鳍片与PCM（相变材料）集成在提升光伏性能中的作用

《Green Technologies and Sustainability》：The role of fin–PCM integration in enhancing photovoltaic performance

该研究系统综述了fin-PCM被动冷却技术对光伏系统热效率（提升18.7%）和电气效率（提升2.8%）的优化效果，通过PRISMA框架筛选2020-2025年42篇文献，分析显示孔隙 fin和斜面组合 fin在性能与成本间取得平衡，但当前成本（350美元/kW）导致回收期长达16-17年。敏感性分析表明，当成本降至250美元/kW以下且热效率超22%时，IRR可达28%，NPV转为正值。建议分三阶段推进：首阶段聚焦工业应用验证（1-3年），中期通过规模化降低成本（4-7年），远期拓展至居民和 utility 级市场（8-15年），需政策支持与全生命周期评估。

　　光伏系统在实现高效和长期运行方面面临显著挑战，其根本原因在于过高的工作温度会导致电气输出下降，并加速材料老化。为应对这一问题，本研究系统地回顾了鳍-相变材料（Fin-PCM）作为被动冷却策略的应用，以提高光伏系统的热和电性能。研究依据PRISMA 2020框架，涵盖了2020年至2025年间发表的42项符合条件的研究，这些研究通过严格的纳入和排除过程从四个主要数据库（Scopus、Web of Science、ScienceDirect和IEEE Xplore）中筛选得出。每项研究都基于技术、经济和环境性能指标进行评估，以全面理解该技术的潜力和局限性。

研究发现，鳍-PCM配置能够将光伏模块的热效率提高多达18.7%，并将峰值温度降低多达15°C，相比传统系统。这些改进带来了平均2.8%的电力效率提升，其中最佳表现出现在多孔和分形鳍结构中。然而，技术增强与实施复杂性之间存在明显的权衡关系，简单的直鳍设计由于其高商业成熟度（TRL 8）而更具商业可行性，而先进的鳍-PCM系统仍处于早期发展阶段（TRL 4）。经济分析表明，当前配置需要额外约350美元/kW的投资，导致约16-17年的投资回收期和在基准条件下为负的净现值（NPV）。然而，基于敏感性优化的研究表明，若将成本降至250美元/kW以下，并将热效率提升至22%以上，可以在15年内实现约28%的内部收益率（IRR），从而使得该技术具备经济可行性。

总体而言，鳍-PCM技术为提升光伏系统的稳定性、效率和可持续性提供了一条有前景的路径。研究建议采用分阶段的商业化策略，优先在工业和商业应用中推广，因为这些领域对高价值热能的需求与鳍-PCM的优势相匹配。未来的研究应聚焦于大规模现场验证、成本降低策略以及生命周期评估，以加快鳍-PCM从实验室创新向市场可用的可再生能源解决方案的过渡。

本研究的目的是提供一个全面的框架，以评估光伏-相变材料（PV-PCM）系统的潜力及其在不同规模应用中的适用性。其核心目标是评估相变材料（PCM）如何有效提升光伏模块的电气效率，同时保持温度稳定。从经济角度来看，研究分析了投资可行性，包括净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回收期等关键指标。此外，研究还探讨了市场应用，强调了在住宅、商业、工业和公用事业等不同领域中推广PV-PCM技术的机会。

在技术层面，研究总结了多个关键参数，这些参数对鳍-PCM冷却系统的有效性至关重要。这些参数包括PCM的热物理特性、鳍的几何形状以及系统集成策略，它们共同决定了系统的长期稳定性和性能。例如，PCM的适当熔化温度范围会影响其潜热储存的效果，而良好的热传导性对于加速热量向环境的释放是必要的。此外，多孔鳍的几何设计在特定孔隙率下已被证明可以显著提高传热速率。模块化系统集成也已被识别为便于维护和组件替换的关键因素。因此，制定最佳的技术规范是设计具有竞争力的PV-PCM系统的基础。

从经济可行性角度来看，研究分析了在光伏电站中引入鳍-PCM系统所需的额外投资成本。分析结果显示，尽管初始投资成本较高，但随着技术的优化和规模的扩大，成本有望显著降低。同时，研究还指出，提高热效率和降低材料成本是实现经济可行性的关键因素。敏感性分析表明，若将热效率提升至22%以上，并将额外投资成本降至250美元/kW以下，可以在15年内实现约28%的内部收益率（IRR），从而使得该技术在经济上具有可行性。然而，当前条件下，由于较高的成本和有限的市场接受度，该技术在住宅和公用事业领域仍面临较大的经济挑战。

市场分析部分则探讨了不同应用领域对PV-PCM技术的经济前景。研究发现，尽管公用事业领域的市场规模最大，但其投资回收期较长，使得该技术在当前条件下难以实现经济可行性。相比之下，工业和商业领域由于对高价值热能的需求较高，以及对长期可靠性和能源安全的关注，提供了更有利的市场环境。此外，工业领域还因其持续运行的特性，使得废热回收和热管理优化能够显著抵消初始投资成本。

在实施策略方面，研究提出了分阶段的市场进入策略，以确保技术从研发阶段逐步过渡到商业化阶段。该策略分为三个主要阶段：短期聚焦于高价值的工业应用，中期扩大到商业市场，长期推动至大众市场。每个阶段都设有不同的重点，包括技术验证、产品发布和市场扩展等。同时，研究还强调了风险管理的重要性，提出了综合的风险缓解框架，涵盖技术、经济和市场三个主要维度。例如，技术风险缓解包括严格的质量控制和分层测试程序，经济风险缓解则包括固定价格合同和分阶段市场进入策略，而市场风险缓解则涉及灵活的定价模型和长期合同。

研究的局限性在于，所使用的数据库主要来自之前的研究，这些研究在方法、气候条件和系统配置方面存在显著差异。这种异质性可能导致结果的推广存在偏差，因为并非所有研究的环境条件完全一致。为了减少这种偏差，研究采用了标准化和加权方法，以提高不同数据集之间的可比性。每项研究根据气候类型（热带、温带或干旱）、PCM成分和鳍配置进行分类，并在标准测试条件下对性能指标（如热效率、温度降低和熔化时间）进行归一化处理。加权平均值则基于样本量和报告的不确定性，使得聚合结果能够代表整体性能趋势，而非孤立案例的结果。然而，这些概括性的结果应谨慎解读，因为特定气候或极端环境条件可能会产生不同的结果，需要进一步的验证。

研究的结论表明，鳍-PCM技术在提升光伏系统性能方面具有巨大潜力，但其商业化进程仍需克服多项关键挑战。这些挑战包括制造成本的降低、长期性能的验证以及提高经济可行性。技术因素如PCM的热传导性、多孔鳍的几何设计和模块化结构被识别为实现最佳性能的关键参数。从经济和市场角度来看，虽然当前条件下鳍-PCM技术仍处于边缘可行性，但通过优化成本和提升效率，其经济前景有望显著改善。因此，研究建议采用分阶段的市场进入策略，优先在高价值的工业和商业应用中推广，并通过政策支持、制造创新和灵活的商业模式来加速其商业化进程。未来的研究应进一步聚焦于大规模现场数据的整合，以验证PV-PCM技术在实际条件下的性能和经济性。只有通过战略性的政策框架、标准化举措和持续的研发投资，才能将实验室创新转化为可大规模应用的可再生能源解决方案。