% 和 48%。
Hughes 等人[92]进行了一项实验,使用热管被动冷却技术冷却光伏板。实验结果表明,热管上的散热片明显比单独裸露的热管更有效,这表明(如上所述)该系统中的主要热阻在热管部件本身之外。同样,Tang 等人[95] 通过实验研究了用于光伏板冷却的热管阵列的冷却性能。热管阵列的蒸发器部分与光伏板背面相连,而冷凝器部分则由水或空气被动冷却。结果表明,在热管一端使用被动空气冷却时,与没有冷却的光伏板相比,光伏板的电力输出可提高 8.4%,温度降低 4.7 °C;而使用被动水冷却时,电力输出可进一步提高 14%,温度降低 8 °C。作者的结论是,使用热管和水冷却比自然(被动)风冷更好。
Gang 等人[96]的研究证明,基于热管的 PV-T 集热器具有抗冻能力,在寒冷地区性能良好。相邻热管之间的距离对 PV-T 集热器的性能有显著影响。当间距从 0.15 米减小到 0.05 米时,整体能效(电能+热能)从 45% 提高到 55%。Gang 等人[97]更进一步,针对中国三个不同的气候区,即北京、拉萨和香港,对热管集成 PV-T 系统进行了年能量分析。图 13 和图 14 分别显示了热管集成 PV-T 集热器的示意图和整体测试布置图。在辅助加热设备的作用下,这些系统在香港、拉萨和北京的年热能输出分别为 1870 MJ/m 2 、3330 MJ/m 2 和 2350 MJ/m 2 ,年电能输出分别为 265 MJ/m 2 、466 MJ/m 2 和 328 MJ/m 2 。

Fig. 13. Schematic cross-sectional view of the heat pipe PV-T collector in the study [97].
图 13.研究[97]中热管 PV-T 集热器的横截面示意图。

Fig. 14. Schematic diagram of heat pipe integrated PV-T collectors and system used in the study by [97].
图 14.热管集成 PV-T 集热器和系统示意图,用于 [97] 的研究。
Ren 等人[98]的研究重点是降低太阳能光伏发电系统环形热管的成本。当热管蒸发器部分的宽度从 26 毫米减小到 10 毫米时,电效率和热效率仅分别降低了 0.03% 和 2.5%。总体而言,系统成本估计降低了 29%,而性能却略有折损。Hongbing 等人[99] 研究了一个集成热管布置的光伏发电系统。热管用于将 PV-T 集热器的热能传输到水箱中,以达到水加热的目的。结果表明,正如预期的那样,太阳辐照度越高,热效率越高,但在下午,当水温高于热管的冷凝温度时,集热器的热效率也会降低。有趣的是,这些实验表明,与传统的空气/水基冷却方法相比,热导管可以通过额外的热输出提高系统的总体运行性能,从而提供更高的热效率和更高的电效率。表 4 总结了通过使用热导管进行光伏冷却的研究成果。
Table 4. Summary of research aimed at efficiency enhancement of PV panels by heat pipe cooling.
表 4.旨在通过热管冷却提高光伏电池板效率的研究综述。
Nature of work 工作性质 | Temperature reduction 降低温度 | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
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Experimental and numerical 实验和数值 | PV cell maintained at an operating temperature of 30 °C 工作温度保持在 30 °C 的光伏电池 | – - | Finned heat pipe arrangement maintained the PV cell at lower temperature and both thermal and electrical energy were obtained simultaneously. 鳍状热管布置可使光伏电池保持较低温度,同时获得热能和电能。 | [92] |
Experimental 实验性 | Temperature reduction of 8 °C achieved 温度降低 8 °C | Electrical efficiency increased by 3.0 % with a maximum power output increase of 14 % 电气效率提高了 3.0%,最大输出功率提高了 14 | Heat pipe array using air- and water-cooling techniques resulted in temperature reduction and energy enhancement of the PV panel. 采用空气和水冷技术的热管阵列降低了温度,提高了光伏板的能量。 | [95] |
Experimental 实验性 | – - | – - | Reduction in useful thermal energy between 23 % and 38 % and the electrical energy efficiency varied between 1.5 % and 4.3 % because, in the system without auxiliary heating equipment, the water was heated only by solar energy. 有用热能减少了 23 % 至 38 %,电能效率则在 1.5 % 至 4.3 % 之间,因为在没有辅助加热设备的系统中,水只能通过太阳能加热。 | [97] |
Experimental 实验性 | – - | With an increase in water flow from 5 L/min to 9 L/min, the electrical efficiency decreased from 12 % to 11 % and the thermal efficiency decreased from 19 % to 16 % 当水流量从 5 升/分钟增加到 9 升/分钟时,电效率从 12 % 下降到 11 %,热效率从 19 % 下降到 16 %。 | Thermal efficiency of heat pipe PV-T system increased at higher solar irradiance and decreased with increasing inlet water temperature and water flow rates, while the electrical efficiency decreased with increasing solar irradiance, inlet water temperature and flow rate. 热管光伏-热系统的热效率在太阳辐照度较高时提高,随着进水温度和水流量的增加而降低,而电效率则随着太阳辐照度、进水温度和水流量的增加而降低。 | [99] |
4. Radiative thermal management
4.辐射热管理
辐射热管理包括各种被动设计和操作方法,通常不需要外部能源消耗 [100]、[101]。地球大气层对 8 至 13 µm 的红外辐射有一个透明窗口,根据维恩定律,对应的热辐射峰值波长为 362 K 和 223 K。因此,具有典型环境温度的陆地天体可以通过热辐射向外层空间散热。近年来,光伏电池的辐射冷却技术引起了人们的极大兴趣。
2014 年,斯坦福大学的 Zhu 等人[78] 首次对硅电池的辐射冷却进行了研究。他们研究了三种辐射冷却发射器:理想发射器、5 毫米厚的 SiO 2 平面发射器和 SiO 2 金字塔发射器,如图 15(a) 所示。如图 15(b)所示,SiO 2 在太阳光波长下是透明的,而在红外波长下则具有很高的发射率。SiO 2 金字塔结构的发射率接近理想发射器。他们的模拟结果表明,在太阳辐照度为 800 W/m 2 时,被动辐射冷却能够将硅太阳能电池的工作温度降低 18.3 °C。Zhu 等人 [102] 在户外实验中测试了硅太阳能电池的实际辐射冷却效果。如图 15(c)所示,在 500 微米厚的 SiO 2 硅片上钻有直径为 4 微米的微孔阵列,并将其覆盖在硅电池上作为辐射冷却发射器。在无风环境下,采用被动辐射冷却技术的太阳能电池比裸硅太阳能电池的温度低约 13 °C。

Fig. 15. (a) Different radiative structures for silicon cells [78]. (b) Emissivity of different emitters in the IR wavelength range [78]. (c) SEM image of the radiative cooling emitter and the outdoor test rig [102].
图 15.(a) 硅电池的不同辐射结构[78]。(b) 不同辐射器在红外波长范围内的辐射率[78]。(c) 辐射冷却发射器和室外测试台的扫描电子显微镜图像[102]。
Bijarniya 等人[103]对白天被动辐射冷却进行了详细综述。在这项工作中,作者阐明了基本原理、材料方面、结构和配置、环境因素的影响以及潜在的研究机会和挑战。Safi 和 Munday [104], [105] 提出了一种不同的太阳能电池被动辐射冷却结构,如图 16 所示。他们在太阳能电池背面放置了一个带有微型鳍片的辐射发射器来吸收废热,然后通过大气透明窗口向寒冷的外层空间进行热辐射散热。他们的模拟结果表明,在标准地球环境中,借助辐射冷却,砷化镓太阳能电池的温度降低了 18 °C,绝对效率提高了 0.9%。在可以忽略对流冷却的地外环境中,太阳能电池的被动辐射冷却效果更为显著。在近地轨道的地外环境中,砷化镓太阳能电池的电气效率绝对提高了 0.4-2.6%。

Fig. 16. Passive radiative cooling with a radiative emitter attached to the back of a solar cell [104], [105].
图 16.太阳能电池背面附带辐射发射器的被动辐射冷却 [104], [105]。
然而,Gentle 和 Smith [106] 对上述被动辐射方法的可行性提出了质疑。商用光伏电池板的电池上方通常有一层低铁玻璃盖板。这些作者发现,商用玻璃是一种良好的辐射冷却发射器,在红外波段的发射率甚至略高于 SiO 2 。他们的模拟结果表明,在真实的陆地环境中,即使是理想的黑体辐射器也无法比普通玻璃覆盖的太阳能电池板额外冷却 1.5 °C。Green 和 Bremner [107] 在他们的评论文章中也提出了类似的疑问。他们认为标准光伏板中的低铁玻璃近似于理想的辐射冷却发射器。Zaite 等人[108] 在 PV-T 水基集热器系统上使用了夜间辐射冷却技术,以提高光伏板的电气效率和可靠性。结果表明,与传统的 PV-T 集热器相比,采用该技术后,光伏板的日温度可降低 3 °C 至 5 °C,系统产生的电能可提高 5.5 % 至 6.2 %。结果还显示,由于夜间辐射冷却,拟议方法每年可节省 18.5 千瓦时的电能。
Zhao 等人[109] 尝试改善商用玻璃覆盖硅光伏板的辐射冷却效果。然而,即使在理想情况下,光伏板的温度也只能进一步降低 1.8 °C,因此他们得出结论:增强商用光伏板的辐射冷却效果可能价值有限。Li 等人[110] 比较了有和没有附加辐射冷却涂层的光伏板的性能。他们的实验结果表明,额外的辐射冷却只能将光伏板的温度降低不到 1 °C(极限值约为 2 °C)。最近,Wang 等人[111] 利用金字塔纹理的 PDMS 薄膜为封装的商用硅电池提供辐射冷却。在室外测试中观察到光伏温度下降了 2 °C。
Shanmugam 等人[112] 综述了适用于光伏的光子结构、配置和光谱修正方法。Li 和 Fan [113] 设计了一种用于太阳能电池冷却的综合光子方法,如图 17(a)所示。硅光伏板上覆盖了一个光谱选择性光子冷却器。只有 0.4-1.1 µm 的硅电池有效光谱能穿过光子冷却器层。硅电池无法利用的其余 1.1-4 微米太阳光谱被反射到天空,从而减少了太阳能电池的废热。这种薄膜光子冷却器在红外线波长范围内的发射率也很高,因此具有良好的辐射冷却效果。如图 17(b)所示,这种薄膜光子冷却器由 Al 2 O 3 /SiN/TiO 2 /SiO 2 层堆叠而成。这种薄膜分光材料也被广泛研究并应用于聚光混合光伏和热能(CPVT)系统[114]。Sun 等人[115] 研究了不同太阳能电池的综合分光和辐射冷却。他们的研究结果表明,这种综合冷却方法可将商用光伏电池板的温度降低 6 °C,从而使电气效率绝对值提高 0.5%,并可在单太阳条件下将使用寿命延长 80%。最近,Zahir 等人[116] 也利用类似的选择性反射和辐射冷却涂层来降低硅光伏板的工作温度。在冷却涂层的帮助下,测试光伏板的工作温度降低了 5.4 °C。 然而,目前这种先进光子结构的最终成本仍不明确,而且光伏效率的提高仍然有限,因此仍难以证明这种光子结构的技术经济效益。未来的光伏辐射冷却研究还应考虑额外成本与电气(或其他相关)能效改善之间的平衡。

Fig. 17. (a) A comprehensive photonic approach for solar cell cooling with spectral splitting and radiative cooling, and (b) structure of the photonic cooler [113].
图 17(a) 利用光谱分裂和辐射冷却技术冷却太阳能电池的综合光子方法,以及 (b) 光子冷却器的结构 [113]。
5. Phase change material integration
5.相变材料集成
使用相变材料(PCM)进行热管理(和/或提供并整合热存储能力)可被视为一种基于传导的被动热管理方法。在这种方法中,具有适当特性(如熔融热大和熔点高)的 PCM 在近乎恒定的温度下从固态变为液态或从液态变为固态时吸收和释放热量,从而起到潜热存储介质的作用 [117]、[118]、[119]。
要准确预测任何 PCM 储藏室/空间的传热和相变过程,都需要复杂的计算工具。目前已开发出用于预测 PCM 储藏室中固液界面位置的模型,以及用于预测和比较温度和热通量分布的模型,以及这些分布在不同储藏室/空间、不同材料和不同应用中的演变情况(例如 [22]、[120]、[121]、[122])。Lamberg [123]建立了翅片状 PCM 储藏室中 PCM 熔化的模型,他的研究表明,当重量高度比小于 6 和翅片长度小于 0.06 米时,该模型是有效的。这一推导出的模型能更好地预测基于鳍片 PCM 系统中的固液位置,适用于基于 PCM 系统的预先设计,包括光伏应用。Elsheniti 等人[124] 提出了一种增强型一维 PV-PCM 模型,该模型在 0 至 90° 的不同方向以及 2、4 和 8 的纵横比下与数据显示出良好的一致性。最低和最高纵横比的最大误差/偏差值分别为 0.7 % 和 1.8 %。
类似的研究值得鼓励,因为这对于开发一系列合适的数值设计工具至关重要。Nizetic 等人[125] 开展了一项研究,在光伏电池板的背面集成了多个装有 PCM 的较小容器,而不是使用单个容器。他们的实验结果表明,使用多个容器可将电池板的性能提高 11%,同时可将 PCM 和铝的成本分别降低 47% 和 36%。Mahdi 等人[126]的研究也表明,通过集成多个 PCM,可以实现更长、更有效的光伏电池板热管理。他们的研究结果表明,通过选择具有适当热物理性质的多种 PCM,与单一 PCM 相比,充能容量和熔化时间可分别提高 3.4% 和 18%。在其他相关工作中,Yousef 等人[127] 对集成了石蜡的光伏板(PV-PCM)和集成了嵌入 PCM 的泡沫铝的光伏板(PV-PCM/AF)进行了实验,并在夏季和冬季天气条件下将实验结果与传统的未改性光伏板进行了比较。研究结果表明,在夏季,PV-PCM 和 PV-PCM/AF 系统的电气效率分别比参考面板高出 9% 和 14%,而在冬季,这些改良面板的光伏面板效率分别提高了 3.7% 和 4.8%。Gao 等人[128]的实验表明,将相变冷却技术与多孔介质结合应用于 PV-T 集热器中,可提高光伏电池板的平均电效率。当流量为 0.004 千克/秒、0.007 千克/秒和 0.009 千克/秒时,光伏板的平均电效率分别提高了 9.7%、17% 和 15%。
Lamberg [129] 对 PCM 中的相变过程进行了数值研究。结果表明,在 PCM 的熔化过程中,液相中的自然对流对热传递的增强至关重要。这与许多其他研究一致,这些研究发现,熔化(充电)比冷冻(放电)更快,原因是后者在热交换器表面首先形成了固体 PCM 层,其热阻高于自然对流传热[121]、[130]。据观察,在光伏电池板后表面安装一层每米 2.6 千克的 PCM 2 ,在高峰时段可将工作温度平均降低 1 °C[131]。因此,PCM 最多可将电池板的工作温度降低 20 °C,电能转换效率可提高 5 % [132]、[133]。图 18 显示了 Brano 等人[134]对集成 PCM 的光伏性能分析的实验安排。

Fig. 18. (a) PCM encapsulated in plastic bags, and (b) PV-PCM integrated panel [134].
图 18.(a) 封装在塑料袋中的 PCM,以及 (b) PV-PCM 集成面板 [134]。
Wei 等人[135] 利用茶点蜡烛作为 PCM 进行了太阳能电池板冷却实验。在该实验安排中,PCM 被用于填充平行铝管之间的间隙,铝管被安装在不锈钢容器中,容器上覆盖了一块木板作为隔热层。光伏板各部分的表面温度都被记录下来。研究发现,光伏板中央的温度最高。有冷却效果的光伏发电效率为 15%,仅比无冷却效果的光伏发电效率略高(高出 3%),因此得出结论:茶烛材料可能不是光伏面板热管理的有效 PCM。这一结论背后的一个重要原因是茶点蜡烛的熔点过高(>50 °C),导致光伏板的工作温度过高(∼ 53 °C)。作者随后得出结论,熔点低于 40 °C 的 PCM 更适合用于光伏冷却。
石蜡是一种常见的有机材料,其相变特性使其适用于 PCM 潜能存储,在电子设备的热管理中得到了广泛应用。Sharma 等人 [136] 发现,在辐照度为 1000 W/m 2 时,使用基于石蜡 (RT42) 的 PCM 的建筑一体化光伏系统 (BIPV) 可将电效率提高 7.7%,同时将温度降低 3.8%。Preet 等人[137] 探索了不同的 PV-T 集热器与水循环和 PCM 集成,并将其与传统的 PV 面板进行了比较。研究结果表明,基于水的 PV-T 和 PVT-PCM 集热器的工作温度远低于传统的 PV 面板。具体而言,水基 PV-T 和水基 PVT-PCM 集热器的温度分别降低了 20 ℃ 和 30 ℃。图 19 显示了 PVT-PCM 集热器的传热机制以及如何将 PCM 集成到结构中。

Fig. 19. Heat transfer path to and from PV with PCM [137].
图 19.光伏与 PCM 之间的传热路径 [137]。
就大多数 PCM(包括有机 PCM)而言,虽然这些材料的潜热容量高,因此能量密度大,但热导率却很低。添加高导热材料添加剂可用于提高合适 PCM 的导热率 [130]、[138]、[139]、[140]。Tan 等人[141] 进行了全面分析,以确定使用不同鳍片配置的 PCM 的光伏面板的电气和热性能,结果表明,相对于没有集成 PCM 或鳍片的参考面板,使用 12 鳍片配置的光伏面板温度可降低 15 °C。采用 12 片鳍片、6 片鳍片、3 片鳍片和无鳍片的 PCM 冷却光伏面板的电气效率分别比参考光伏面板高 5.4%、3.4%、2.9% 和 1.0%。同样,Huang 等人[142] 研究了通过不同鳍片配置集成 PCM 的光伏板性能。研究表明,使用鳍片提高了 PCM 内部的热传导率,光伏面板前表面的温度随之大幅下降。在翅片间隔一定的情况下,对流率增加,PCM 的热分层减少。
Rajvikram 等人[143] 尝试在光伏板上嵌入附着在铝板上的 PCM。从室外实验中观察到,与没有冷却的参考面板相比,光伏转换效率提高了 24-25%。Rajvikram 和 Sivasankar [144]通过外部散热器调节温度,提高了 PCM 的热传导率。据报道,最高电气效率为 17%,这被认为是非常合理的。Hasan 等人 [145] 通过在面板中使用水循环,提高了 PV-PCM 系统的效率。PCM 所储存的热量被用于提供家用热水。实验显示,电能和热能效率分别提高了 1.3% 和 41%(绝对值)。Hasan 等人[146] 进一步使用六水氯化钙和辛酸-棕榈酸共晶混合物作为两种不同的 PCM,在两个不同地点(爱尔兰都柏林和巴基斯坦维哈里)进行了室外实验和模拟分析,用于光伏冷却。研究评估了这些 PCM 在提高光伏电池板效率方面的性能。结果表明,六水氯化钙在这两个地点的表现都更好。与辛-棕榈酸相比,六水氯化钙可使巴基斯坦维哈里的光伏温度下降 3-4 °C,发电量增加 3%。通过比较两地的气候条件,可以得出结论:PCM 集成光伏系统更适合炎热和稳定的气候条件。
Khanna 等人[147] 建立了一个倾斜式 PV-PCM 系统模型,以确定系统在不同情况下的温度。由于 PCM 抽取了更多的热量并降低了光伏温度,增加倾斜角度进一步提高了效率。研究还发现,风向方位角越大,光伏板顶面的热损失越小,这表明熔点接近环境温度的 PCM 最适合用于光伏冷却。图 20 显示了 PCM 集成光伏面板中的能量流示意图。

Fig. 20. Energy flows in the PV-PCM integrated system considered in the study [146].
图 20.研究中考虑的 PV-PCM 集成系统的能量流 [146]。
在相关研究中,Manikandan 等人[148] 发现,将合适的 PCM 集成到 CPV 集热器中可显著降低温度。研究结果表明,随着 PCM 浓度比和填充量的增加,功率输出和效率都会提高。在 PCM 高度为 0.75 毫米和 3 毫米时,CPV 的温度分别为 55 ℃ 和 32 ℃。PCM 集成(浓度比为 3,PCM 高度为 3 毫米)使 CPV 输出功率和效率分别提高了 27% 和 22%。
Smith 等人[149] 分析了 PCM 集成光伏电池板的全球年发电量。对熔点在 0 °C 至 50 °C 之间的 PCM 进行了研究,以确定适合不同地点的 PCM。结果表明,日照充足、年气候变化较小的地区最受益于集成 PCM 面板。采用最佳 PCM 时,非洲东部和南美洲(如墨西哥)等地区的光伏年发电量增加了 6%,而在南亚、非洲其他地区、中美洲和南美洲、中东和印度尼西亚群岛等地区,与不使用 PCM 冷却的光伏电池板相比,发电量增加了 5%。另一方面,在欧洲等气候较北的地区,年能源产出增加了 2% 到 5%。图 21 显示了研究 [149] 中 PV-PCM 系统的能量平衡图。

Fig. 21. Energy fluxes in the PV-PCM system presented in the study [149].
图 21.研究 [149] 中介绍的 PV-PCM 系统的能量通量。
Hasan 等人[150] 开展了一项研究,以确定 PCM 集成到光伏电池板中的效果。他们评估了五种不同的 PCM,即 CaCl 2 -6H 2 O、石蜡、SP22、癸酸-月桂酸和癸酸-棕榈酸。实验采用差示扫描量热法(DSC)和温度历史法(THM)确定了所有五种 PCM 的主要热特性。差示扫描量热法是一种标准方法,用于测量 3-10 毫克范围内小材料样品的热特性。THM 是一种可以测量较大样品(最多 40 毫克)特性的方法。此外,THM 还能确定 PCM 的欠冷特性,这是 DSC 方法所不具备的特性。结果表明,癸酸-棕榈酸是所采用的光伏面板的最佳 PCM。癸棕榈酸的潜热最高,调节/控制光伏电池温度的能力最强。此外,在气候炎热的地区,发现面板的温度超过了光伏面板一般允许工作温度范围的上限(从 -40 °C 到 80 °C)。在这种条件下运行会很快导致电池分层、快速降解、物理损坏和失效。
Savvakis 等人[151] 分析了两个 PV/PCM 系统,其中一个使用 RT 27 PCM,另一个使用 RT 31 PCM。这些对 PV/PCM 系统的研究是在 10 瓦 PV 面板上进行的,结果表明,在炎热和阳光充足的地中海条件下,260 克 RT 27 和 RT 31 的峰值温度可分别降低 6.4 ℃ 和 7.5 ℃。Velmurugan 等人[152] 的另一种方法强调通过对流和辐射两种方式利用 PCM 进行热管理,但避免传导。在这项实验研究中,使用了圆柱管 PCM 矩阵,该矩阵与光伏板后侧没有直接接触。这有助于减少 PCM 向面板的热传导,从而避免 PCM 处于液态时导致的温度骤升。由于采用了这种布置方式,热量只能通过对流和辐射从 PV 面板传递到 PCM 基质。作者发现,光伏板与 PCM 矩阵之间的最佳间距为 6 毫米,与不含 PCM 的对照板相比,温度降低了 2.5 °C,电力输出增加了 0.2%。
在使用基于 PCM 的解决方案时,一个重要的考虑因素是,如果 PCM 的选择不适合特定的设计和应用,可能会导致性能下降,即 PV 面板的温度升高。Bayrak 等人的实验研究[153] 明确证明了这一点,如果 PCM 温度高于 PV 面板表面温度,则使用 PCM 会对 PV 面板的输出功率产生负面影响。此外,Madurai Elavarasan 等人[154] 对印度南部夏季的 OM29 PCM 特性进行了实验研究。这些实验证明,由于环境温度超过了 PCM 的熔点,OM29 在上午 9 点之后无法降低温度,导致性能不佳。这些研究表明,要选择合适的 PCM,实时温度数据,特别是光伏板表面的最高和平均工作温度,以及所考虑地区的环境温度知识,对于选择合适的 PCM 以实现最佳性能至关重要。
总之,由于集热器类型、设计参数以及应用条件和特点多种多样,因此很难从中得出一致的、贯穿各领域的结论。这些研究表明,有证据表明 PCM 可在提高冷却效率方面发挥作用,但也有报告称,在 PCM 不合适的情况下,情况恰恰相反。根据本节介绍的研究,在这些应用中,PCM 的熔点是最关键的参数,因为光伏板的工作温度总是略高于 PCM 的熔点。因此,选择熔点低的 PCM 对于有效冷却光伏非常重要。值得注意的是,PCM 只能吸收有限的热量。因此,PCM 的热容量也是一个重要参数,它应足够大,以吸收光伏电池板一整天的废热。因此,应仔细考虑 PCM 的密度和比热容。可以使用额外的传热结构(如散热片)来增强光伏板和 PCM 之间的传热,从而进一步降低光伏板的温度。PCM 吸收的热量可进一步用于下游热需求,如空间加热、热水等,这是提高太阳能系统整体效率和此类项目经济可行性的一种可行方法。表 5 列出了使用 PCM 进行光伏制冷的其他研究。
Table 5. Summary of research aimed at PV-PCM integrated systems for efficiency enhancement.
表 5.旨在提高 PV-PCM 集成系统效率的研究综述。
Nature of work 工作性质 | PCM used 使用的 PCM | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
---|---|---|---|---|
Experimental 实验性 | Paraffin wax RT42 石蜡 RT42 | Electrical efficiency increased by 7.7 % 电气效率提高了 7.7 | BICPV-PCM integrated system resulted in an average temperature reduction of the PV panel by 3.8 °C in contrast to a naturally ventilated PV panel. 与自然通风的光伏板相比,BICPV-PCM 集成系统使光伏板的平均温度降低了 3.8 °C。 | [136] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Paraffin wax RT27 石蜡 RT27 | – - | Usage of PCM with internal fins gave better temperature regulation on the PV surface compared to the usage of a single flat aluminium plate. The fins also reduced thermal stratification in the PCM, and thereby enhanced the overall system performance and efficiency. 与使用单一平面铝板相比,使用带有内部翅片的 PCM 可以更好地调节光伏表面的温度。鳍片还减少了 PCM 中的热分层,从而提高了整个系统的性能和效率。 | [142] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Paraffin wax RT25 石蜡 RT25 | – - | PV front temperature maintained below 36.4 °C for 80 min by using PCM with a melting point of 32 °C under solar irradiance condition of 1000 W/m2 and an ambient temperature of 20 °C, in a system with fins. 在太阳辐照度为 1000 W/m 2 和环境温度为 20 °C 的条件下,在带鳍片的系统中使用熔点为 32 °C 的 PCM,80 分钟内光伏前沿温度保持在 36.4 °C 以下。 | [155] |
Experimental 实验性 | Petroleum jelly 凡士林 | Electrical efficiency increased by 21 % 电气效率提高 21 | Petroleum jelly has better performance in BIPV applications. The average power and efficiency of the PV panel with PCM located on a concrete roof increased by 23 % and 21 % relative to a PV panel without PCM. 凡士林在 BIPV 应用中具有更好的性能。与不含 PCM 的光伏板相比,位于混凝土屋顶上的含 PCM 的光伏板的平均功率和效率分别提高了 23% 和 21%。 | [156] |
Experimental 实验性 | Paraffin wax RT35 石蜡 RT35 | The peak temperature of the PV-PCM panel was 11 °C lower compared to the conventional PV panel for a time of 4 h. 在 4 小时内,PV-PCM 面板的峰值温度比传统 PV 面板低 11 °C。 | [157] | |
Experimental and numerical 实验和数值 | Paraffin wax RT42 石蜡 RT42 | Average efficiency increased by 6.6 % in January and 5.2 % in April 1 月份平均效率提高了 6.6%,4 月份提高了 5.2 | PV-PCM performance varied with the season. During summer, due to the high ambient temperature, the PCM remained in the liquid state for most of the time, whereas, during winter the PCM was mostly solid. On average, the PCM resulted in a PV temperature drop of 10.5 °C, which led to an increase in the power output of the system by 5.9 %. PV-PCM 的性能随季节而变化。在夏季,由于环境温度较高,PCM 大部分时间处于液态,而在冬季,PCM 大部分时间处于固态。平均而言,PCM 使光伏温度下降了 10.5 °C,从而使系统的功率输出增加了 5.9%。 | [158] |
Numerical 数字 | Paraffin wax 石蜡 | An average efficiency enhancement of 2.1 % observed 观察到平均效率提高了 2.1 | The electricity generation efficiency of PV-MEPCM integrated system (microencapsulated PCM (MEPCM) with a melting point of 30 °C and PCM layer thickness of 3 cm) was a little over 19 %, which was 2.0 % higher than the efficiency of an equivalent standalone PV cell (no PCM). 光伏-MEPCM 集成系统(微胶囊 PCM,熔点为 30 °C,PCM 层厚度为 3 厘米)的发电效率略高于 19%,比同等独立光伏电池(无 PCM)的效率高 2.0%。 | [159] |
Experimental 实验性 | Paraffin wax RT55 with Al2O3 as nanoparticle 以 Al 2 O 3 作为纳米粒子的石蜡 RT55 | System output increased by 13 % 系统产出增加 13 | PCM was suspended with 2 % Al2O3 nanoparticles to enhance the heat conduction. Integration of the BIPV panel with the PCM increased its average efficiency by 14 % relative to a PV panel without PCM. PCM 中悬浮有 2% 的 Al 2 O 3 纳米粒子,以增强热传导。与不含 PCM 的 PV 面板相比,集成了 PCM 的 BIPV 面板的平均效率提高了 14%。 | [160] |
Experimental 实验性 | Lauric acid 月桂酸 | Maximum efficiency enhancement of 14 % achieved at a flow rate of 4 L/min 流量为 4 升/分钟时,效率最大提高 14 | PVT-PCMs were more economical and attractive in the long run than standalone PV. The payback time of the PVT-PCM collector and standalone PV panel are 4 and 6 years, respectively. 从长远来看,PVT-PCM 比独立的 PV 更经济、更有吸引力。PVT-PCM 集热器和独立光伏板的投资回收期分别为 4 年和 6 年。 | [161] |
Experimental 实验性 | Inorganic Glauber salt (Na2SO4·10H2O) 无机芒硝(Na 2 SO 4 -10H 2 O) | Electrical efficiency increased by 10 % 电气效率提高 10 | BIPV-PCM system showed a lower peak instantaneous temperature than a PV panel, which increased the electrical conversion efficiency. Experiments showed that the integrated system reduced the surface temperature by 8 °C and increased the efficiency of the system by 10 % relative to a conventional PV panel. BIPV-PCM 系统的峰值瞬时温度低于光伏板,从而提高了电能转换效率。实验表明,与传统的光伏板相比,集成系统的表面温度降低了 8 °C,系统效率提高了 10%。 | [162] |
6. Utilisation of nanoparticle suspensions (nanofluids)
6.纳米颗粒悬浮液(纳米流体)的利用
本节将强调使用纳米流体来增强对流传热。虽然纳米流体的成本普遍较高,但与其他强制对流冷却技术相比,使用纳米流体可以获得更高的热传导率(通量)。因此,与其他冷却技术相比,纳米流体可显著降低光伏板的温度,从而提高光伏效率。另一方面,纳米流体的应用最近也面临着一些争议和挑战,需要仔细考虑的一个关键因素是纳米流体在实际应用中的局限性,以及在相关应用中提出的任何解决方案。典型的问题包括团聚、分离、性能损失、有限的使用寿命和高昂的维护成本,以及与安全和环境影响有关的非同小可的问题 [163]。
Abu-Rahmeh [164] 研究了使用各种冷却技术(即自然对流被动冷却、翅片、水和纳米流体冷却)的光伏板的运行性能。作者证明,使用纳米流体(0.04% 重量的 TiO 2 /水)作为冷却介质,可实现高达 ∼ 3% 的电气效率提升(相对于无纳米颗粒的基准情况)。Gangadevi 等人[165] 也进行了使用纳米流体(Al 2 O 3 )冷却光伏板的实验。普通光伏温度上升到 70 °C,这反过来又缩短了光伏板的使用寿命。但是,使用 2% 重量的 Al 2 O 3 /水(纳米流体)后,温度降至 36 °C。从结果中可以得出结论,使用 2 % 重量的 Al 2 O 3 /水(纳米流体)时,总效率提高到 58 %,高于用水和 1 % 重量的 Al 2 O 3 /水(纳米流体)冷却的效率。Sardarabadi 等人 [166] 研究了使用纳米流体冷却剂结合 PCM 集成冷却光伏板的性能。实验研究使用 ZnO/水纳米流体和 PCM 冷却光伏板。结果表明,使用 PCM/纳米流体作为冷却介质,与传统的光伏板相比,电力输出增加了 13%。在冷却系统中同时使用纳米流体和 PCM,与传统的光伏板相比,整体能效提高了 23% 以上。
Stalin 等人[167] 通过实验研究了纳米 PCM(含石蜡的氧化铜)对光伏板性能的影响。结果表明,在集成了纳米 PCM 后,光伏板的峰值温度可降低 49 °C(32%)。结果还显示,由于采用了纳米多相催化还原剂,光伏板的日效率提高了 8.5%。Karaaslan 和 Menlik [168]对使用单一和混合纳米流体的 PV-T 集热器的性能进行了数值研究,结果表明,与单一纳米流体(CuO/水)和基础流体(纯水)相比,混合纳米流体(CuO + Fe/水)的热效率分别提高了 2.0% 和 5.4%。研究还发现,使用纯水、单一纳米流体和混合纳米流体作为工作流体时,电气效率分别为 11.4%、11.5% 和 11.6%。Sohani 等人 [169] 使用不同的纳米流体(即 Al 2 O 3 、TiO 2 和 ZnO)对光伏-T 系统进行了分析,以根据可靠性、效率、能源、经济和环境标准确定最合适的纳米流体。研究得出结论,基于 ZnO 纳米流体的 PV-T 系统在年发电量、平均电效率和热效率(633 kWh、15 % 和 48 %)方面表现最佳。Jamil 等人[170] 还研究了集成了不同类型纳米粒子和 PCM(PT-58)的光伏面板,实验证明,与传统参考光伏面板相比,0.5 wt% 的石墨烯纳米颗粒-PCM 和 PV-PCM 面板的峰值温度可分别降低 9.9 °C 和 5.0 °C。
Ghadiri 等人[171]进一步考虑了在 PV-T 集热器中使用纳米流体冷却的问题,研究了使用不同重量浓度的铁流体(Fe 3 O 4 -水)作为冷却剂对 PV-T 集热器性能的影响。图 22 显示了本研究中铁流体冷却 PV-T 系统的示意图。实验结果表明,在太阳辐照度为 1100 W/m 2 时,应用频率为 50 Hz 的交变磁场的铁液冷却 PV-T 系统的热效率和电效率相对于传统的水冷 PV-T 系统分别提高了约 55% 和 5.7%。同样针对 PV-T 集热器,Aberoumand 等人 [172] 通过实验发现,使用 Ag/water 纳米流体作为冷却介质的 PV-T 系统在集热器的热效率、电效率和能效方面都有显著提高。该 PV-T 冷却系统的示意图如图 23 所示。Al-Waeli 等人[173] 报道了另一项利用 PCM 和纳米流体循环来增强传热和提高整体效率的 PV-T 冷却实验。与传统的水冷 PV-T 系统相比,这种 PV-T PCM 纳米流体系统将电效率从 9.9% 提高到 14%,同时将热效率从 35% 提高到 72%。

Fig. 22. Schematic of the PV-T system with nanofluid as tested in the study [171].
图 22.研究 [171] 中测试的带有纳米流体的 PV-T 系统示意图。

Fig. 23. Schematic of PV-T system with nanofluids used in the study [172].
图 23.研究中使用的带有纳米流体的 PV-T 系统示意图 [172]。
纳米流体为提高光伏电池板的效率提供了多样化的研究、创新和发展机会,也为该技术的应用提供了机会,然而,与纳米粒子的使用相关的挑战依然存在。例如,Rostami 等人[174] 提出了一种用于冷却光伏板的新型配置,其中使用了氧化铜纳米流体和水作为冷却剂,并利用高频超声波作为解决方案的一部分,使氧化铜纳米流体和水雾化,从而解决了使用纳米流体时出现的常见问题。据报道,当使用 0.8 w/v 的纳米流体时,最大功率提高了近 50%,然而,这种解决方案会增加成本和操作/设计复杂性,需要加以考虑。表 6 列出了使用适合光伏冷却的不同纳米流体进行的研究。
Table 6. Summary of research aimed at nanofluid/nanoparticle-cooled PV systems for efficiency enhancement.
表 6.旨在提高效率的纳米流体/纳米粒子冷却光伏系统研究综述。
Nature of work 工作性质 | Nanofluid/Nanoparticle used 使用的纳米流体/纳米粒子 | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
---|---|---|---|---|
Experimental 实验性 | Al2O3 | With 2 wt% Al2O3/water nanofluid, the electrical, thermal and overall efficiencies of the PV-T system were improved by 13 %, 45 %, and 58 % compared to water 使用 2 wt% Al 2 O 3 / 水纳米流体,与水相比,PV-T 系统的电效率、热效率和总体效率分别提高了 13 %、45 % 和 58 %。 | Al2O3/water nanofluid cooling resulted in a temperature reduction of PV panel by 36 °C. Al 2 O 3 /水纳米流体冷却使光伏板的温度降低了 36 °C。 | [165] |
Experimental 实验性 | ZnO/water 氧化锌/水 | 13 % electrical and48 % thermal 13 % 电能和 48 % 热能 | PV-T collector with PCM and nanofluid had a 23 % higher exergy efficiency relative to PV only system. 与单纯的光伏系统相比,带有 PCM 和纳米流体的 PV-T 集热器的能效提高了 23%。 | [166] |
Experimental 实验性 | Ferrofluid (Fe3O4/water) 铁流体(Fe 3 O 4 /水) | With a 3 wt% concentration of nanofluid, the total efficiency of the system enhanced by about 45 % 纳米流体浓度为 3 wt%时,系统的总效率提高了约 45 | Electrical efficiency increased by nearly 4.8 % when using a ferrofluid with distilled water. 使用含蒸馏水的铁流体时,电气效率提高了近 4.8%。 | [171] |
Experimental 实验性 | Ag/water | Hybrid PV-T system with nanofluid exergy efficiency improved by 50 % and 30 % compared to PV with no cooling and with water cooling 采用纳米流体的光伏-T 混合系统的能效分别比无冷却和水冷光伏系统提高了 50% 和 30 | With turbulent flow and 4 % wt. of nanofluid, the PV panel power output increased by about 35 % and 10 % compared to PV panels without cooling and with water cooling, respectively. 在湍流和 4% 重量的纳米流体的作用下,光伏电池板的输出功率与无冷却和水冷的光伏电池板相比,分别提高了约 35% 和 10%。 | [172] |
Experimental 实验性 | SiC/water 碳化硅/水 | 6.6 % electrical and38 % thermal 6.6 % 电能和 38 % 热能 | PV-T system gave electrical power of 121 W while, for PV panel, it was 61 W. Maximum thermal energy gain of the hybrid system was 72 % greater than PV-T with the PCM water system. PV-T 系统的电功率为 121 W,而 PV 面板的电功率为 61 W。混合系统的最大热能增益比 PV-T 和 PCM 水系统高 72%。 | [173] |
Numerical 数字 | Ag/water | Thermal, electrical and overall exergetic efficiency improved by 1.7 %, 12 % and 14 %, respectively 热效率、电效率和总体能效分别提高了 1.7%、12% 和 14 | PV-T nanofluid system with optimised thermal and optical properties produced 1.3 MWh/m2 of high-grade exergy in a year with the lowest exergy payback time of 2 years. The hybrid system also showed the potential to prevent 448 kg of CO2(eq)/m2 emissions per year. 具有优化热学和光学特性的 PV-T 纳米流体系统在一年内产生了 1.3 MWh/m 2 的高能量,最低的能耗回收期为 2 年。该混合系统还显示出每年可减少 448 千克 CO 2 (eq)/m 2 排放的潜力。 | [175] |
7. Combined, integrated photovoltaic-thermal designs
7.光伏与热能结合的一体化设计
PV-T 混合集热器和系统可回收光伏电池的余热,并通过提供额外的热输出来补充这些电池的电力输出,从而从同一个集热器中产生电能和热能输出。在传统的 PV-T 太阳能集热器中,冷却剂(通常是水或空气)通常在光伏电池下方流动,并带走电池中的热量;如果设计用于提高电气性能,系统可降低其工作温度 [176],[177]。图 24 显示了一个典型的 PV-T 布置,带有水回路和热水箱。从这种混合系统中获得的热量可用于家庭空间供暖、热水供应、游泳池加热等多种应用[178];也可用于其他用途[179]。[178];也可以通过热泵进行升级,转换为制冷,甚至用于二次发电[179],[180]。使用 PV-T 系统的潜在优势包括(i) 从同一区域和系统输出双重能量(电能和热能),(ii) 与独立的等效光伏和光热系统相比,在输出相同能量的情况下占用的空间更少,(iii) 与独立的等效系统相比系统成本更低,以及 (iv) 缓解光伏电池的热退化,从而延长使用寿命。

Fig. 24. Photograph of solar water heating system with PV-T collectors [181].
图 24.采用 PV-T 集热器的太阳能热水系统照片[181]。
Rosli 等人[182]通过使用两种不同的工作流体,即空气和水,对 PV-T 系统进行了实验研究。结果表明,水冷却技术具有成本效益,且效率优于空气冷却技术。使用水和空气作为冷却剂的 PV-T 系统的成本分别比普通多晶光伏板高 8% 和 5%,但如果将管道和循环泵的成本也计算在内,则总成本将分别增加 10% 和 8%。Tonui 和 Tripanagnostospoulos [183] 研究了基于空气的光伏-T 集热器的运行性能,他们的实验结果与理论预测十分吻合。一般来说,PV-T/空气系统用于农业、工业和其他应用领域。为了提高光伏-T/空气集热器的性能,我们设计了一系列实验,在空气通道的后侧安装薄金属片(TMS)或翅片。插入集热器后部空气通道中间的 TMS 与单通道空气通道的普通面板相比,散热量增加了一倍。连接到空气通道后壁的翅片提高了出口空气的温度,从而增加了提取的热量。实验得出结论,翅片在高海拔地区具有更好的冷却性能;而 TMS 可用于低海拔地区,并具有墙面遮阳效果。
在相关工作中,Noro 和 Lazzarin [184] 还研究了威尼斯、罗马和克罗托内典型的 77 m 2 两级意大利房屋的光伏-T 系统。无釉 PV-T 集热器能够满足罗马房屋 72% 和 41% 的家庭用电和用热需求,而投资回收期 (DPP) 估计约为 9-13 年。此外,Metwally 等人[185] 还开发了两种光伏板冷却模型,即:(i) 使用热电发电机的主动冷却系统;(ii) 使用热电发电机和 PCM 的混合冷却系统。他们的研究表明,使用混合冷却系统,在辐照通量为 760 W/m 2 时,系统的发电量可提高 20%;在辐照通量为 1150 W/m 2 时,系统的发电量可提高 30%。Sudhakar 等人[186]还利用 PCM(OM35)和水冷混合冷却技术对光伏电池板进行了实验,结果表明,采用 PCM 从上到下水循环的光伏冷却技术可获得最佳性能,平均温度降低 5.4 °C,发电量提高 12%,电效率提高 12%,总体放能输出峰值提高 26%,放能效率提高 8%。
Srimanickam 等人[187] 考虑了一种带有 V 型障板通道的 PV-T 集热器。他们的实验装置如图 25 所示。光伏电池由强制穿过集热器后表面的空气冷却。研究记录了热效率、等效热效率和总热效率每小时的变化。为了了解使用铝基板代替玻璃的光伏发电系统的特性,Pang 等人进行了一项实验[188],其中一种情况是通过自然空气冷却,另一种情况是通过强制水循环冷却。结果表明,使用铝基板获得的电气效率比使用玻璃基板高出近 20%。虽然成本较高,但与玻璃相比,铝能为集热器提供更好的使用寿命和灵活性。Chauhan 等人[189] 模拟了光伏-T/空气系统在印度四个不同城市(即新德里、焦特布尔、班加罗尔和斯利那加)天气条件下的性能。模拟结果表明,焦特布尔的 PV-T 集热器的发电量和热输出量几乎是新德里的两倍。另一项实验针对新德里的四种太阳能空气集热器配置(有管道和无管道的玻璃对玻璃光伏板;有管道和无管道的玻璃对 Tedlar 光伏板)进行。结果显示,有导管的光伏板的年平均电效率可达 10%,比没有导管的光伏板配置高出 6.8%(相对值)[190]。

Fig. 25. Experimental arrangement used by Srimanickam et al. [187].
图 25.Srimanickam 等人使用的实验装置[187]。
Guarracino 等人[191] 建立了一个带有片管式热吸收器的混合光伏-T 集热器的动态三维模型。研究结果表明,PV-T 系统的电力和热能输出在很大程度上取决于集热器的结构(上釉或不上釉)、泵的运行、差动恒温控制器以及流量的选择。Guarracino 等人[192] 通过实验研究了室外条件下非聚光光伏-T 集热器的性能特征。结果表明,对于测试的商用 PV-T 集热器,改进 PV 电池和热吸收器之间的热接触可使电效率提高 6-8%,PV 温度降低 10 °C。Herrando 等人[193] 建立了一个模型,研究光伏-T 混合集热器在提供电力和热水方面的性能。研究结果表明,PV-T 系统在整个生命周期内可节约 16 吨二氧化碳 2 ,比纯 PV 系统高出 36%。另一项研究[194]介绍了 26 种不同的 PV-T 混合太阳能集热器吸收器交换器设计方案,并将这些方案与参考的板管式 PV-T 集热器进行了比较。研究表明,与参考集热器相比,采用聚碳酸酯平板箱设计的 PV-T 集热器实现了更高的热性能(光学效率提高了 4%,热损失系数降低了 15%),重量减轻了 9%,投资成本降低了 21%。
Herrando 等人[195] 研究了聚合物平板箱式 PV-T 集热器设计的性能以及太阳能与热电系统结合的性能。在伦敦、雅典和萨拉戈萨,所研究的系统每年分别减少 1.65、3.87 和 1.54 吨二氧化碳 2 。同一研究小组使用三维有限元和计算流体动力学进行了进一步的模拟研究[196],结果表明,光电-热混合系统平均可满足约 50% 的空间供暖和生活热水总需求,以及约 87% 的电力总需求。此外,还构建了另一个模型,以了解基于光伏-热电混合集热器的太阳能冷热电三联供系统的技术经济性能[197]。Kianifard 等人[198] 模拟、设计和制造了一种新型 PV-T 集热器,其中水被用作蛇形半管的集热器,而不是全圆截面的集热器。使用半管的主要亮点是极大地降低了热阻。结果表明,与传统的集热器相比,所提出模型的热效率和电效率分别高出 10-13% 和 0.4-0.6%。
Ramos 等人[199] 研究了一种光伏-热电混合系统,该系统可为大都市环境提供供热、制冷和供电。研究结果表明,该系统的总体效率为 70% 或更高,其中电能效率高达 15-20%,热能效率超过 50%。Herrando 等人[200] 还研究了光伏-T 集热器和热泵集成系统的性能,该系统可为家庭提供生活热水、空间供暖和电力。研究结果表明,在罗马和巴黎,该系统覆盖了 74% 以上的家庭热水、100% 的空间供暖和 25% 以上的家庭用电。Wang 等人[201]根据太阳能热电联产系统的热力学分析,为意大利的一个体育中心介绍了一种光伏-热电混合集热器。研究表明,该系统满足了 38% 的电力需求,还满足了 24% 的空间供热需求以及 58% 的游泳池和热水供热需求。Mellor 等人[202]进行了一项实验,旨在提高光伏-太阳能混合集热器的热效率,同时将电能效率损失降至最低。他们在太阳能电池上镀了一层光谱选择性低辐射涂层,以减少辐射热损耗,并使用纳米扭曲后反射器来提高对太阳光谱近红外部分的吸收,以产生热量。如果入射辐射被有效吸收并转化为有用的热量,热效率可提高 20%。
Golzari 等人[203] 通过实验提出了一种利用电流体力学提高光伏发电系统效率的方法。研究发现,电晕风将系统的传热系数提高了 65%,同时将系统的热效率提高了 28%。Sobhnamayan 等人 [204] 基于放能概念(不同组件的能量平衡),优化了太阳能光伏-水系统。要获得 PV-T 集热器的放能效率,需要进行放能分析和能量分析。对 PV-T 集热器不同部分的放能进行了表达,以获得 PV-T 集热器不同部分的放能平衡。对 PV-T 水收集器的放能效率方程进行了一些调整,并开发了一个先进的计算机模拟程序来计算电能和热能效率参数。通过遗传算法优化的 PV-T 集水器系统的能效达到了 11%。
.Farshchimonfared 等人[205] 研究了 PV-T 空气集热器系统的电气和热性能。作者根据通道深度、单位集热器面积的空气质量流量和空气分配管道的直径对系统性能进行了优化。结果表明,对于所考虑的系统,最佳通道深度值在 0.09 至 0.026 米之间,最佳空气分配管道直径在 0.3 至 0.5 米之间。此外还发现,最佳深度随着长宽比和集热器面积的增加而增加。
Gagliano 等人[206] 研究了传统太阳能热发电厂(光伏加太阳能集热器)的性能,并将结果与光伏-热混合系统进行了比较。结果表明,在卡塔尼亚、斯普利特和弗莱堡这三个城市,与纯光伏系统相比,光伏-热电混合系统的能效相对提高了 10% 至 15%。Buonomano 等人[207] 研究了 PV-T 集热器的技术和经济可行性,并将结果与传统的 PV 面板进行了比较。光伏板的电气效率为 18%,高于 PV-T 集热器的 12%。然而,PV-T 集热器的总体效率比仅有电力输出的光伏板高 26%。
Dannemand 等人[208] 设计并研究了太阳能光伏-热泵辅助系统的运行特性,以满足电力和家庭供热需求。在整个测试期间,该混合系统的电气效率超过 14%。在夏季,PV-T 系统可完全满足生活热水需求。然而,在阳光不那么充足的时期,热水箱必须通过盐水热泵来补水,以满足热水需求。Lebbi 等人[209]采用双流体冷却方法,即用空气和水分别冷却光伏电池的正面和背面,重点改善了光伏-T 系统的能源性能。在全球太阳辐照度为 650 W/m 2 时,电能效率提高了约 5.7%,平均温度降低了 15 °C。此外,实验系统的总体能源效率为 85%。
Aste 等人[210]对巴黎、米兰和雅典三个地理(和气候)位置的光伏-T 系统进行了实验和建模相结合的调查。他们的年度结果显示,巴黎、米兰和雅典的 PV-T 集热器总效率分别为 33%、36% 和 41%。根据水平面的年辐照度,从巴黎到米兰再到雅典,热效率逐步上升。在混合系统中,巴黎的发电效率为 14%,米兰为 14%,雅典为 13%。Liang 等人[211]设计并开发了一种 PV-T 混合太阳能集热器,在板管式热吸收器下面附有 20 毫米厚的石墨层。在太阳辐照度约为 1000 W/m 2 时,PV-T 集热器背板的温度比独立的光伏板低 16.7 °C。PV-T 集热器的日平均电气效率为 6.5%,高于独立光伏板的 5.2%。
Ebrahimi 等人[212]研究了 11 种不同 PV-T 系统的效率和成本,这些系统具有不同的工作流体(水和空气)、热吸收器(圆形和矩形管)、光伏材料(单晶、多晶和非晶硅)和玻璃结构(单层和双层)。分析网络过程(ANP)被用来为亚洲找到最佳的局部设计。他们得出的结论是,基于电能和热能对决策者具有相同价值的假设,最佳设计是使用水作为工作流体的非聚光、非玻璃设计。
光谱分割是另一种有前途的光伏热管理方法,可用于电、热和联合发电应用 [213]、[214]、[215]。光伏电池只对部分太阳光谱有效,其余光谱则必须作为废热在光伏电池中耗散。例如,硅太阳能电池无法利用红外光谱(λ > 1100 纳米),在紫外光谱范围(λ < 400 纳米)内的效率也非常低。图 26[216]所示为基于流体的分光光伏-T 集热器示意图。光伏电池上方的通道中充满了流动的液体,它可以提前选择性地吸收不可用的光谱,从而减少光伏电池中的废热。其余对光伏电池有效的光谱则通过液体过滤通道。流动的液体过滤器既是光学过滤器,又是传热液体。纳米流体因其有效且适用于分光光伏集热器而备受关注。Taylor 等人 [214] 建立了一个数学模型,用于设计基于纳米流体的过滤器,以匹配不同的太阳能电池。光谱分离纳米流体的常见纳米粒子包括 Ag/SiO 2 、Ag/TiO 2 、Au/SiO 2 、ZnO 等。[213], [214], [217],而常见的基液包括水、乙二醇、Therminol 导热油等。理想的光学滤光片可以吸收 25% 和 38% 的入射太阳能,这些太阳能对硅和碲化镉太阳能电池来说是不可用的[218]。Huang 等人[216]和 Liang 等人[217]最近发表的一篇综述文章总结了基于不同纳米材料的分光光伏发电技术的发展情况。

Fig. 26. Diagram of fluid-based spectral splitting PV-T collector [216].
图 26.基于流体的分光光伏-T 集热器示意图 [216]。
总之,PV-T 系统可提供有用的热输出,可用于多种用途,并获得更高的整体效率。PV-T 集热器设计依赖于冷却/热管理技术的组合,如空气/水冷却、翅片、PCM 等,以增强热传递,同时纳米流体也被用于增强性能。表 7 列出了一系列关于 PV-T 集热器和系统的研究在热性能和电性能方面的亮点。
Table 7. Summary of research aimed at PV cooling and efficiency enhancement when part of a hybrid PV-T collector system.
表 7.针对光伏冷却和提高光伏-T 混合集热系统效率的研究综述。
Nature of work 工作性质 | Fluid used 所用流体 | Efficiency enhancement 提高效率 | Observation/remark 意见/评论 | Ref. 参考文献 |
---|---|---|---|---|
Experimental and numerical 实验和数值 | Air 空气 | Highest overall efficiency achieved was 61–62 %, by a PV-T air glazed type collector with a finned back wall 带有翅片后墙的 PV-T 空气玻璃型集热器的最高总效率为 61-62 | The analytical results show that both high flow rates and small channel depths result in higher electrical efficiency and thermal output and may be suggested for efficient PV-T/air systems. However, this results in higher pressure drops and increased operating running costs of the system. 分析结果表明,高流速和小通道深度都能带来更高的电气效率和热输出,可用于高效的光伏-空气系统。不过,这会导致压降增大,增加系统的运行成本。 | [183] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Air 空气 | Fin integrated system gave the highest efficiency improvement followed by TMS system, ranging from 12 % to 20 % 翅片集成系统的效率提高幅度最大,其次是 TMS 系统,从 12 % 到 20 % 不等 | PV-T based air circulation reduced PV panel temperature by a minimum of 5 °C. The results show that fin systems are suitable for high latitude regions (more heating) where the high heat gain is exploited in winter, whereas TMS systems are more suitable for low latitude regions and tropical countries to maximise both the improved heat gain and the wall shading effect. 基于 PV-T 的空气循环可将光伏板温度降低至少 5 °C。结果表明,翅片式系统适用于高纬度地区(供暖较多),在冬季可利用高得热量,而 TMS 系统更适用于低纬度地区和热带国家,可最大限度地提高得热量和墙体遮阳效果。 | [219] |
Experimental 实验性 | Air 空气 | With HRV, the overall efficiency of the PV-T collector was 38 % which included 15 % and 23 % electrical and mechanical efficiency, respectively 使用 HRV 后,PV-T 集热器的总效率为 38%,其中电气和机械效率分别为 15% 和 23%。 | Heat recovery ventilated recovery systems can be coupled with air-type PV-T for enhancing build environment performance. 热回收通风回收系统可与空气型 PV-T 相结合,以提高建筑环境性能。 | [220] |
Experimental 实验性 | Air 空气 | Thermal and electrical efficiencies increased by 40 % and 2.4 %, respectively, when the air flow rate per unit collector area increased from 0.01 to 0.07 kgs-1m−2 当单位集热器面积的空气流速从 0.01 kgs -1 m −2 增加到 0.07 kgs -1 m −2 时,热效率和电效率分别提高了 40 % 和 2.4 %。 | Exergy analysis is not an encouraging approach for investigating PV-T systems used for space heating. 对于研究用于空间供热的光伏发电-热电联产系统来说,进行能耗分析并不是一种令人鼓舞的方法。 | [221] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Air 空气 | An increase in air flow rate from 0.008 to 0.016 (kgs−1) was associated with thermal, electrical and overall efficiencies improvements of 23 %, 14 % and 22 % 空气流速从 0.008 增加到 0.016(千克 −1 )时,热效率、电效率和总体效率分别提高了 23%、14% 和 22%。 | Uniform distribution of air on a PV panel prevents local excessive temperature on the panel. Using a concentrator with a reflector wall or increased air flow increases overall system efficiency by 41 % and 22 %, respectively. 光伏电池板上均匀分布的空气可防止电池板局部温度过高。使用带反射墙的聚光器或增加空气流量,可使系统的整体效率分别提高 41% 和 22%。 | [222] |
Experimental 实验性 | Water 水 | Compared to a conventional PV panel, the average power of the PV-T collector tested here was 5.5 % higher 与传统的光伏板相比,这里测试的 PV-T 集热器的平均功率高出 5.5 | The overall power output of a PV-T system is higher due to the raise of its voltage because of the lower operating temperature of the PV cell. The electric power produced by conventional PV and PV-T systems is 61.7 W and 65.1 W, respectively. 由于光伏电池的工作温度较低,电压升高,因此 PV-T 系统的总功率输出较高。传统光伏系统和 PV-T 系统产生的电能分别为 61.7 W 和 65.1 W。 | [223] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Water 水 | With the tested hybrid PV-T system, 13 % and 53 % improvements of electrical and thermal efficiencies were obtained which compete well with the traditional system 通过测试光伏-热混合系统,电能效率和热能效率分别提高了 13% 和 53%,与传统系统相比毫不逊色。 | The experimental results show the capacity of the hybrid system to produce about 20 L of water at 80 °C in a day with improved electrical efficiency. 实验结果表明,混合动力系统能够在 80 °C 的温度下每天生产约 20 升水,同时提高了电能效率。 | [224] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Air 空气 | Overall system efficiency above 45 % was achieved 系统整体效率超过 45 | It is observed that, during winter, low flow rate air circulation systems perform better as high air temperature differences can be achieved. However, during summer, high flow rate systems achieve a lower operating temperature of a PV cell. 据观察,在冬季,低流速空气循环系统的性能更好,因为可以实现较高的空气温差。然而,在夏季,高流速系统可实现较低的光伏电池工作温度。 | [225] |
Experimental and numerical 实验和数值 | Water 水 | Maximum overall thermal and exergy efficiencies obtained were 34 % and 15 %, respectively 获得的最高总体热效率和放热效率分别为 34 % 和 15 %。 | The experimental results show that, with the copper PV-T base water heating system, the electrical efficiency of the system reduces with a temperature rise. Due to better heat transfer between the PV cell and the flowing fluid, the maximum overall thermal energy of the proposed copper base PV-T collector is higher than that of the conventional Tedlar base PV-T collector. 实验结果表明,使用铜基 PV-T 水加热系统时,系统的电效率会随着温度的升高而降低。由于光伏电池和流动液体之间的传热效果更好,拟议的铜基 PV-T 集热器的最大总热能高于传统的 Tedlar 基座 PV-T 集热器。 | [226] |
Experimental and simulation 实验和模拟 | Air and Water 空气和水 | The daily rate of thermal gain and daily overall electrical gain is 2.5 % and 5.2 % higher for an aluminium base PVT-TEC water collector and opaque PVT-TEC water collector, respectively |