光伏-相变材料系统的数值研究：优化散热片几何形状以提高热管理效率和太阳能电池板性能

《Journal of Energy Storage》：Numerical investigation of photovoltaic–phase change material systems: Optimization of fin geometry for enhanced thermal management and solar panel performance

光伏系统与相变材料（PCM）结合的热管理及效率优化研究，采用ANSYS Fluent进行数值模拟，对比RT-42、磷酸氢二钠和硝酸钠-氯化钠混合物的性能，分析无腔、矩形、梯形和菱形腔体结构对温度分布、熔化行为及电/热效率的影响。结果表明矩形腔体配合硝酸钠-氯化钠混合物时电效率达12.90%，热效率12.12%，但长期运行和环境因素影响未考虑。

　　

Yuki Trisnoaji|Singgih Dwi Prasetyo|Zainal Arifin|Aditya Rio Prabowo

马朗国立大学（State University of Malang），印度尼西亚马朗，65145，热电厂工程技术专业

摘要

本研究探讨了将光伏（太阳能）系统与相变材料（PV–PCM）结合使用以增强散热和发电性能的方法。采用ANSYS Fluent进行数值模拟，评估了三种类型的相变材料：RT-42、十二水合磷酸钠（Na?HPO?·12H?O）以及硝酸钠-氯化钠混合物（NaNO?–NaCl）。同时分析了四种腔体散热片配置：无腔体、矩形腔体、梯形腔体和菱形腔体。在1021 W/m2的太阳辐照度下，模拟过程持续1800秒，重点关注温度分布、相变材料的熔化行为以及电效率和热效率。结果表明，当采用矩形腔体设计时，NaNO?–NaCl组合的电能效率最高（12.90%），热效率也为12.12%；十二水合磷酸钠的性能较为中等，其电效率和热效率分别为12.78%和10.21%；而RT-42的性能最低，分别为12.64%和6.97%。方差分析（ANOVA）证实相变材料类型对系统效率有显著影响，并凸显了腔体几何形状对热行为的影响。观察发现不同相变材料的熔化模式存在差异，其中矩形腔体在多数情况下产生的熔化量最大；而无腔体设计则略微提升了NaNO?–NaCl系统的电效率。尽管所得效率低于使用纳米流体的先进光伏冷却系统的效率，但该方案的简单性和成本效益仍具有优势。需要注意的是，本研究仅基于固定辐照条件下的数值模拟，未考虑长期运行、环境变化或全面的经济与环境评估。

部分内容摘录

拉丁符号说明

方差分析中的F统计量对流热传递系数相变材料容器的特征高度热导率熔化潜热< />质量热传递率吸收或释放的热能时间< />温度< />环境温度< />参考温度

符号	单位	含义
A	m2	光伏模块的表面积
Af	m2	垂直于热流的散热片横截面积
Cp	J·kg?1·K?1	比热容
F	–
g	m·s?2	重力加速度
h	W·m?2·K?1
H	m
k	W·m?1·K?1
L	J·kg?1
m
q	W
Q	J
t
T
Tamb
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研究方法

本研究旨在通过基于ANSYS Fluent的CFD数值模拟方法，评估散热片几何形状变化对光伏系统（集成相变材料）热性能和电效率的影响。测试的散热片几何形状包括一种实心散热片配置和三种腔体配置：矩形、梯形和菱形。此外，根据分类标准（有机相变材料RT-42、无机相变材料等），研究了三种类型的相变材料。

光伏表面温度分析结果

图9展示了在相同辐照条件下，不同散热片几何形状和相变材料类型的光伏表面温度随时间的变化情况。在无腔体散热片配置中，十二水合磷酸钠（Na?HPO?·12H?O）的最终温度最低，为319.82 K，其次是硝酸钠-氯化钠（NaNO?–NaCl）的317.64 K，RT-42的最终温度为321.62 K。

结论

有效的热管理对于提升光伏系统的性能、可靠性和寿命至关重要，尤其是在热带和高辐照地区，因为过高的工作温度会显著降低电效率。基于相变材料的被动冷却技术显示出巨大潜力；然而，仍存在一些挑战，如相变材料的熔化行为、材料选择以及热传递结构的几何优化问题。本研究对此进行了探讨。

作者贡献声明

Yuki Trisnoaji：撰写初稿、数据可视化、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构思。Singgih Dwi Prasetyo：审稿与编辑、撰写初稿、结果验证、项目监督、软件使用、资源协调、方法论制定、资金筹措、数据分析、概念构思。Zainal Arifin：审稿与编辑、结果验证、项目监督、软件使用、资源协调、数据管理、概念构思。Aditya Rio Prabowo：审稿与编辑、结果验证、项目监督、软件使用、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系/个人关系：Singgih Dwi Prasetyo表示获得了马朗国立大学的资金支持。其他作者声明没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本文为“Pengembangan Konfigurasi Geometri Heatsink Phase Changes Material Untuk Meningkatkan Efisiensi Listrik Sel Surya Fotovoltaik”（开发用于提高光伏电池电效率的相变材料散热器几何配置）的研究成果，该项目由马朗国立大学通过“Penelitian Pemula”计划资助，合同编号为24.2.283/UN32.14.1/LT/2025。