综述：关于相变材料在光伏热（PVT）系统中的应用、性能优化及温度调节的综述

《Journal of Energy Storage》：A review on the application, performance optimization, and temperature regulation of phase change materials in photovoltaic-thermal (PVT) systems

光热发电系统通过相变材料（PCMs）实现温度调控与热能存储，解决光伏组件高温效率下降及能源时空不匹配问题。系统优化采用纳米颗粒、金属泡沫等增强技术，提升热导率与循环稳定性，典型应用可使综合效率达60%-80%。但PCMs仍面临低导热性、材料循环寿命不足等技术瓶颈。

　　

Xin Xie | Xuelai Zhang

上海海事大学商船学院，中国上海，201306

摘要

全球能源危机和环境问题正在推动全球能源结构向清洁和低碳替代能源转型。光伏热（PVT）系统能够同时发电和提供热能，但由于光伏组件在高温下的效率下降以及太阳能供需在时空上的不匹配，这些系统面临一些限制。相变材料（PCMs）具有高潜热储存密度和近乎等温的相变特性，为PVT系统中的温度调节和热能储存提供了理想的解决方案。然而，目前还缺乏一项全面的研究，系统地分析PCM的集成方法、性能优化技术，并解决阻碍PVT-PCM系统广泛应用的关键挑战。

本文系统回顾了PCM在PVT系统中的应用和研究进展。首先，总结了三种类型的PCM（有机PCM、无机PCM和复合PCM）的热性能、优缺点，并明确了选择适合PVT系统的PCM的原则。其次，分析了PCM的性能优化技术，包括单一增强方法（纳米颗粒、散热片、多孔骨架）和组合增强方法（散热片-金属泡沫散热片-纳米颗粒），这些方法显著提高了热导率并缩短了相变时间。随后，讨论了PCM在PVT系统中的典型集成方法（例如平板式、带散热片的类型）及其应用效果：这些方法有效降低了光伏电池的温度，提高了系统的电效率和热效率，并实现了热能的时移利用。最后，总结了当前的技术瓶颈（例如低热导率、循环稳定性不足、泄漏问题）及相应的解决方案（成核剂、增稠剂、微胶囊化）。

这项系统综述为设计和优化高效稳定的PVT-PCM系统提供了理论支持，促进了综合太阳能利用技术的产业化。

引言

日益严重的能源危机和环境问题凸显了将全球能源结构转向更清洁和低碳替代能源的迫切性。作为最丰富的可再生能源，太阳能对于实现“双碳”目标（中国提出的2030年前达到碳排放峰值、2060年前实现碳中和的国家目标）至关重要[1]。高效利用太阳能对于促进可持续发展和缓解气候变化的不利影响至关重要[2]。根据国际能源署（IEA）的预测，可持续能源在全球能源结构中的占比预计将显著增加，如图1所示。到2027年，光伏（PV）发电量预计将成为全球最大的电力来源，光伏电站的累计装机容量预计将超过2350吉瓦[3]。然而，传统光伏系统面临两个主要的技术瓶颈。首先，晶体硅（c-Si）太阳能电池的转换效率通常较低[4]，大多数商用c-Si电池的效率仅为22%-24%。此外，其效率每升高1°C会降低0.4%-0.65%[5]、[6]、[7]。其次，超过80%的太阳辐射能量以热的形式损失[8]，这种能量浪费在高温地区尤为明显。此外，未经冷却的光伏面板的工作温度可达到60-80°C，导致发电效率降至约10%[9]、[10]。

光伏热（PVT）系统结合了发电和集热功能，能够同时产生电能和热能，从而显著提高太阳能的整体利用效率。然而，该系统仍面临热管理挑战：光伏组件的温度升高会降低发电效率，而热能如果不能有效储存，则难以实现稳定供应。相变材料（PCMs）凭借其高能量储存密度（潜热储存）和近乎恒定的相变特性，为PVT系统提供了理想的解决方案[12]。研究表明，应用PCM可以将PVT的整体效率提高60%-80%[13]，主要通过两种机制：（1）在相变过程中吸收热量以控制光伏组件的温度，从而保持最佳发电效率；（2）储存多余的热能，以解决太阳能供需在时间和空间上的不匹配问题。

多年来，许多学者在各个领域对PCM冷却技术进行了广泛的研究和应用拓展。随着PCM冷却技术的进步，PVT-PCM系统的研究也取得了显著进展。在材料层面，由于石蜡和脂肪酸等有机PCM具有优异的化学稳定性和高相变焓（150-250 kJ/kg）[14]，因此被广泛采用。在系统设计方面，研究人员开发了多种提高热导率的方法[15]，包括微胶囊化和金属泡沫增强[16]、[17]、[18]。关于应用性能，最近的研究表明，优化的PVT-PCM系统可以将发电效率提高8%-15%，同时提供超过50°C的稳定热输出[19]。然而，这项技术仍面临技术挑战，如PCM的热导率较低（通常<0.5 W/(m·K)）和长期循环稳定性不足[20]、[21]。

尽管现有综述已经探讨了PVT-PCM系统的某些方面，但仍然缺乏一项综合性的关键分析，该分析应整合材料特性、热增强技术、系统集成方法和实际应用挑战。本文系统回顾了PVT-PCM系统的最新研究进展，重点关注不同PCM材料的热物理特性和适用性、热导率增强技术以及PCM在PVT系统中的应用。通过总结现有研究成果和技术挑战，本研究旨在为开发高效稳定的PVT-PCM系统提供理论指导，从而促进综合太阳能利用技术的产业化。

章节片段

PCM的分类

PCM是一类能够随温度变化发生相变的功能性材料，在相变过程中会吸收或释放热量。近年来，PCM在多个领域发挥了重要作用[22]，如热能储存、供暖和冷却系统、建筑以及医疗应用[23]。

PCM种类繁多，不同类型的PCM在性能特性上存在显著差异。根据不同的分类标准，PCM可以...

PCM性能优化方法

相变储能技术主要通过PCM的相变过程实现热能的储存和释放。与显热储存系统相比，由于其显著更高的能量储存密度和相变过程中的近乎等温特性，这项技术被视为提高能源利用效率和实现节能减排目标的有效方法。然而，现有的PCM通常...

选择用于PVT系统的PCM材料

在PVT系统中，PCM的核心价值在于通过相变过程实现热能的储存和释放，从而缓解光伏组件的温度波动，并提高系统的光电和光热综合效率。因此，选择PCM材料时需要紧密围绕PVT系统的运行特性。PVT系统的核心运行需求主要集中在两个方面：

总结与展望

本综述系统总结了相变材料（PCMs）在光伏热（PVT）系统中的研究进展，重点关注PCM的分类和热物理特性、PCM性能优化技术、PCM在PVT系统中的典型集成方法以及温度对光伏电池性能的影响。通过对现有研究结果的深入分析，本文明确了PCM在PVT系统中的核心作用，揭示了关键因素...

CRediT作者贡献声明

Xin Xie：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究。Xuelai Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。