2024, Vol. 40
太阳能光伏热（solar photovoltaic/thermal system，PV/T）系统将光伏（photovoltaic，PV）电池嵌入单一系统的集热器中，可以同时实现太阳能对热能和电能的转化［1］。当太阳照射在光伏板上时，一部分太阳能转换为电能，其余太阳能以热能的形式存在，使得PV电池表面温度升高。研究显示，温度是影响太阳能光伏组件性能的关键因素，PV电池温度过高会使得太阳能发电效率下降［2］。为了控制电池温度，需要采取一定的措施对光伏组件进行冷却［3］。在PV/T系统中，常用于冷却PV电池的方法有空气冷却、液体冷却、制冷剂冷却和相变冷却［4-6］。近年来，相变材料（phase change material，PCM）被广泛用于PV/T系统中。相变材料由于其潜热储能特性，能够在相变时吸收大量的热，因此将PCM与PV/T系统结合不仅可以对光伏板进行有效冷却，还可以将系统多余的热量进行储存和再利用。然而，导热系数低、热响应慢、易腐蚀等缺陷限制了PCM在PV/T系统的进一步应用。相变微胶囊悬浮液作为一种潜热型功能性流体，既具有相变材料的储能性，又具有流体的流动性，相比于传统材料和固态PCM可以实现能量储存和运输一体化，能够更快达到均温散热，在太阳能光伏热系统中具有极大的应用前景［7］。近年来，不少学者对相变微胶囊悬浮液在太阳能光伏热一体化系统中的应用开展了研究。
本文主要对相变微胶囊悬浮液在PV/T中的应用进行综述。针对相变微胶囊悬浮液在实际应用中面临的易泄露、导热性差等问题，总结了其在材料方面的研究进展。基于PV/T系统的性能评价指标，分析了相变微胶囊悬浮液的浓度和流速，太阳辐照量和集热器结构对系统性能的影响。最后，从材料制备与改性、系统结构、性能优化和储能特性等方面对相变微胶囊悬浮液在PV/T中的发展进行了展望。
1 相变微胶囊改性通过封装技术将相变材料颗粒用聚合物壳包覆制成的具有明显壳核结构的材料称为相变微胶囊(microencapsulated phase change material，MEPCM)。相变微胶囊中的相变颗粒与载流体均匀混合并形成稳定的悬浮体，即相变微胶囊悬浮液（microencapsulated phase change material suspension，MEPCMS）。MEPCMS是一种复合流体，悬浮液中的相变微胶囊颗粒可以在设备温度到达相变温度时，储存或者释放潜热，从而增大流体的比热，提高流体的储热密度［8］。与单相流体相比，MEPCMS具有以下特性［9］：①相变过程热容量高，传热效率高；②能够作为储热或传热材料；③换热过程中温度变化小；④相同的传热速率下，需要的质量流量小，消耗的泵功率低。MEPCMS的这些特性使其在PV/T中具有极大的应用前景。
然而，在实际应用过程中，MEPCMS存在的许多问题也暴露出来。传统的相变微胶囊对太阳能的收集和利用能力较差，且由于壳层的包裹及芯材、壁材性能等因素，导致其传热和热响应能力受到影响，使得相变微胶囊导热性能较低［10］。除此以外，MEPCMS的泄露性和耐久性也是实际应用中待解决的问题。因此，制作高导热率的MEPCMS，提高MEPCMS的换热效率，有利于进一步推广相变微胶囊在太阳能领域的应用。
近年来，许多学者采用对相变微胶囊改性的方法，实现对相变微胶囊性能的提升。相变微胶囊改性是指通过改变相变微胶囊的组成和结构，即对其壳材和芯材进行改造，以提升相变微胶囊的导热、蓄热和稳定性等性能。相变微胶囊的改性方法主要有多芯材改性、多壳层改性和杂化壳改性。多芯材改性是将相变微胶囊中的芯材由单一相变材料替换成多种材料的混合物。由于芯材决定MEPCMS的相变性能，因此多芯材改性着重于调节相变温度和热性能。Chen等［11］对相变微胶囊进行多芯材改性，采用油溶性烷基化氧化石墨烯（GO−ODA）与正十八烷的混合物作为芯材。测试结果表明，GO−ODA促进了正十八烷结晶，降低了正十八烷的过冷度。与未改性前的相变微胶囊相比，加入0.5%质量分数GO−ODA，改性后的导热系数提高了38.5%。多壳层改性是指使相变微胶囊具有不同材料的复合外壳的过程。单壳层相变微胶囊的壁材较薄，其热稳定性和力学性能较差。多壳层改性重在改善壁材热稳定性和力学性能，增强相变微胶囊应用性能并延长循环寿命。Ma等［12］对以Sn为芯材的相变微胶囊进行多壳层改性，实现了CaCO3−PMMA双壳结构。经过200次熔化−凝固循环后，潜热保持率仍高达97.2%，且未观察到芯材泄漏。杂化壳材改性是指通过在相变微胶囊的壳材中添加改性材料，使之形成具有多种复合材料互补的改性壳材。杂化壳改性的材料选择范围广，改性形式多样，改性效果显著，是目前最主流的改性方式。Wang等［13］采用改性氮化硼（BN）制成的相变微胶囊潜热超过150 J·g−1，包封率达66.53%，与不加氮化硼时相比，改性后的MEPCMS导热系数提高了7.95%，且表现出优异的热稳定性和防漏性，能够在100℃下保持完整，8 h不渗漏。上述分析表明，对相变微胶囊进行改性可大大提升相变微胶囊综合性能，且热稳定性和泄露等问题均得到改善，这有利于进一步推广MEPCMS的应用。
改性除了可提升相变微胶囊本身的性能外，还可以赋予其除储热外的其他功能，如磁性、抗菌和导电等。其中，具有光热转换功能的相变微胶囊可实现光热转换和储能一体化，能够更高效地吸收太阳光，因此目前该领域研究最为广泛［14］。光热转换相变微胶囊主要是通过在外壳上封装光热转换壳层或直接在壳材中添加光热转换材料制备而成。其中，光热转换材料相当于天线接收太阳光，芯材相当于储热器。常用的光热转换材料包括碳基材料、有机材料、半导体材料和其他光热材料等，它们通常具有较宽的光谱吸收能力和较强的光稳定性。表1中总结了不同芯材和光热转换材料的光热转换相变微胶囊的性能。从表中可以看出，利用碳纳米管等光热转换材料对相变微胶囊进行改性制成的光热转换相变微胶囊，与改性前相比其太阳能储存效率最高提升3倍，光热转换效率达80%～90%，在太阳能高效利用方面具有极大的应用潜力。
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表 1 光热转换相变微胶囊的性能 Table 1 Photothermal conversion performance of microencapsulated phase change material |
为了分析MEPCMS在PV/T系统的工作效果，本文从能量方面总结了PV/T系统的性能评价指标。
由于PV/T系统能够同时输出电能和热能，因此引入PV/T系统综合效率ηPV/T［22-23］对其进行评价。
| $\qquad {\eta _{_{{\rm{PV}}/{\rm{T}}}}} = {\eta _{{\rm{th}}}} + {\eta _{\rm{e}}} $ | (1) |
式中：ηth为系统热效率；ηe为系统电效率。
电效率ηe和热效率ηth是评价PV/T系统工作性能的重要指标，它们表征了系统的光热转换能力和光电转换能力［24］。
| $\qquad {\eta _{{\rm{th}}}} = \dfrac{{{P_{{\rm{th}}}}}}{{GA}} = \dfrac{{{C_p}m({T_{{\rm{out}}}} - {T_{{\rm{in}}}})}}{{GA}} $ | (2) |
| $\qquad {\eta _{\rm{e}}} = \dfrac{{{P_{\rm{e}}}}}{{GA}} = \dfrac{{VI}}{{GA}} $ | (3) |
式中：Pth为系统热功率，W；Cp为流体的比热容，J·(kg·℃)−1；m为质量流量，kg·s−1；Tin和Tout分别为流体进、出口温度，K；Pe为系统电功率，W；V为PV电池输出电压，V；I为PV电池输出电流，A；G为太阳辐射强度，W·m−2；A为光伏板面积，m2。
在PV/T系统中，输送MEPCMS需要消耗一定的泵功率，因此引入净效率ηnet以考虑泵功率的消耗［25］。
| $\qquad {\eta _{{\text{net}}}} = \dfrac{{{P_{\rm{e}}} + {P_{{\rm{th}}}} - {P_{\rm{p}}}}}{{GA}} $ | (4) |
| $\qquad {P_{\rm{P}}} = \dfrac{{m \Delta {P_{\rm{f}}}}}{{\rho{\eta _{\rm{p}}}}} $ | (5) |
式中：Pp为泵功率消耗，W，泵功率消耗由流体的压降和流速决定；ρ为流体密度，kg·m−3；ηp为泵的机械效率；ΔPf为流体压降，Pa。
由于MEPCM相变时会发生明显的㶲特性，因此需要对系统进行㶲分析。㶲效率ηex是衡量系统整体性能的一个重要指标［26］。
| $\qquad {\eta _{{\rm{ex}}}} = \dfrac{{E{_{\rm{e}}} + E{_{{\rm{th}}}}}}{{E{_{{\rm{in}}}}}} $ | (6) |
式中：Ee为电㶲能，W；Eth为热㶲能，W；Ein为系统输入㶲，W。
| $\qquad {E_{\rm{e}}} = {\eta _{\rm{e}}}GA $ | (7) |
| $\qquad {E_{{\rm{th}}}} = m{C_p}\left[ {{T_{{\rm{out}}}} - {T_{{\rm{in}}}} - {T_{\rm{a}}}\ln (\dfrac{{{T_{{\rm{out}}}}}}{{{T_{{\rm{in}}}}}})} \right] $ | (8) |
| $ {E_{{\text{in}}}} = GA\left[ {1 - \dfrac{4}{3}\left( {\dfrac{{{T_{\rm{a}}} + 273.15}}{{{T_{{\rm{sun}}}}}}} \right) + \dfrac{1}{3}{{\left( {\dfrac{{{T_{\rm{a}}} + 273.15}}{{{T_{{\rm{sun}}}}}}} \right)}^4}} \right] $ | (9) |
式中：Ta为环境温度，K；Tsun为太阳温度，K。
3 MEPCMS在PV/T系统中的应用MEPCMS是一种极具前景的应用于PV/T系统的工作流体。近年来，许多学者［27-34］开展了对MEPCMS−PV/T的研究。Qiu等［27-28］ 将MEPCMS用于一种新型蛇形管道集成的PV/T模块中，研究了工质物性参数和蛇形管尺寸对系统能量性能的影响。通过模拟确定了系统的最佳尺寸，且得出结论：与层流状态相比，紊流状态更有利于系统能量性能的提升。通过实验验证了这一结论，并确定了工质在PV/T系统中的最佳运行参数，在该参数下运行，PV/T系统可以获得83.9%净效率。
Liu等［29-30］研究了MEPCMS在平板式光伏热系统和复合抛物型光伏热系统中的性能。研究发现，尽管由于黏度的因素，MEPCMS需要消耗更多的泵功率，但净效率仍然高于使用水的PV/T系统，且在两种类型的PV/T系统中MEPCM均表现出优异的性能。Jia等［31］探究了MEPCMS的流量和集热器高度对PV/T系统性能的影响，结果表明，增大流量和降低通道高度均能在一定程度上提升系统的性能。
Yu等［32］对基于MEPCMS的PV/T系统进行了㶲分析，并研究了宽入口流体速度范围内MEPCMS的浓度和相变温度对系统的影响，旨在解决MEPCMS在PV/T系统实际应用时相变温度的选择问题。根据研究得出结论：低相变温度的MEPCMS有利于提高能源效率，高相变温度的MEPCMS有利于提高㶲效率。因此，在实际应用时需根据不同场景和需求选择合适的系统性能指标作为参考依据。
Eisapour［33］通过在体积分数为15%的MEPCMS中加入体积分数为9%的银纳米颗粒，制备出一种更高效的MEPCMS−Ag冷却液，并将其用于带有波纹管的集热器中。纳米材料的加入使得工质具有更高的导热系数和热容，相比于纯MEPCMS和纳米流体，系统的热、电效率和㶲效率均有所提高。
Fu等［34］对基于MEPCMS的PV/T系统分别进行了室内和室外实验，探究了流量对系统性能的影响，并将其与传统的水冷PV/T系统和加PCM层的水冷PV/T系统的性能进行了比较。室内实验结果表明，在稳定的太阳辐射下，MEPCMS−PV/T具有三者中最优的工作效果。在室外正常太阳辐射下继续开展的实验，再次验证了这一结论。
章文杰等［35］将MEPCMS用于太阳能光伏一体化建筑（building integrated photovoltaic，BIPV）中，采用实验方法探究了MEPCMS在BIPV中对热电性能的优化效果。结果表明，采用MEPCMS能够降低系统组件和背板的运行温度，并大大延迟系统温度峰值出现的时间。
4 MEPCMS影响PV/T系统性能的关键因素分析MEPCMS作为冷却介质用于PV/T系统中可以有效降低PV电池的温度，与传统工质水相比其能更好地提升PV/T系统的整体性能。为了充分利用MEPCMS的优势，进一步提高PV/T系统的性能，许多学者对影响MEPCMS−PV/T性能的因素进行了探究。
4.1 MEPCMS的流速和浓度对PV/T系统性能的影响MEPCMS的流速是影响PV/T系统性能的关键因素。文献[34]显示，当MEPCMS流速从200 mL·min−1增大到400 mL·min−1时，PV/T系统的热、电效率分别提高0.2%和10.3%。流速的增加增强了MEPCMS和PV背板之间的热交换，降低了光伏板表面温度，从而提高了热、电效率。
MEPCMS浓度对PV/T系统的性能也有重要影响。Jia等［31］指出，MEPCMS浓度越高，潜热容量越大，因此能够吸收更多的热量，采用体积分数20%的MEPCMS相比于水光伏板温度降低了5.9 K。MEPCMS浓度的增加能够降低光伏板表面温度，系统热、电效率和整体效率相应提高。对于净效率而言，适当增加浓度能够提升系统净效率，但当浓度超过某一值时净效率反而下降。文献[33]的实验数据显示，在一定浓度范围内，随着浓度的增加净效率呈先上升后下降的趋势：当体积分数为10%时，系统净效率处于峰值，此时系统净效率高达83.9%。这是因为浓度的增加使得管道中的压降增加，反而不利于净效率的提升。
Yu等［32］综合浓度和流速两个关键因素对PV/T系统性能的影响，探究了流速为0.4 ～ 0.25 m·s−1下体积分数为0 ～ 20%的MEPCMS的换热性能。浓度和流速的增加使得光伏板温度分布更均匀，且降低了光伏板表面温度，提升了系统热、电效率。但随着浓度和流速的升高，管内完全相变的区域逐渐减小，系统性能提升缓慢。当流速为0.4 m·s−1时，仅有体积分数为5%和10%的MEPCMS完全发生了相变。因此Yu等指出，存在一个临界入口速度使得不同浓度下的MEPCMS在出口处能够刚好完全发生相变。
综上所述，浓度和流速的增加在一定程度上能够提升系统的能量性能。高浓度的MEPCMS中由于溶液中拥有较多的MEPCMS，工质的换热能力更强；大流速下，MEPCMS和光伏板之间的热交换增强。但是一味地增大MEPCMS的浓度和流速，会使得工质在较大的流速下无法与光伏板进行充分的热交换，且MEPCMS可能在没有完全发生相变的情况下就流出通道，导致无法充分利用其相变潜热，造成热浪费。并且，高流速下系统会消耗更多的泵功，不利于净效率的提升。因此，流速和浓度之间存在一定的配比关系，调节MEPCMS的浓度和流速在恰当的范围，使得工质既具有较强的吸热能力，又能够与光伏板进行充分换热，从而获得系统的最佳性能。
4.2 太阳辐照量对PV/T系统性能的影响太阳辐照量会对PV/T系统性能产生一定的影响。Qiu等［28］指出当太阳辐照量从500 W·m−2增加至900 W·m−2时，系统的热、电产量明显增加。Liu等［29］模拟了白天不同时刻MEPCMS−PV/T系统的工作性能。模拟发现，随着太阳辐照量的增加，光伏板温度逐渐上升。11:00太阳辐照量最大时，光伏板平均温度升至最高，此时系统电效率略微下降。13:00系统的热效率达到白天最大值71.81%。可以发现，系统电效率取决于太阳辐照量，太阳辐照量的增加使光伏板温度上升，但不利于系统电效率的提升；热效率则取决于太阳辐射量和环境温度。综上所述，太阳辐射量的增加使系统热电产量增加，且有利于系统热效率的提升。在实际应用中需结合净效率来综合考虑热、电效率对系统的影响以便对系统的整体性能进行评价。除此以外，在MEPCMS−PV/T系统中，需保证太阳辐照量充足以使工质温度上升至MEPCMS能够完全发生相变。若太阳辐照量过低，则MEPCMS可能无法相变完全，导致无法充分利用其潜热。
4.3 集热器结构对PV/T系统性能的影响除了工质运行参数，集热器结构也会对工质的冷却效果产生影响。改变流体的管道结构，以增加流体扰动，强化传热，进而提高PV/T系统的性能。表2总结了不同研究中采用的集热器结构，其中：Re为雷诺数；υ为工质流速；C为工质体积分数；D为蛇形管道直径；F为太阳辐射量。对于蛇形管道，Qiu等［27］探究了管道直径对系统性能的影响。研究发现，增加蛇形管道直径能够扩大管道与光伏板的接触面积，从而增加换热量，使系统的热、电效率和净效率增加。Liu等［29］设计了一种双通道平板PV/T结构，上层流入空气对PV进行预冷，MEPCMS作为传热和蓄热介质流入下通道。该设计有助于及时去除系统多余的热量，从而有效提高光电效率。Jia等［31］简化了模型，采用单通道结构的PV/T集热器进行研究，探究了通道高度对系统性能的影响。Eisapour等［33］将MEPCMS应用于一种波纹管结构的集热器中。研究发现，相同体积下采用波纹管比直形管热、电效率分别提高约5%和3%。相比于直形管，波纹管沿光伏板分布的横截面积更大且更均匀，因此工质能够更好地对光伏板进行冷却。为了进一步确定波纹管的构型，设计了四种不同波幅和波长的波纹管模型。通过比对不同构型下的系统性能发现，减小波长以及波长与波幅的比值能够最大程度地增加传热面积，从而有效降低面板温度。其中，波长为200 mm，波长与波幅之比为8的波纹管具有最高的㶲效率13.31%。
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表 2 不同MEPCMS在PV/T系统中的性能 Table 2 Performance of different MEPCMS in PV/T system |
常见的应用于MEPCMS−PV/T中的流道有扁平流道、蛇形流道和直管流道。为了进一步提升MEPCMS在PV/T系统中的换热效果，波纹流道和内插扭结的扁平流道被提出。近年来，许多学者对像叶脉、蜘蛛网等具有优良散热性能的仿生结构进行了研究。文献[36]发现树形结构微通道可以降低热阻，减少流动堵塞，这不仅能够增强传热效果，还能克服温度不均、泵功损耗大等问题。
5 结论与展望（1）与传统相变材料相比，相变微胶囊具有防止相变材料泄露、换热效果良好的特点。相变微胶囊改性进一步提升了综合性能，拓宽了应用范围。光热转换相变微胶囊的光热转换效率得到提升，与传统相变微胶囊相比，其稳定性和泄露问题均得到改善。未来可以进一步提升光热转换相变微胶囊的光热转换和传热性能，加快推进其在实际工程中的应用。
（2）对MEPCMS在PV/T系统的应用进行研究发现，浓度、流速和太阳辐照量是影响MEPCMS的换热效果的主要因素，且三者之间相互影响。通过结合太阳辐照量的大小对MEPCMS的浓度和流速进行调整，MEPCMS能够在PV/T系统中实现完全相变，并充分利用其潜热进行高效换热，从而达到系统的最佳性能。未来可以进一步研究MEPCMS在通道中的换热性能，分析流速、浓度和太阳辐照量三者之间的匹配关系。在不同场景中根据太阳辐照量的不同，利用匹配关系设计合适的运行参数。
（3）对集热器结构进行优化设计有利于进一步提升MEPCMS的换热性能，降低PV电池温度。目前，常用于MEPCMS−PV/T系统的集热器结构包括蛇形流道、扁平流道、直形管道等。未来可以考虑将仿生结构与MEPCMS−PV/T相结合，进一步提高工质的换热效果，同时降低热阻，减少泵功损耗。
（4）MEPCMS作为一种潜热型功能性流体，不仅可以作为高效的传热介质，提高流体的传热性能，还可以作为蓄热介质，提高流体的蓄热能力。目前关于MEPCMS−PV/T系统的研究大多集中于其传热性能，未来可以从蓄热的角度出发，设计适应MEPCMS的太阳能集热蓄热装备，利用MEPCMS的蓄热能力解决太阳能间歇性、不稳定性的问题，在太阳辐照量低的冬季和阴天对热量进行“移峰填谷”。
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