SEMSC：相变材料和膨胀石墨给太阳能电池降温

论文信息：

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).

论文链接：

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

研究背景

近年来，光伏发电技术引起了可再生能源的兴趣，必须逐步补充燃料消耗，以抵消全球变暖的影响。尽管引入了新兴的光伏技术，如钙钛矿电池，但更多的巩固技术，如单晶硅和多晶硅，将不会轻易得到补充，以跟随光伏装机容量的指数增长，这是实现欧盟为2050年设定的脱碳目标所必需的。由于这些原因，如今硅光伏技术覆盖了97%的全球市场。

因此，本文旨在验证和量化熔融温度在30-50℃和热能容量(TEC)在11.1-15.4kJ范围内的基于相变材料的电池板的有效性，利用它们在阳光照射下实现被动制冷，目的是进一步将这些系统广泛用于新工厂或改造已安装的光伏设备。为了实现这一目标，我们首先完成了复合实现，在三个候选者之间应用了一个薄薄的封套，以保证有效的热传递。然后，我们选择了商用多晶光伏微型组件，验证了它们的连接对其升温的影响。随后，我们在室外条件下测试了耦合了单层、双层和三层吸热板的太阳能系统，并估计了没有任何冷却系统的组件的输出能量增益。最后，我们对被动冷却作用下光伏电池厚度的温度梯度进行了量化。

研究内容

为提高TPV电池的转换性能，开发了一种基于前表面液体的冷却方法。将前表面冷却方法与传统的后表面冷却方法进行了比较，以评价其潜在的优势。图1显示了正在考虑的TPV转换器。在转换器中，黑体发射器位于GaSb TPV 电池的正上方。选择市售的GaSb电池(JX Crystals)作为模型中的参考电池，以评估转换器的性能。两个组件具有相同的尺寸(16.5mm×12mm)。在前表面冷却配置中，液层和氟化钙(CaF2)窗口(2mm厚)放置在TPV电池上方，作为CaF2提供从可见光到近红外范围的高透明度，确保高效的光传输。此外，液体层不仅用作冷却介质，还可作为光学层，减少细胞表面的反射损耗。在背面冷却配置中，液层位于电池后面，并由热阻隔层隔开。该层模拟电池本身、用于安装和连接电池的衬底以及电池与衬底之间的接触热阻的组合热阻。将热阻层的厚度设置为1mm，并调整其导热系数以控制总热阻。在两种构型中，TPV细胞的厚度均为0.01mm。

本研究用熔融的PCM真空浸渍EG，然后对浸渍的粉末进行冷压，制成了质量为70g、截面为62×62mm2的吸热板。EG与PCM的重量比为14:100，相当于EG的12.3wt%和PCM的87.7wt%。选择这个量是为了优化互连的石墨化网络带来的导热性改善和泄漏减少，同时保持尽可能高的PCM含量。然后用热焊机将PE和PE-Al外壳密封在基于PCM的复合材料周围，以避免泄漏PCM分散在环境中并保持被动冷却系统的热管理能力。石墨基箔缠绕在面板上并用导热胶带密封。图1显示了具有不同信封类型的三个面板。

图1 PCM基板用三个封套封装:(a)PE;(b)PEAL;(c)GRA。

图2显示了在热板仿真过程中，微型模块和覆盖MPA面板的三个外壳之间的界面处达到的温度随时间的变化。从图2中可以明显看出，GRA包络层对传热反应最灵敏，因为在前40分钟内，光伏组件相对于其他两个组件保持在较低的温度，从而使被动冷却系统的作用更加有效。然而，胶带封口并不能完全防止PCM的泄漏，因此该解决方案不适合长期应用，如果密封性得到改善，该解决方案仍然是一个有效的替代方案。PE外壳比PE-Al外壳可以更好地调节系统温度。这可以解释为，两个外壳都由厚度相当（90-95μm）的PE层组成，而额外的铝层，主要是两层之间的粘合剂，提供了额外的热阻贡献。

图2 在热板测试(70℃)期间，加热模块和三个封套之间界面的温度分布。

正如预期的那样，GRA包络具有最高的热扩散率，如图3所示，这将反映在更高的导热性上，其值比PE基薄膜高出一个数量级以上。获得的值与公开文献中报告的其他值是一致的，尽管略低;考虑到使用LFA技术，通常可以获得较低的扩散率，从而减少样品厚度。此外，还可以看到随着温度升高，热扩散率的典型急剧下降。PE和PE-Al的热扩散率比GRA低得多，它们之间的差异很小，约为0.1mm2/s，同时还考虑到该技术对薄样品的不确定性增加。PE-Al的热扩散率略高于PE。然而，根据热板模拟获得的结果，它具有更高的总厚度，因此热阻贡献也更高。

图3 作为热管理面板候选封套的薄膜的热扩散率。

为了评估光伏电池在阳光照射下的性能，我们初步比较了A型和B型微型组件在开路(OC)和最大功率点(MPP)条件下(室外测试1)，这些结果总结在图4中。从图4看，首先要考虑的是，即使气温勉强达到30℃，也很容易达到70℃的峰值，并且暴露2小时后，组件温度将永久保持在60℃以上。在两种条件下，微型组件的温度曲线略有不同，OC条件下的平均温度较高1.5℃，可能是因为电流环流缺乏耗散贡献。B型系统也证实了这一趋势：从图4b所示的温度曲线中可以观察到，温度升高的主要贡献只是物体的颜色，与电子设备典型的自生现象无关。与白色物体（入射电磁波谱的吸光度较低）和深色物体相比，很容易注意到15℃的差异。

图4 室外测试1期间加热的温度曲线，其中比较了MPP和OC条件:(a)A型模块;(b)B型模块和不同颜色的物体。

图5显示了三个具有代表性的连续晴天的温度曲线，其中样品名称相对于之前的表征略有修改。从图5中，我们可以再次观察到温度超过70℃，根据使用RT35的厚度，温度降低25-30℃，持续1-4h，MPA在整个阳光照射期间也降低20℃。双层和三层MPA/EG14可以完全平滑温度峰值，作用时间超过7h。然而，太阳辐射不断倾向于增加组件温度，并且只有在高于相变相变的温度下才能达到平衡条件。此外，我们可以观察到主动热量积累的贡献，因为在所有系统中，达到的最高温度与面板厚度成反比，也是在相变材料完全熔化之后。RT35/EG14的进一步厚度增加可能是低效的，因为三层需要整夜才能重结晶，这是相变材料周期作用的基本条件。

图5 室外测试期间，不带冷却系统且具有单层、双层和三层(分别为_1、_2 和_3)热管理面板的A型模块的代表性温度曲线3:(a)RT35/EG14;(b)MPA/EG14。

为了更深入地了解基于相变材料的面板的功效，通过计算输出能量，并报告在图6中。从图6a可以看出，输出能量随温度系数变化而增加的线性度显而易见。单层面板的结果略有不同，而将其加倍和三倍，RT35表现出更有效。考虑到完全晴天(图6b)，输出能量增益要明显得多，RT35/EG14的三层达到了纪录，接近输出能量增加的11%、8%和5%，温度系数分别为-0.60%/℃、-0.45%/℃和-0.30%/℃。这证实了每日温度峰值的完全平滑与最高输出能量增益不重合，并且使用能够保持较低温度的较低熔点相变材料，即使是更短的时间，可能是可取的。这些结果证明了这些基于PCM的面板在被动冷却光伏电池方面的能力。

图6 基于相变材料的面板提供的输出能量增加作为温度系数的函数:(a)
在室外测试3的整个期间;(b)在2024年8月9日期间。

为了验证之前的估计，将太阳能组件后部记录的温度与红外热成像法确定的正面温度进行比较，如图7所示。从图7a可以观察到，冷却不仅发生在模块背面，而且发生在正面;因此，考虑对整个设备进行有效冷却是合理的。比较记录的温度（图7b），我们可以识别出电池前部的温度比背面高1-2℃，因此，我们可以假设光伏器件厚度的温度梯度相对于吸热板提供的温度降低可以忽略不计，从而证实了先前估计的可靠性。

图7 室外测试3期间的红外热成像结果:(a) 热成像框架;(b)通过热电偶(TC)测量的电池表面(IR)和背面之间的温差，用于参考电池和与 MPA/EG 被动冷却板耦合的电池。

在图8中可以观察到工作35天后面板的完整性，证明了3D打印外壳提供的横向约束的有效性。没有观察到PE外壳泄漏，这可以证明是防止PCM损失的简单但可靠的解决方案。然而，与MPA(脂肪酸)相比，RT35(石蜡)从EG基质中渗漏的量可能比MPA(脂肪酸)更丰富，这肯定限制了热交换的及时性，证实了脂肪酸对渗入EG结构的残留物相对于其他脂肪族低聚物的态度更好。然而，熔焓和热能容量在数百次循环后也可以认为相同，这依赖于浸渍在EG中的有机相变材料的特殊稳定性，并且温度控制在重复循环后不会发生重大变化。

图8 2024年8月9日至9月14日暴露35天后的热管理板。

结论与展望

在这项研究中，研究了用于硅光伏电池被动冷却的基于相变材料的面板。我们开发了约62×62×20mm的高导电性PCM面板热能容量在11-15 kJ范围内，应用于商业光伏系统的背面。实验结果，PCM/EG面板可有效实现硅光伏组件的被动冷却，能够平滑高达30℃的温度峰值，效果持续时间长达数小时;商用光伏微型组件的开路条件提供的平均温度比最大功率点条件高1.5℃，而温度升高的主要原因可归因于表面颜色，与任何电气连接无关，白色和深色物体之间的温差高达15℃;所有电池板均对发电产生有益，尤其是双层和三层(热能容量为22-42 kJ)，在脂肪酸混合物(MPA)的情况下，在整个阳光照射期间，日温度峰值可以平滑到20℃。被动冷却的结果肯定地证实，通过利用光伏电池板背面通常存在的未使用的空白空间，这些电池板可以与光伏设备接触，并可用于新安装或改造现有系统。