論文信息：

Sereno Sacchet , Francesco Valentini , Mirko Coser , Davide D'Amico , Riccardo Po , Luca Fambri , Efficacy of passive cooling panels for silicon photovoltaic mini-modules using phase change material and expanded graphite , Solar Energy Materials and Solar Cells 295, 113928 (2026).

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https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113928

研究背景

近年來，光伏發(fā)電技術(shù)引起了可再生能源的興趣，必須逐步補(bǔ)充燃料消耗，以抵消全球變暖的影響。盡管引入了新興的光伏技術(shù)，如鈣鈦礦電池，但更多的鞏固技術(shù)，如單晶硅和多晶硅，將不會(huì)輕易得到補(bǔ)充，以跟隨光伏裝機(jī)容量的指數(shù)增長(zhǎng)，這是實(shí)現(xiàn)歐盟為2050年設(shè)定的脫碳目標(biāo)所必需的。由于這些原因，如今硅光伏技術(shù)覆蓋了97%的全球市場(chǎng)。

因此，本文旨在驗(yàn)證和量化熔融溫度在30-50℃和熱能容量(TEC)在11.1-15.4kJ范圍內(nèi)的基于相變材料的電池板的有效性，利用它們?cè)陉柟庹丈湎聦?shí)現(xiàn)被動(dòng)制冷，目的是進(jìn)一步將這些系統(tǒng)廣泛用于新工廠或改造已安裝的光伏設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們首先完成了復(fù)合實(shí)現(xiàn)，在三個(gè)候選者之間應(yīng)用了一個(gè)薄薄的封套，以保證有效的熱傳遞。然后，我們選擇了商用多晶光伏微型組件，驗(yàn)證了它們的連接對(duì)其升溫的影響。隨后，我們?cè)谑彝鈼l件下測(cè)試了耦合了單層、雙層和三層吸熱板的太陽能系統(tǒng)，并估計(jì)了沒有任何冷卻系統(tǒng)的組件的輸出能量增益。最后，我們對(duì)被動(dòng)冷卻作用下光伏電池厚度的溫度梯度進(jìn)行了量化。

研究?jī)?nèi)容

為提高TPV電池的轉(zhuǎn)換性能，開發(fā)了一種基于前表面液體的冷卻方法。將前表面冷卻方法與傳統(tǒng)的后表面冷卻方法進(jìn)行了比較，以評(píng)價(jià)其潛在的優(yōu)勢(shì)。圖1顯示了正在考慮的TPV轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)換器中，黑體發(fā)射器位于GaSb TPV 電池的正上方。選擇市售的GaSb電池(JX Crystals)作為模型中的參考電池，以評(píng)估轉(zhuǎn)換器的性能。兩個(gè)組件具有相同的尺寸(16.5mm×12mm)。在前表面冷卻配置中，液層和氟化鈣(CaF2)窗口(2mm厚)放置在TPV電池上方，作為CaF2提供從可見光到近紅外范圍的高透明度，確保高效的光傳輸。此外，液體層不僅用作冷卻介質(zhì)，還可作為光學(xué)層，減少細(xì)胞表面的反射損耗。在背面冷卻配置中，液層位于電池后面，并由熱阻隔層隔開。該層模擬電池本身、用于安裝和連接電池的襯底以及電池與襯底之間的接觸熱阻的組合熱阻。將熱阻層的厚度設(shè)置為1mm，并調(diào)整其導(dǎo)熱系數(shù)以控制總熱阻。在兩種構(gòu)型中，TPV細(xì)胞的厚度均為0.01mm。

本研究用熔融的PCM真空浸漬EG，然后對(duì)浸漬的粉末進(jìn)行冷壓，制成了質(zhì)量為70g、截面為62×62mm2的吸熱板。EG與PCM的重量比為14:100，相當(dāng)于EG的12.3wt%和PCM的87.7wt%。選擇這個(gè)量是為了優(yōu)化互連的石墨化網(wǎng)絡(luò)帶來的導(dǎo)熱性改善和泄漏減少，同時(shí)保持盡可能高的PCM含量。然后用熱焊機(jī)將PE和PE-Al外殼密封在基于PCM的復(fù)合材料周圍，以避免泄漏PCM分散在環(huán)境中并保持被動(dòng)冷卻系統(tǒng)的熱管理能力。石墨基箔纏繞在面板上并用導(dǎo)熱膠帶密封。圖1顯示了具有不同信封類型的三個(gè)面板。

圖1 PCM基板用三個(gè)封套封裝:(a)PE;(b)PEAL;(c)GRA。

圖2顯示了在熱板仿真過程中，微型模塊和覆蓋MPA面板的三個(gè)外殼之間的界面處達(dá)到的溫度隨時(shí)間的變化。從圖2中可以明顯看出，GRA包絡(luò)層對(duì)傳熱反應(yīng)最靈敏，因?yàn)樵谇?0分鐘內(nèi)，光伏組件相對(duì)于其他兩個(gè)組件保持在較低的溫度，從而使被動(dòng)冷卻系統(tǒng)的作用更加有效。然而，膠帶封口并不能完全防止PCM的泄漏，因此該解決方案不適合長(zhǎng)期應(yīng)用，如果密封性得到改善，該解決方案仍然是一個(gè)有效的替代方案。PE外殼比PE-Al外殼可以更好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度。這可以解釋為，兩個(gè)外殼都由厚度相當(dāng)（90-95μm）的PE層組成，而額外的鋁層，主要是兩層之間的粘合劑，提供了額外的熱阻貢獻(xiàn)。

圖2 在熱板測(cè)試(70℃)期間，加熱模塊和三個(gè)封套之間界面的溫度分布。

正如預(yù)期的那樣，GRA包絡(luò)具有最高的熱擴(kuò)散率，如圖3所示，這將反映在更高的導(dǎo)熱性上，其值比PE基薄膜高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。獲得的值與公開文獻(xiàn)中報(bào)告的其他值是一致的，盡管略低;考慮到使用LFA技術(shù)，通常可以獲得較低的擴(kuò)散率，從而減少樣品厚度。此外，還可以看到隨著溫度升高，熱擴(kuò)散率的典型急劇下降。PE和PE-Al的熱擴(kuò)散率比GRA低得多，它們之間的差異很小，約為0.1mm2/s，同時(shí)還考慮到該技術(shù)對(duì)薄樣品的不確定性增加。PE-Al的熱擴(kuò)散率略高于PE。然而，根據(jù)熱板模擬獲得的結(jié)果，它具有更高的總厚度，因此熱阻貢獻(xiàn)也更高。

圖3 作為熱管理面板候選封套的薄膜的熱擴(kuò)散率。

為了評(píng)估光伏電池在陽光照射下的性能，我們初步比較了A型和B型微型組件在開路(OC)和最大功率點(diǎn)(MPP)條件下(室外測(cè)試1)，這些結(jié)果總結(jié)在圖4中。從圖4看，首先要考慮的是，即使氣溫勉強(qiáng)達(dá)到30℃，也很容易達(dá)到70℃的峰值，并且暴露2小時(shí)后，組件溫度將永久保持在60℃以上。在兩種條件下，微型組件的溫度曲線略有不同，OC條件下的平均溫度較高1.5℃，可能是因?yàn)殡娏鳝h(huán)流缺乏耗散貢獻(xiàn)。B型系統(tǒng)也證實(shí)了這一趨勢(shì)：從圖4b所示的溫度曲線中可以觀察到，溫度升高的主要貢獻(xiàn)只是物體的顏色，與電子設(shè)備典型的自生現(xiàn)象無關(guān)。與白色物體（入射電磁波譜的吸光度較低）和深色物體相比，很容易注意到15℃的差異。

圖4 室外測(cè)試1期間加熱的溫度曲線，其中比較了MPP和OC條件:(a)A型模塊;(b)B型模塊和不同顏色的物體。

圖5顯示了三個(gè)具有代表性的連續(xù)晴天的溫度曲線，其中樣品名稱相對(duì)于之前的表征略有修改。從圖5中，我們可以再次觀察到溫度超過70℃，根據(jù)使用RT35的厚度，溫度降低25-30℃，持續(xù)1-4h，MPA在整個(gè)陽光照射期間也降低20℃。雙層和三層MPA/EG14可以完全平滑溫度峰值，作用時(shí)間超過7h。然而，太陽輻射不斷傾向于增加組件溫度，并且只有在高于相變相變的溫度下才能達(dá)到平衡條件。此外，我們可以觀察到主動(dòng)熱量積累的貢獻(xiàn)，因?yàn)樵谒邢到y(tǒng)中，達(dá)到的最高溫度與面板厚度成反比，也是在相變材料完全熔化之后。RT35/EG14的進(jìn)一步厚度增加可能是低效的，因?yàn)槿龑有枰共拍苤亟Y(jié)晶，這是相變材料周期作用的基本條件。

圖5 室外測(cè)試期間，不帶冷卻系統(tǒng)且具有單層、雙層和三層(分別為_1、_2 和_3)熱管理面板的A型模塊的代表性溫度曲線3:(a)RT35/EG14;(b)MPA/EG14。

為了更深入地了解基于相變材料的面板的功效，通過計(jì)算輸出能量，并報(bào)告在圖6中。從圖6a可以看出，輸出能量隨溫度系數(shù)變化而增加的線性度顯而易見。單層面板的結(jié)果略有不同，而將其加倍和三倍，RT35表現(xiàn)出更有效?？紤]到完全晴天(圖6b)，輸出能量增益要明顯得多，RT35/EG14的三層達(dá)到了紀(jì)錄，接近輸出能量增加的11%、8%和5%，溫度系數(shù)分別為-0.60%/℃、-0.45%/℃和-0.30%/℃。這證實(shí)了每日溫度峰值的完全平滑與最高輸出能量增益不重合，并且使用能夠保持較低溫度的較低熔點(diǎn)相變材料，即使是更短的時(shí)間，可能是可取的。這些結(jié)果證明了這些基于PCM的面板在被動(dòng)冷卻光伏電池方面的能力。

圖6 基于相變材料的面板提供的輸出能量增加作為溫度系數(shù)的函數(shù):(a)
在室外測(cè)試3的整個(gè)期間;(b)在2024年8月9日期間。

為了驗(yàn)證之前的估計(jì)，將太陽能組件后部記錄的溫度與紅外熱成像法確定的正面溫度進(jìn)行比較，如圖7所示。從圖7a可以觀察到，冷卻不僅發(fā)生在模塊背面，而且發(fā)生在正面;因此，考慮對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行有效冷卻是合理的。比較記錄的溫度（圖7b），我們可以識(shí)別出電池前部的溫度比背面高1-2℃，因此，我們可以假設(shè)光伏器件厚度的溫度梯度相對(duì)于吸熱板提供的溫度降低可以忽略不計(jì)，從而證實(shí)了先前估計(jì)的可靠性。

圖7 室外測(cè)試3期間的紅外熱成像結(jié)果:(a) 熱成像框架;(b)通過熱電偶(TC)測(cè)量的電池表面(IR)和背面之間的溫差，用于參考電池和與 MPA/EG 被動(dòng)冷卻板耦合的電池。

在圖8中可以觀察到工作35天后面板的完整性，證明了3D打印外殼提供的橫向約束的有效性。沒有觀察到PE外殼泄漏，這可以證明是防止PCM損失的簡(jiǎn)單但可靠的解決方案。然而，與MPA(脂肪酸)相比，RT35(石蠟)從EG基質(zhì)中滲漏的量可能比MPA(脂肪酸)更豐富，這肯定限制了熱交換的及時(shí)性，證實(shí)了脂肪酸對(duì)滲入EG結(jié)構(gòu)的殘留物相對(duì)于其他脂肪族低聚物的態(tài)度更好。然而，熔焓和熱能容量在數(shù)百次循環(huán)后也可以認(rèn)為相同，這依賴于浸漬在EG中的有機(jī)相變材料的特殊穩(wěn)定性，并且溫度控制在重復(fù)循環(huán)后不會(huì)發(fā)生重大變化。

圖8 2024年8月9日至9月14日暴露35天后的熱管理板。

結(jié)論與展望

在這項(xiàng)研究中，研究了用于硅光伏電池被動(dòng)冷卻的基于相變材料的面板。我們開發(fā)了約62×62×20mm的高導(dǎo)電性PCM面板熱能容量在11-15 kJ范圍內(nèi)，應(yīng)用于商業(yè)光伏系統(tǒng)的背面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，PCM/EG面板可有效實(shí)現(xiàn)硅光伏組件的被動(dòng)冷卻，能夠平滑高達(dá)30℃的溫度峰值，效果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí);商用光伏微型組件的開路條件提供的平均溫度比最大功率點(diǎn)條件高1.5℃，而溫度升高的主要原因可歸因于表面顏色，與任何電氣連接無關(guān)，白色和深色物體之間的溫差高達(dá)15℃;所有電池板均對(duì)發(fā)電產(chǎn)生有益，尤其是雙層和三層(熱能容量為22-42 kJ)，在脂肪酸混合物(MPA)的情況下，在整個(gè)陽光照射期間，日溫度峰值可以平滑到20℃。被動(dòng)冷卻的結(jié)果肯定地證實(shí)，通過利用光伏電池板背面通常存在的未使用的空白空間，這些電池板可以與光伏設(shè)備接觸，并可用于新安裝或改造現(xiàn)有系統(tǒng)。