论文信息：

W. Phukaokaew, A. Suksri, K. Punyawudho, T. Wongwuttanasatian, Thermal management of photovoltaic module using affordable organic phase change material combined with nano metal oxide particles enhancer, Heliyon 10, e41054 (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e41054

研究背景

高温会降低光伏器件的光电转化效率，研究人员研发了许多方法来降低它的温度，其中，基于相变材料的冷却系统因能够有效降低光伏组件的温度而广受欢迎。通过调研先前对相变材料（PCM）冷却PV的文献发现PCM有一个显著的缺点是导热性差。因此，通过添加纳米颗粒来提高相变材料的热导率，然而，之前用于生产冷却剂的材料或PCM不仅重而且价格高。本研究中采用三种不同类型且价格低廉的纳米粒子，即Al2O3、MgO和CuO与有机月桂酸（LA），以最佳比例掺入三种金属氧化物纳米颗粒（复合相变材料称为nc-PCM），提高了有机PCM的导热性，降低了PV温度，提高了光伏组件的效率。

研究内容

图1说明了热导率的模式，熔化潜热指向相反的方向，由图可以得出结论，理想的比例是94%的月桂酸与6%的纳米颗粒。

图1. 随纳米粒子的加入PCM的热导系数和熔化潜热变化图。

图2比较了月桂酸与其他PCM的密度和熔点。有机PCM（月桂酸）具有较低的密度，约是其他PCM的1-1.8倍，因此月桂酸比其他PCM轻。此外，由于泰国的环境温度（T磁共振）为38°C，因此，最佳相变材料的熔点在41°C至44°C之间。

图2. 月桂酸与其他PCM的密度比较 。

使用探针超声处理，将LA分别与三种纳米金属氧化物颗粒分别以94%和6%的质量比混合，以生产nc-PCM。在80°C左右的温度下搅拌nc-PCM以实现均匀性，然后冷却至固态。本研究使用了20W多晶光伏组件，所有温度均使用K型热电偶测量，光伏器件保持45°倾斜。系统连接电阻负载（30Ω）、最大电压和最大电流进行测量。本研究包括三个带有nc-PCM的光伏组件和一个没有nc-PCM的光伏组件，以比较它们的电效率。图3展示了所有光伏组件背面平均温度的变化，在评估的三种nc-PCM中，LA：MgO表现出最高的热导率（0.156W/m.K.）、最低的熔融温度（41.28 °C）和最有利的熔化潜热（167J/k），而LA：Al2O3和LA：CuO分别为（0.143 W/m.K.，42.35°C，177J/k）和（153W/m.K.，42.46°C，154J/k）。因此，采用LA：MgO的太阳能电池板具有最大的降温效果。

图3. 试验温度的比较。

图4（a）展示了实验中产生的电压和电流。在180分钟内，带有nc-PCM的 PV组件产生的电流明显高于未冷却的PV组件，带有nc-PCM的光伏组件比没有冷却的光伏组件具有更高的平均电压。在实验开始时，没有冷却的光伏组件和带有 nc-PCM的光伏组件（LA：Al2O3、LA：MgO和LA：CuO）分别产生18.83V、18.87 V、18.81V和18.87V的电压。光伏组件温度的升高使平均电压输出降低至15.40 V、16.33V、16.75V和16.23V。图4（b）展示了PV组件的I-V特性。nc-PCM（LA：MgO）由于其高导热性而保持其最高值。组件环境温度的升高会降低VOC并显著增加ISC。此外，光伏表面的温度会显著影响最大功率输出（Pmax)。如图4（c）所示，可以观察到LA：MgO型PV表现出最高的最大功率输出，其次是LA：Al2O3、LA：CuO和参考光伏组件。LA: MgO的PV平均输出功率约为11.80W，而LA：Al2O3和LA：CuO的PV平均输出功率约为11.33W和11.21W。对于平均输出功率约为10.33W的参考PV，LA：MgO增加14.18% ，LA：Al2O3增加9.69%，LA：CuO增加8.47%。

图4.（a）电压和电流曲线图（b）I-V 特性（c）输出功率曲线图 。

图5展示了各种测试的PV组件的电效率随时间的变化情况。由于实验过程中光辐射的增加，光伏组件的温度升高，电压降低导致电效率降低。LA：MgO型nc-PCM的光伏组件的电效率最大为9.74%，平均值为8.92%；LA：Al2O3型nc-PCM光伏组件的电效率最大为9.69%，平均值为8.57%；LA：CuO型nc-PCM的光伏组件的电效率最大为9.66%，平均值为8.48%。该研究结果建议选择LA：MgO型nc-PCM作为最佳PCM。

图5. 三种nc-PCM和不带冷却的PV组件的电效率曲线图。

图6展示了使用nc-PCM的PV组件与不使用PCM的PV组件的发电量比较。实验进行了3h，在此期间LA：MgO、LA：Al2O3和LA：CuO的发电量分别为4.38Wh、2.99Wh和 2.62Wh。相对于没有冷却的PV组件，nc-PCM促进了PCM容器中的热扩散。每60分钟LA：MgO、LA：Al2O3和LA：CuO型PV发电量分别增加约14.05%、9.84%和8.79%。

图6. 基于3小时测试的发电量比较。

结论与展望

根据上述结果，建议使用LA：MgO型nc-PCM（比例为94：6），因为它提供最高的导热性，显著降低了光伏组件的工作温度，输出功率、电效率和发电量都优于其他三组。此外，与其他类型的PCM相比，有机月桂酸具有较低的密度，重量轻，MgO纳米颗粒增强剂和月桂酸比其他同类型的材料成本低，以低成本实现了优异的冷却效果。