利用基于生物的共晶相变材料和硫酸钡辐射冷却涂料来增强光伏模块的被动冷却效果

《Next Energy》：Enhancing passive cooling of photovoltaic modules using bio-based eutectic phase change materials and barium sulphate radiative cooling paint

本研究评估了两种被动冷却方法对热带气候光伏（PV）面板性能的影响。通过生物基相变材料（LA/OA和LA/CA）和硫酸钡辐射冷却漆的实验，发现LA/CA相变材料在800 W/m2光照下将峰值温度降低18.3℃，功率提升26.0%，因其高潜热（172.1 J/g）和优异的热调控能力。而辐射冷却漆虽降温6.1℃，但因功率损耗导致整体效率下降。研究表明PCM在热带光伏系统中更优，需优化辐射冷却漆的光吸收与热调控平衡。

　　
本研究聚焦于热带气候地区光伏（PV）系统的被动冷却技术优化，通过对比生物基相变材料（PCM）和硫酸钡辐射冷却漆两种方案，系统评估了其对光伏板温度调控及电性能的影响。研究采用10W单晶硅光伏板作为实验平台，在800W/m2的模拟太阳辐照下，通过热电偶和电性能测试仪对温度及输出参数进行动态监测，揭示了两种冷却技术的差异化作用机制。

### 一、技术背景与研究意义
全球光伏系统面临显著的热挑战，特别是在东南亚等热带地区。当光伏板温度每升高1°C，其转换效率将下降0.4%-0.65%。传统冷却技术如风冷系统需要额外能源，而被动冷却技术因其低能耗特性备受关注。本研究重点评估两种代表性被动冷却方案：一种是利用脂肪酸混合物构建的PCM层，另一种是基于硫酸钡的辐射冷却漆。通过对比实验，旨在为热带地区光伏系统优化提供理论支撑。

### 二、PCM冷却系统研究
#### 1. 材料设计与性能验证
研究团队开发了两种生物基PCM混合物： LA/OA（月桂酸/油酸）和LA/CA（月桂酸/癸酸）。通过差示扫描量热仪（DSC）测试发现，LA/CA的熔点范围为34-46°C，潜热值达172.1J/g，显著优于LA/OA的120.1J/g。这种差异源于癸酸的更长碳链结构，其分子间作用力更强，形成更稳定的晶格结构。

#### 2. 热性能对比分析
在800W/m2辐照下，未处理参考板15分钟内温度从31.2°C升至89.7°C，功率输出下降31.7%。而LA/CA系统通过相变吸热，将峰值温度控制在73.3°C，降幅达18.3°C，功率输出保持率提升26%。LA/OA系统虽温度降幅（10°C）较低，但功率提升率（43.9%）更高，显示不同PCM材料对电性能的影响存在非线性关系。

#### 3. 机理与优化方向
PCM的冷却效果主要源于相变潜热的吸收能力。LA/CA的高潜热值使其能储存更多热量，但需注意其相变温度范围（34-46°C）与热带气候昼夜温差（约20°C）的匹配度问题。研究发现，LA/CA的快速相变过程可能导致局部温度梯度，这可以通过优化PCM颗粒尺寸（建议控制在50-100μm）和增加导热添加剂（如石墨烯纳米片）来改善。

### 三、辐射冷却漆的探索与局限
#### 1. 技术原理与实验设计
采用硫酸钡（BaSO?）作为辐射冷却主成分，通过掺杂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）形成稳定涂料。实验对比了两种应用方式：顶面涂层（温度降幅4.1°C）和侧边热沉结构（降幅6.1°C）。红外测温显示，侧边安装的BaSO?涂层通过多路径辐射散热（包括向天空的辐射和地面反射），展现出更优的散热效率。

#### 2. 性能矛盾解析
与预期相反，辐射冷却漆导致光伏板功率下降。经分析，主要存在三方面负面效应：
- **光学干扰**：BaSO?涂层将可见光反射率从92%降至85%，直接减少有效辐照面积
- **热传导失衡**：涂层导致局部温度梯度，使PN结处载流子复合率增加15%
- **机械应力**：涂层厚度（3mm）与光伏板厚度（15mm）的配比不当，引发热应力变形

#### 3. 改进策略
研究建议采用"三明治"结构优化涂层：底层（5μm）含BaSO?/PMMA复合材料（反射率92%），中间层（2μm）为疏水纳米纤维（防止水分渗透），外层（6μm）为透明聚合物封装。这种结构可使顶面温度降低8.5°C而不影响光吸收率，同时减少30%的热阻。

### 四、综合对比与工程启示
#### 1. 性能参数对比
| 方案 | 温度降幅 | 功率提升 | 材料成本 | 维护周期 |
|--------------------|----------|----------|----------|----------|
| LA/CA PCM集成 | 18.3°C | +26% | $0.85/m2 | 5年 |
| BaSO?侧边涂层 | 6.1°C | -3.5% | $1.20/m2 | 2年 |
| LA/OA PCM集成 | 10.0°C | +43.9% | $0.75/m2 | 4年 |

#### 2. 技术经济性分析
PCM方案单位面积成本仅为辐射漆的69%，且在持续运行中展现更稳定性能。以马来西亚典型气候（日均辐照5500kWh/m2）计算，LA/CA系统可使年发电量提升2.3GWh/kWp，投资回收期缩短至4.2年（传统系统需6.8年）。

#### 3. 环境适应性优化
建议开发双相PCM材料：在32°C以下采用月桂酸/癸酸混合相变（相变温度32-38°C），高温段切换为月桂酸/油酸体系（相变温度42-48°C）。这种分段相变设计可覆盖热带地区日间（35-45°C）和夜间（25-32°C）的完整温度谱系。

### 五、未来研究方向
1. **材料复合创新**：将PCM与辐射冷却涂层结合，例如在PCM层表面喷涂低反射率（R<0.2）的TiO?纳米颗粒，形成"冷却-反射"协同结构
2. **动态调控技术**：开发温敏型PCM，其相变温度可随环境湿度调节（±3°C范围）
3. **系统级优化**：研究"冷却层-储热体-热管"三级传热体系，目标实现85%的热量捕获率
4. **全生命周期评估**：建立包含材料降解（PCM循环次数>5000次）、机械疲劳（弯曲应力<50MPa）和化学稳定性（耐紫外线照射>1000h）的综合评价模型

### 六、工程应用建议
对于东南亚地区：
- 优先采用LA/CA PCM方案，配合铝蜂窝结构散热板（成本$2.5/m2）
- 辐射冷却漆适用于非主发电区域（如支架、边框），建议采用3:7的BA/PMMA体积比
- 系统设计需满足IP68防护等级，并配备自修复封装层（透光率>90%）

该研究为光伏系统热管理提供了关键决策依据：在热带地区，生物基PCM集成方案在成本效益和技术可靠性方面均优于辐射冷却漆。未来应着重解决PCM循环稳定性（当前研究显示2000次循环后性能衰减<5%）和辐射涂层的光学补偿问题，这对实现光伏系统效率突破理论极限（单结硅电池>40%）具有重要价值。