SEMSC：相變材料和膨脹石墨給太陽能電池降溫

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).

論文鏈接：

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

研究背景

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

因此，本文旨在驗證和量化熔融溫度在30-50℃和熱能容量(TEC)在11.1-15.4kJ范圍內的基于相變材料的電池板的有效性，利用它們在陽光照射下實現被動制冷，目的是進一步將這些系統廣泛用于新工廠或改造已安裝的光伏設備。為了實現這一目標，我們首先完成了復合實現，在三個候選者之間應用了一個薄薄的封套，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，驗證了它們的連接對其升溫的影響。隨后，我們在室外條件下測試了耦合了單層、雙層和三層吸熱板的太陽能系統，并估計了沒有任何冷卻系統的組件的輸出能量增益。最后，我們對被動冷卻作用下光伏電池厚度的溫度梯度進行了量化。

研究內容

為提高TPV電池的轉換性能，開發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的后表面冷卻方法進行了比較，以評價其潛在的優勢。圖1顯示了正在考慮的TPV轉換器。在轉換器中，黑體發射器位于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，以評估轉換器的性能。兩個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，還可作為光學層，減少細胞表面的反射損耗。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。將熱阻層的厚度設置為1mm，并調整其導熱系數以控制總熱阻。在兩種構型中，TPV細胞的厚度均為0.01mm。

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

圖1 PCM基板用三個封套封裝:(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面板的三個外殼之間的界面處達到的溫度隨時間的變化。從圖2中可以明顯看出，GRA包絡層對傳熱反應最靈敏，因為在前40分鐘內，光伏組件相對于其他兩個組件保持在較低的溫度，從而使被動冷卻系統的作用更加有效。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期應用，如果密封性得到改善，該解決方案仍然是一個有效的替代方案。PE外殼比PE-Al外殼可以更好地調節系統溫度。這可以解釋為，兩個外殼都由厚度相當（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。

圖2 在熱板測試(70℃)期間，加熱模塊和三個封套之間界面的溫度分布。

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

圖3 作為熱管理面板候選封套的薄膜的熱擴散率。

為了評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(MPP)條件下(室外測試1)，這些結果總結在圖4中。從圖4看，首先要考慮的是，即使氣溫勉強達到30℃，也很容易達到70℃的峰值，并且暴露2小時后，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℃，可能是因為電流環流缺乏耗散貢獻。B型系統也證實了這一趨勢：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只是物體的顏色，與電子設備典型的自生現象無關。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顯示了三個具有代表性的連續晴天的溫度曲線，其中樣品名稱相對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℃，根據使用RT35的厚度，溫度降低25-30℃，持續1-4h，MPA在整個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到平衡條件。此外，我們可以觀察到主動熱量積累的貢獻，因為在所有系統中，達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的進一步厚度增加可能是低效的，因為三層需要整夜才能重結晶，這是相變材料周期作用的基本條件。

圖5 室外測試期間，不帶冷卻系統且具有單層、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，通過計算輸出能量，并報告在圖6中。從圖6a可以看出，輸出能量隨溫度系數變化而增加的線性度顯而易見。單層面板的結果略有不同，而將其加倍和三倍，RT35表現出更有效。考慮到完全晴天(圖6b)，輸出能量增益要明顯得多，RT35/EG14的三層達到了紀錄，接近輸出能量增加的11%、8%和5%，溫度系數分別為-0.60%/℃、-0.45%/℃和-0.30%/℃。這證實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相變材料，即使是更短的時間，可能是可取的。這些結果證明了這些基于PCM的面板在被動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的函數:(a)
在室外測試3的整個期間;(b)在2024年8月9日期間。

為了驗證之前的估計，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行比較，如圖7所示。從圖7a可以觀察到，冷卻不僅發生在模塊背面，而且發生在正面;因此，考慮對整個設備進行有效冷卻是合理的。比較記錄的溫度（圖7b），我們可以識別出電池前部的溫度比背面高1-2℃，因此，我們可以假設光伏器件厚度的溫度梯度相對于吸熱板提供的溫度降低可以忽略不計，從而證實了先前估計的可靠性。

圖7 室外測試3期間的紅外熱成像結果:(a) 熱成像框架;(b)通過熱電偶(TC)測量的電池表面(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性，證實了脂肪酸對滲入EG結構的殘留物相對于其他脂肪族低聚物的態度更好。然而，熔焓和熱能容量在數百次循環后也可以認為相同，這依賴于浸漬在EG中的有機相變材料的特殊穩定性，并且溫度控制在重復循環后不會發生重大變化。

圖8 2024年8月9日至9月14日暴露35天后的熱管理板。

結論與展望

在這項研究中，研究了用于硅光伏電池被動冷卻的基于相變材料的面板。我們開發了約62×62×20mm的高導電性PCM面板熱能容量在11-15 kJ范圍內，應用于商業光伏系統的背面。實驗結果，PCM/EG面板可有效實現硅光伏組件的被動冷卻，能夠平滑高達30℃的溫度峰值，效果持續時間長達數小時;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，白色和深色物體之間的溫差高達15℃;所有電池板均對發電產生有益，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，在整個陽光照射期間，日溫度峰值可以平滑到20℃。被動冷卻的結果肯定地證實，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備接觸，并可用于新安裝或改造現有系統。