基于熱管的光伏冷卻技術研究進展

曹靜宇 ，鄭玲 ，彭晉卿 ?，宋佳明 ，李念平 ，裴剛

［1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.建筑安全與節能教育部重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙 410082；3.中國科學技術大學 工程科學學院，安徽 合肥 230026］

可再生能源利用對推動社會可持續發展的意義重大，而太陽能因其分布廣泛、蘊含能量豐富、安全清潔等優點正成為最受關注的可再生能源之一.目前，太陽能利用技術主要有太陽能光電技術（PV）、太陽能光熱技術（PT）和太陽能光電光熱綜合利用技術（PV∕T），其中最常用的是太陽能光電技術.

近年，太陽能光電技術取得長足進展［1］，但傳統光伏單位輸出功率成本高，發電效率低［2-3］，一般僅可達到10%～20%［4］，因此如何提升光伏電池發電效率是光電技術亟待解決的問題.在諸多影響因素中，光伏電池的工作溫度對其光電效率的影響顯著，具體體現在其溫度升高會使得短路電流增加量小于開路電壓的減少量，導致發電功率降低［5］；已有研究表明，大部分電池效率會隨著溫度的升高呈現出近似線性下降的趨勢［6-7］.因此，光伏電池冷卻對于提高光電效率有著重要意義.值得注意的是，聚光光伏（CPV）通過透鏡或反射鏡聚光以提升光伏電池可獲得的太陽輻射強度［8-9］，減小電池面積、提升發電效率的同時，也帶來局部高熱流［10］和顯著的溫度不均勻性［11］，嚴重影響光伏電池的性能和壽命，因而冷卻和均溫需求更為迫切［12］.

目前常用的光伏冷卻方式可分為主動、被動兩種［13］：前者指消耗外部或自身電能來驅動泵或風機等動力設備，通過冷卻介質的強制流動來帶走光伏板的熱量，如水和空氣的強制對流、射流沖擊冷卻、液體浸沒冷卻等；后者通常不消耗電能，通過一些冷卻介質的自然流動散熱，除自然對流冷卻外還有相變材料冷卻、熱管冷卻等.其中熱管冷卻光伏通常指工質吸收光伏電池所產生的熱量蒸發并將其轉移至熱管冷凝段，基于熱管的光伏冷卻技術也因其結構簡單、無能耗、高效散熱等優點引起眾多學者的關注［7］.早在1979年，Russell等［14］就提出利用熱管來轉移光伏所產生的廢熱的設想.近年來，隨著熱管結構形式以及制冷技術的多元化發展，熱管及熱管與其他冷卻技術耦合用于光伏冷卻的方式愈發多樣.已有較多相關綜述對光伏冷卻或光電光熱綜合利用技術進行總結探討：Gharzi 等［15］對PV 和CPV 的主動、被動和組合冷卻方式進行分類總結，并根據不同的環境條件和性能要求為光伏推薦最佳的冷卻方式.Zhang 等［5］總結了PV 冷卻技術的最新進展及冷卻方法的影響因素.Kandeal 等［16］根據三種基本傳熱模式對PV 的冷卻方式進行總結分類.Salameh 等［17］探討了通過不同冷卻技術實現PV 溫度控制的方法并對PV 和PV∕T 系統的環境和經濟生命周期進行分析評價.Ghadikolaei［13］對PV 的不同冷卻方式的研究進行分類并比較不同冷卻技術的優缺點，對未來PV 冷卻提出實用建議.Kandeal 等［18］回顧使用納米冷卻系統改善PV 性能的研究成果，并分析該領域的研究趨勢.邱昊等［19］根據聚光光伏電池組合方式以及聚光倍數的分類對國內外聚光光伏的冷卻方式進行討論分析，介紹各種技術的優越性和不足.Fikri等［20］總結相變材料和引入納米技術后的相變材料在CPV∕T 中作為冷卻和蓄熱介質來提高光伏電池效率的最新工作和技術挑戰.Pathak 等［21］分類總結一些冷卻光伏電池的實驗和數值模擬研究以及探討人工智能在其中發揮的作用，并對PV∕T 進行技術經濟性分析.Panda等［22］總結PV 的一些新型冷卻方法并且進行對比分析，提出相關建議.白浩良等［23］從間壁式冷卻和直接接觸式冷卻兩個角度回顧近年來國內外在CPV冷卻技術方面的研究現狀及最新進展，并通過對比分析各冷卻方式的優缺點和未來的研究重點.但總體上，大多數相關綜述都僅將熱管作為被動冷卻的一部分進行簡單論述，缺乏基于熱管的光伏冷卻技術這一專門領域的綜述，更少有對熱管與光伏結合方式及其優缺點的具體分析；另外，目前相關綜述重點關注光電光熱綜合利用技術，而光伏組件往往工作在較高的溫度區間［24］，一定程度上忽視了側重光伏冷卻的熱管研究進展.

針對上述問題及研究現狀，為便于相關領域專家學者深入了解熱管冷卻光伏領域的發展現狀，本文基于不同熱管類型和熱管與其他制冷技術的耦合方式對熱管光伏冷卻技術研究進展進行系統介紹，主要涵蓋：1）熱管傳熱原理及其分類；2）利用以熱管為主的冷卻技術和熱管與其他制冷技術耦合的冷卻技術冷卻普通光伏和聚光光伏的相關研究；3）基于熱管的光伏冷卻技術目前的發展、所面臨的挑戰和未來展望.本文有助于相關領域學者快速全面地了解熱管冷卻光伏的方式以及與其他冷卻技術耦合利用的優勢和不足，為該技術的進一步發展和應用奠定基礎.

1 熱管傳熱原理

熱管是一種利用介質在全封閉真空管內的相變來進行傳熱的高效被動傳熱元件［25］，主要包括三大部分：蒸發段、絕熱段和冷凝段.在蒸發段部分通常會設置有熱源，熱管內部工質吸熱蒸發，到達冷凝段釋放潛熱冷凝，隨之依靠重力作用或毛細芯結構重新回流至蒸發段［26］.熱管內部主要靠工質的氣液相變傳熱，不需要在熱源和散熱器之間有很大的溫度梯度［27］，無須耗能即可具備較高的溫度均勻性、導熱性能和可變的熱通量，且成本低廉、可靠性高、使用壽命長、結構簡單多樣，并可根據不同光伏組件的結構特點及散熱需求自由設計.其已成為冷卻光伏的一種重要且高效的方式，目前運用比較廣泛的熱管類型有有芯單管熱管、環路熱管、兩相閉式重力熱管、分離式熱管、脈動熱管和微通道熱管.如圖1（a）（b）所示，有芯單管熱管和環路熱管通常設置有吸液芯結構，而前者通常設置在管壁面，后者則一般設置在蒸發段，兩者均可依靠毛細力反重力運行.如圖1（c）（d）所示，兩相閉式重力熱管和分離式熱管無芯結構，冷凝液在回流過程中所受阻力減小，可有效增加熱管的徑向流量，傳熱效率高，且臨界熱流密度比有芯熱管更大，但在運行時受重力影響較大，須慎重考慮安裝位置.另外，環路熱管和分離式熱管相比其余兩者具有獨特的環路結構，進一步將蒸汽管線和液體管線分開，使得蒸汽和液體的流向相同，即可最小化蒸汽和液體流動之間的夾帶［28］，消除夾帶極限.

圖1 六種典型熱管的結構圖Fig.1 Structure diagram of six typical heat pipe types

如圖1（e）所示，脈動熱管通常由一根長而彎曲的毛細管構成［29］.除潛熱傳遞機制，還可依靠內部氣泡和液塞自發來回移動的對流換熱來傳遞熱量，故脈動熱管的傳熱效率比其他類型熱管高［30］.如圖1（f）所示，微通道熱管是將微通道結構應用到熱管當中達到強化熱管傳熱的目的，其表面形狀扁平，可與換熱面有良好的接觸，同時內部尺寸小，使通道內蒸汽流速更高，對壁上液膜產生更高的剪切應力，加大蒸發率，提高熱管效率［31］.六種類型熱管詳細的比較分析見表1.

表1 六種典型熱管的特征對比［35］Tab.1 Features comparison of six typical heat pipe types［35］

隨著熱管形式結構的不斷創新，不同類型的熱管劃分往往并不明確，例如可在分離式熱管的蒸發段增加芯結構來改善熱管啟動性能［37］，在蒸發段引入微通道結構強化傳熱［38］，在脈動熱管中引入芯結構改善熱管傳熱性能以及溫度均勻性［39］等.若無特殊說明，本文依舊按照前文所述的熱管傳熱原理對其類型進行分類.

2 熱管在光伏冷卻中的應用

本文依據光伏熱管散熱技術的應用特性差異，將熱管冷卻光伏的研究分為兩大類：1）以熱管為主的冷卻技術，即未使用其他冷卻技術或熱管處于主導地位；2）以熱管為輔的耦合冷卻技術，即熱管冷卻耦合其他冷卻技術用來冷卻光伏，著重于兩種或者多種技術間的科學配合以達到理想的冷卻效果.

2.1 以熱管為主的冷卻技術

在以熱管為主的冷卻技術中，現有研究多采用不同類型的熱管與光伏結合，一般主要涉及有芯單管熱管、兩相閉式重力熱管、環路熱管、分離式熱管、脈動熱管和微通道熱管（見圖2）.對于有芯單管熱管和環路熱管，毛細力作為熱管驅動力，熱管的放置方式較為自由，蒸發端的位置可高于冷凝器，對于普通光伏，無須考慮遮擋問題，適應性更強；但須考慮熱管反重力運行的啟動極限值以及回流冷凝液形成的阻力.對于兩相閉式重力熱管以及分離式熱管，在冷卻過程中為保證熱管在重力驅動下正常運行，需保持冷凝器的位置始終高于蒸發器，因此結構特殊，這兩種熱管形式在反射式聚光光伏的冷卻中應用廣泛.脈動熱管驅動力主要來自冷熱源兩端的溫差，受重力的影響較小，故更適合用于水平放置或者傾斜角度較小的光伏板.微通道熱管的扁平結構可與光伏板有良好的接觸并提升其溫度均勻性，在冷卻光伏組件領域應用較為廣泛.

圖2 不同類型熱管冷卻光伏的示意圖Fig.2 Schematic diagram of different types of heat pipe cooling photovoltaics

對于蒸發段，通常采用機械連接如鞍座或直接連桿固定，或者采用熱膏或導熱雙面膠將兩者之間的縫隙填滿，確保光伏板面和熱管蒸發段接觸良好，增加其導熱系數.此外，蒸發段還常采用電加熱裝置模擬光伏電池產生廢熱，采用一定厚度的保溫棉將兩者包裹完整，提高系統絕熱性能.對于冷凝段，通常有風冷和水冷兩種冷卻方式.其中風冷使用空氣作為冷卻介質，空氣簡單易得且無毒無害，但其比熱容較小，故冷卻效果有限，最常見的一種結構形式為翅片散熱［40-41］，利用翅片結構增加冷凝段與空氣接觸面積，強化換熱能力.水冷即利用水的自然流動或強制對流帶走光伏板廢熱，相較于風冷方式，其冷卻效果可得到有效改善，但須考慮電絕緣性、冷卻介質泄露以及冬季結凍的問題.

2.1.1 有芯熱管

有芯熱管一般涵蓋有芯單管熱管和環路熱管，芯結構中使用最為廣泛的是銅粉燒結吸液芯，其可使熱管傳熱不受重力方向的影響，從而適用性更強，但同時由于其較為復雜的毛細芯結構會提升成本和加工難度，還會一定程度上限制回流冷凝液的流動速度，故關于其單獨運用于光伏冷卻的研究相對較少.Praveenkumar 等［42］使用四個翅片式有芯熱管冷卻光伏，并對其進行能量、?和經濟性分析，通過實驗發現，熱管冷卻最高可有效降低9.93 ℃的光伏電池溫度［圖3（a）］.針對聚光光伏，Russell 等［14］和Ye等［43］設計了一種有芯單管熱管冷卻菲涅爾透鏡聚光光伏的裝置，冷卻劑從熱管中心流入流出，帶走電池廢熱［圖3（b）］.Anderson 等［44-45］提出一種銅芯兩端帶鋁翅片的銅質熱管冷卻折射聚光光伏的方法［圖3（c）］，可將光伏電池與環境的溫差縮至43 ℃.朱會元等［46］針對高倍聚光光伏均溫散熱的問題，提出一種利用不均勻銅粉作為燒結芯的平板式環路熱管冷卻光伏的方式［圖3（d）］，研究了熱管的負荷、傾角、冷凝器參數對其啟動性能的影響.Huang 等［47］設計一種新型平板式有芯熱管冷卻單電池聚光光伏，管壁燒結芯結構不僅為液體回流提供動力，亦可改善蒸發段沸騰特性，另外設置的支撐結構增大蒸汽的擴散空間且縮短液體回流路徑，可有效降低熱管熱阻，實驗證明，冷卻系統可將光伏電池效率提高3.1%［圖3（e）］.

圖3 有芯熱管冷卻光伏舉例Fig.3 Examples of wicked heat pipes cooling photovoltaic module

2.1.2 兩相閉式重力熱管

兩相閉式重力熱管無吸液芯結構，冷凝液在回流過程中所受阻力減小，可有效增加熱管的徑向流量，傳熱效率高，且臨界熱流密度比有芯熱管更大［48］，因此廣泛應用于聚光光伏的散熱，近年來的相關研究匯總見表2.

表2 兩相閉式重力熱管冷卻光伏的相關研究匯總Tab.2 Summary of related research on two-phase closed thermosyphon cooling concentrating photovoltaic

如圖4（a）所示，早在1996 年，Akbarzadeh 等［49］就設計了一種聚光比為20 的獨特槽狀反射面，并提出一種基于重力熱管的光伏冷卻方法，將電池輸出功率提高近一倍.后續相關研究多基于此被動式光伏冷卻理念進行熱管結構改進及換熱性能強化，如王子龍等［9，50］設計一種用于碟式聚光光伏散熱的重力熱管，其蒸發段為長方體盒狀，冷凝段外部設置翅片，內部為螺紋管結構，可避免因蒸汽速度過快而產生夾帶極限，進而有效提升冷凝段換熱效果［圖4（b）］.李燁等［48］就此類似結構通過實驗分析了充注量、聚光比、太陽輻射強度等因素對熱管傳熱性能的影響，并指出熱管充注率為30%時電池溫度最低約67 ℃，而熱管與電池之間的接觸熱阻是解決高倍聚光光伏散熱的關鍵.如圖4（c）所示，陳海飛等［51］設計了一種雙排熱管冷卻聚光光伏的裝置，可提高熱管換熱效率，據分析，熱管聚光光伏最高可承受的聚光倍數是水冷式光伏的2.5 倍，風冷式光伏的12 倍，且其在同一光伏溫度下的發電量遠高于后兩者.

圖4 兩相閉式熱虹吸管冷卻光伏舉例Fig.4 Examples of two-phase closed thermosyphons cooling photovoltaic module

此外，平板型重力熱管在解決聚光光伏的溫度分布不均勻的問題上展現出獨特優勢，其扁平形狀能減小擴散熱阻，增大與光伏板的接觸面積，內部工質流動可有效降低板面溫差.如圖4（d）所示，夏侯國偉等［52］設計一種新型的平板熱管，可將電池溫差縮至6 ℃.李琦芬等［53］針對高倍聚光光伏，分別設置小翅片散熱系統和熱管散熱系統進行對比，通過數值模擬證明熱管可將電池溫差縮至3 ℃左右，而基板截面的溫差最大也只有1 ℃左右.

由于兩相閉式重力熱管不存在復雜的吸液芯結構，初投資較低，另外，其原理結構較為簡單，目前研究側重于結構上的創新，例如改變熱管通道數量、優化熱管管壁結構以及改善換熱端換熱方式等，而對熱管的充注率、工質、傾斜角度等自身因素的優化研究較少.另外，熱管自身存在的夾帶極限在一定程度上也限制了其對光伏組件的冷卻效果的提升.

2.1.3 分離式熱管

傳統分離式熱管兼具無芯、無夾帶極限的優點，同時在光伏光熱綜合利用情況下具有不結冰及無水垢沉積的優勢；由于在非聚光光伏冷卻中需考慮冷凝器遮陽問題，故分離式熱管更多用于聚光光伏冷卻.Wang等［56］提出了一種常壓下新型的平板分離式熱管冷卻系統，可用于常規或者低倍聚光光伏電池的散熱.當熱流密度為850 W∕m2時，光伏的平均溫度僅為78.46 ℃［圖5（a）］，同時可使電池板面縱向和橫向溫差保持在5 ℃以內.Chen 等［57］提出了一種新型的聚光光伏分離式熱管散熱器，并選取丙酮、水和乙醇三種工質進行對比研究，丙酮的傳熱效果為三者中最優，單根熱管功率為水的6 倍、乙醇的2 倍［圖5（b）］.李琦芬等［58］設計一種新型平板重力熱管冷卻聚光光伏以改善聚光光伏高輻射能流密度以及相應的熱沉溫度分布不均勻［圖5（c）］，考慮到聚光光伏中心溫度較高，將中間蒸發段的三根通道連通，增大中間管道的熱流密度，保證工質的及時補充和熱管的穩定運行.

圖5 分離式熱管冷卻光伏舉例Fig.5 Examples of separated heat pipe cooling photovoltaic module

目前分離式熱管單獨運用到光伏冷卻的研究較少，而相關研究更側重于將分離式熱管與PV∕T 系統耦合實現光電光熱綜合利用，重力驅動的被動循環可節省一部分初投資和系統運行成本，同時制冷劑的使用解決了傳統PV∕T 系統存在的冬季結凍問題，又可利用分離式熱管的熱二極管特性防止熱量流回蒸發器，避免間接加熱循環系統出現結垢問題，但其系統效率仍有較大提升空間.

2.1.4 脈動熱管

脈動熱管驅動力不依賴于重力和毛細力，無復雜芯結構，尺寸小，易于加工，換熱能力強，受重力影響小，適用于水平放置或者傾斜角度較小的光伏板.Alizadeh 等［59］采用單圈脈動熱管冷卻光伏并進行數值研究［圖6（a）］，發現使用脈動熱管的冷卻效果為銅管翅片冷卻系統的3 成以上，發電量提高約18%.另外，Alizadeh［60］還采用模擬的方式將閉環脈動熱管主、被動冷卻光伏兩種情況與空氣自然冷卻和平板強制對流冷卻進行對比，在太陽輻射為1 235 W∕m2時，采用基于脈動熱管的被動冷卻可將光電效率提高23%，達到主動冷卻效果的6 成以上.Roslan 等［61］在光伏板背面使用脈動熱管，可將光伏電池的溫度最多降低10.5 ℃，并增加近19.45%的電輸出［圖6（b）］.Geng 等［12］采用數值模擬和實驗相結合的方法對脈動熱管冷卻高倍聚光光伏電池系統進行研究，當熱管數量達到100 時，聚光光伏聚光度為100，電池仍可保持35 ℃的溫度，即使聚光度達到500 聚光光伏仍可正常工作，證實脈動熱管冷卻光伏電池的可行性［圖6（c）］.除去應用廣泛的平板脈動熱管，Wang 等［62］制作了一種帶平板型蒸發器的三維脈動熱管冷卻聚光光伏［圖6（d）］，可保證在5.88 W∕cm2的熱流水平下光伏電池溫度低于57 ℃，另外熱管內壁設置有燒結銅顆粒吸液芯結構，保證熱管在水平方向正常運行.

圖6 脈動熱管冷卻光伏舉例Fig.6 Examples of pulsating heat pipes cooling photovoltaic module

脈動熱管較強的換熱能力能夠提高光伏組件的冷卻效果，同時，結構尺寸小，與光伏組件耦合時，對系統自重影響較小故具有極佳的與高倍聚光光伏結合的潛力.但脈動熱管內部復雜的潛熱傳熱以及對流換熱機理尚未明確有待進一步探索，在一定程度上影響了其在光伏領域的應用.

2.1.5 微通道熱管

傳統柱狀熱管與平板光伏電池之間存在較大的熱接觸阻力，影響蒸發段換熱效果，而微通道熱管形狀扁平，可與光伏板有良好的接觸并提升其溫度均勻性，同時，微通道熱管內部小尺寸帶來較強的換熱能力，適用于散熱需求較大的聚光光伏.汪婧等［63］設置有無微通道熱管冷卻和不同冷凝段長度的兩組對比實驗，使用熱管冷卻后不僅使電池溫度有效降低25 ℃，同時提高光伏背板溫度均勻性，將光伏效率提升為無冷卻情況下的1.2倍［圖7（a）］.Tang等［64］將微通道熱管冷卻光伏的水冷和風冷兩種方式進行對比研究，實驗證明水冷方式的冷卻效果更佳［圖7（b）］，可使電池溫度最多降低8 ℃，輸出功率增加13.9%，超過風冷方式的4 倍以上.Wang 等［65］將微通道熱管與風冷式PV∕T 系統結合，可將光伏電池溫度降至22.8 ℃，發電效率增加30.9%［圖7（c）］.對于聚光光伏，Ji 等［66］對采用直接風冷、水冷冷卻和熱管冷卻的聚光光伏系統進行實驗研究［圖7（d）］，證實熱管冷卻效果最佳，可使模塊平均溫度降低至22 ℃.

圖7 微通道熱管冷卻光伏舉例Fig.7 Examples of micro-channel heat pipe cooling photovoltaic module

據現有研究，相較于其他類型熱管，微通道熱管對光伏組件的冷卻效果最好，尤其在提升光伏組件溫度均勻性方面具有極大潛力，后續可針對熱管結構、微通道尺寸形狀、充注率以及不同類型光伏組件的冷卻效果等進一步研究探討.

眾多以熱管為主的光伏冷卻技術研究表明，熱管是一種較為環保且經濟可行的光伏冷卻方案.光伏組件廢熱可通過熱管傳輸，熱管冷凝段常采用空氣等被動冷卻或水循環等主動冷卻，系統整個運行過程基本無污染物排放，而且系統運動部件較少，結構較簡單，初投資相對較低且后期維修容易，維護成本不高.此外，系統冷卻效率較高，一般以熱管冷卻為主的冷卻技術可將光伏電池溫度降低5～25 ℃，并將光伏板面溫差縮減至1～10 ℃，將光伏電池發電效率有效提高10%～30%.熱管與光伏電池之間的接觸熱阻大小對系統的冷卻效果有著極大影響，因此相較于柱狀熱管，板式熱管的冷卻效果通常更佳.另外，熱管氣候適應性較強，應用更廣泛，其中受到結構、成本等條件的制約，有芯熱管單獨實現光伏冷卻的研究較為有限；考慮到聚光度較大時必須采用跟蹤系統保證光伏系統擁有足夠的陽光照射面積，而分離式熱管換熱端位置相對固定且需一定的高度差保證系統運行，故分離式熱管更多運用于低倍數非跟蹤型聚光光伏系統；脈動熱管與微通道熱管不僅擁有較好的換熱效果，同時尺寸較小，可用于高倍數跟蹤型聚光光伏系統的散熱.

2.2 熱管耦合其他技術冷卻光伏

除單獨應用以冷卻光伏組件外，熱管還能夠與其他技術耦合提升發電效率.目前主要包括天空輻射制冷技術、相變儲能技術、熱電制冷技術和納米技術.本節結合上述研究方向，對熱管耦合其他技術進行冷卻光伏組件的研究進行分析.

2.2.1 熱管耦合天空輻射制冷技術

天空輻射制冷即地表物體將自身熱量利用大氣層在“大氣窗口”波段（8～13 μm）的高透過性發射到低溫外太空，從而降低自身溫度并實現可持續被動制冷［67，68］，其裝置簡單高效、清潔環保，且對地球環境零損害，是光伏電池的一種新型冷卻手段，而通過熱管可解決光伏產熱和輻射制冷兩者間的冷熱平衡問題并使光伏電池達到理想冷卻效果.

Ahmed等［69］設計了一種新型光伏-熱管-天空輻射制冷耦合系統［圖8（a）］，熱管高效且快速的傳熱機制使得來自光伏電池的廢熱可從光伏和天空輻射制冷模塊頂部釋放.模擬結果表明，與傳統玻璃涂層組件相比，系統電池溫度最大降低12.86 ℃，發電效率提高7.25%.此外，Yoon等［24］使用常規光伏模塊，利用其具備在夜間天空輻射制冷能力，借助分離式熱管傳熱循環被動制冷水，待白天啟動水泵實現光伏主動冷卻［圖8（b）］，模擬結果表明，耦合系統可使光伏溫度最高降低27 ℃，輸出電量最高提升6.7%.

圖8 熱管耦合天空輻射制冷技術冷卻光伏組件舉例Fig.8 Examples of cooling photovoltaic modules by heat pipe coupled sky radiant cooling technology

目前熱管耦合天空輻射制冷技術冷卻光伏展現良好的應用前景，但是天空輻射實時制冷功率較低，如何將收集的冷能最大化用于光伏冷卻，滿足散熱需求并提高系統的一體化程度，仍是一大難題，缺乏對系統性能進行準確評估的相關實驗研究，有待進一步探索可行方案.

2.2.2 熱管耦合相變儲能技術

相變儲能技術可利用固體液化和液體凝固過程中釋放和吸收的潛熱儲存熱量，并用于冷卻，能夠一定程度上改善熱量傳遞過程的時空分布.目前已有研究證明相變材料能有效輔助光伏電池的熱管理，在日間吸熱過程中降低面板溫度［16］，而在與熱管結合的基礎上，相變儲能技術可在不影響光伏電池日間散熱的前提下，通過將日間光伏電池所需散失的熱量部分轉移至夜間，進一步提升光伏電池冷卻性能.

如圖9（a）所示，Gad 等［70］采用平板熱管與相變材料相結合的冷卻系統對光伏板的熱調控功能開展能源、?和經濟性評估的理論研究.與傳統光伏系統相比，該系統可使光伏溫度最大降低20.6 ℃，效率提高11.5%.如圖9（b）所示，?zba? 等［71］將工質分別為水和甲醇的熱管浸入石蠟板中對光伏組件進行冷卻，并設置無冷卻光伏組件和僅使用石蠟板的光伏組件進行對照，實驗證明以水為工作流體的熱管冷卻效果更佳，可將光伏組件前表面玻璃溫度降低5.4 ℃，效率提高是以甲醇作為工作流體的熱管冷卻系統的1.5 倍，是僅使用石蠟板冷卻系統的2 倍.相變材料與熱管技術耦合用于光伏冷卻已經展現良好的前景，但傳統相變材料一方面導熱性能較差，某種程度上不利于光伏散熱；另一方面相變材料與光伏組件耦合時會增加系統的總體質量，尤其對于需要加裝跟蹤裝置的高倍數聚光光伏而言，考慮到成本以及安全因素，需設計合適的結構進行改進.

圖9 熱管耦合相變儲能技術冷卻光伏組件舉例Fig.9 Examples of cooling photovoltaic modules by heat pipe coupled phase change energy storage technology

2.2.3 熱管耦合熱電制冷技術

熱電模塊（TEG）利用塞貝克效應實現溫差發電，無需運動部件，結構簡單且運行可靠［72］，在通過熱管與光伏組件結合以提高發電效率方面具有良好的潛力：光伏電池光電效率一般低于20%，吸收的其余太陽能絕大部分轉化為熱能［73］，基于該部分的熱能發電即可實現紫外、可見光和紅外波段太陽能的有效利用，進而提升發電效率［74］（關于光伏-熱管-熱電混合系統的相關研究匯總于表3）.

表3 光伏-熱管-熱電混合系統相關研究匯總Tab.3 Summary of related study on PV-HP-TEG system

Makki 等［75］使用有芯單管熱管將光伏電池廢熱傳遞給熱電模塊實現進一步發電，模擬結果表明，耦合系統適應太陽輻照強度、環境溫度和風速等環境因素變化的能力要優于傳統光伏系統，在環境溫度較高時系統效率高出傳統光伏系統近46%.如圖10（a）所示，Li 等［76-77］提出一種基于平板微通道熱管的新型光伏-熱電耦合系統，結構原理與前者類似，其中熱電冷側采用翅片進行散熱，并用實驗和模擬手段證明了新系統每年可獲得高于傳統光伏系統6.44 kW·h的發電量，而回報期大約為六年，其具有較傳統光伏系統而言更高的輸出性能和經濟價值.如圖10（b）所示，Shittu 等［78］結合運用微通道熱管、光伏發電和熱電發電技術設計了一套結構類似的發電供熱水的綜合系統，其中熱電模塊冷側采用水泵驅動水循環的方式進行冷卻，同時作者對［79］純光伏、光伏熱電和光伏熱電熱管綜合系統的性能進行了詳細的對比分析，結果表明，新型系統效率比光伏-熱電系統高1.47%，是純光伏系統的1.61 倍.為促進熱電與太陽能的結合，有學者提出將熱電模塊與光譜選擇性基板相結合來利用太陽能，即太陽能熱電發電機［80］.Abdo 等［81］在聚光光伏與熱電模塊之間設置微通道換熱器，形成一種類似“三明治”的結構，依靠微通道內工質流動吸收整個系統熱能［圖10（c）］，研究表明系統可將電輸出功率提升至3.2 kW∕m2，并使光伏電池平均溫度保持在77 ℃.而Gao 等［82］在此基礎上提出了一種結合平板熱管的雙面光伏-熱電系統［圖10（d）］，結果表明雙面系統的總發電量和能量轉換效率約為傳統串聯系統的1.21倍和1.14倍.

目前關于熱管、熱電和光伏的耦合系統通常專注于電效率和發電量，對系統成本控制的考慮仍有待深入，而熱電模塊相對于光伏模塊成本更高，輸出功率和能量轉換效率卻較低，缺乏真正能得到實驗和數值方式有效認證的高效率低成本組合方式，新型組合方式仍有待探索.

2.2.4 熱管耦合納米技術

納米技術在冷卻光伏方面的應用包括納米涂層和納米流體兩個方面.Zhang 等［83］通過將微槽與納米涂層的壓縮泡沫金屬作為內部結構，發明了一種新型熱管板，與傳統無芯熱管相比傳熱能力提升了10 倍以上，與等離子光伏電池結合可使電池溫升降低46%（圖11）.Du 等［84］通過模擬研究證明集成納米涂層熱管板可在不同太陽輻照下為電池提供充足的冷卻，并通過室內實驗證明其可使電池內部溫度更均勻，將溫度變化量降低到1.0～2.5 ℃，延長光伏電池壽命.除此之外，已有研究表明［85］，在兩相換熱流體中加入納米顆粒可以提高蒸發和冷凝換熱效率，獲得更高的熱管冷卻性能，但考慮到成本原因以及納米顆粒存在的沉積等問題，目前對以納米流體為工質的熱管冷卻光伏技術仍在探索中.

以熱管為輔的耦合冷卻技術研究表明，熱管與天空輻射制冷技術、相變儲能技術、熱電技術和納米技術的耦合利用都能有效地提升光伏組件或系統的發電效率.其中天空輻射制冷技術和相變儲能技術主要針對熱管冷凝段換熱進行改善，前者為熱管冷凝段提供一種新型清潔能源，后者延長系統散熱時間，提高整體的冷卻性能；而熱電制冷技術則為系統額外增加了一種發電方式，可直接增加系統發電量；納米技術從熱管自身結構出發，通過改善熱管傳熱來提高系統對光伏的冷卻效率.相較于以熱管為主的冷卻方式，耦合技術的系統結構通常更復雜，由于泵、管道、材料、運輸安裝等費用增加，系統的初投資略高，但目前已有的經濟性相關分析研究表明，系統的投資回收期相對較短，成本收益仍較可觀.同時，耦合系統大部分無污染物排放，可實現太陽能與清潔可再生能源的科學配合以提高系統的穩定性與可靠性.總之，熱管耦合其他技術的冷卻技術是一種可持續、環境友好且經濟可行的冷卻方式.但需要指出的是，現階段除熱電技術之外，其他技術與熱管的耦合都仍以探索性研究為主，缺乏對其性能進行驗證的相關實驗研究，同時，大部分研究都缺少從整個生命周期的角度綜合分析系統的性能、經濟效益和環境效益，耦合系統如何在實際中得以應用仍是一大難點.

3 挑戰與未來展望

目前面向光伏應用的熱管冷卻技術已取得長足進展，但受限于研究視角和場景，在實際應用中仍面臨諸多挑戰，這也表明這一領域具有較大的研究探索空間和發展潛力.本文結合該領域的研究現狀和應用趨勢，對面臨的挑戰進行總結，并對與未來做了展望，具體如下：

1）目前關于光伏電池性能受溫度影響的研究著重于最高溫度或者平均溫度，極少考慮溫度分布均勻性對光伏電池的影響，而溫度分布均勻性是電池壽命與性能的重要影響因素之一，故熱管在這方面發揮的作用有待重視.

2）大部分有關冷卻光伏電池的實驗和數值模擬研究是基于理想設定條件和實驗室場景的，極少關注光伏電池在長期高溫工作下的性能退化問題，這使得許多研究結果偏理想化，缺乏對實際條件下長期運行的熱管冷卻光伏系統的效率研究和成本效益分析.

3）目前關于熱管冷卻光伏方面的應用類研究大部分側重分析光電效率和熱管換熱性能，缺少結合經濟和環境效益的綜合性評估.

4）熱管耦合天空輻射制冷技術進行光伏冷卻是一種有效且較為創新的方式，天空輻射能的科學利用不僅清潔環保，還可有效提高系統冷卻效率，但制冷量較低，在匹配光伏冷卻需求方面存在困難，此外，在實際系統中占地面積和成本方面的權衡有待探討，需進一步改進其結構和材料.

5）熱管耦合相變儲能技術可延長散熱過程，提升制冷效果，但在實際應用中需考慮相變材料的導熱性、穩定性、壽命、重量以及成本等因素，需對其與光伏系統的耦合方式進行新的探索.

6）熱管耦合熱電制冷技術一方面可將電池廢熱進行再利用，另一方面提供了一種新的發電方式，有效提高系統綜合利用效率，但熱電模塊的成本高而效率較低，在應用過程中如何將光伏模塊和熱電模塊的數量和面積以及耦合方式進行調整以取得最優效率仍是一大難題.

7）納米技術可改善光伏冷卻性能，但在較高工作溫度和長期接觸流體的環境下，納米材料的成本、壽命、穩定性因素影響熱管冷卻光伏技術領域應用的實際效果和產業化前景，還需有針對性地進行納米材料研發和長期實驗測試.

4 結論

本文將基于熱管的光伏冷卻技術研究分為兩大類：以熱管冷卻為主的冷卻技術和熱管耦合其他技術冷卻光伏.對于前者，根據使用的熱管類型不同（有芯單管熱管、環路熱管、兩相閉式重力熱管、分離式熱管、微通道熱管、脈動熱管）進行分類闡述，而后者根據耦合技術（天空輻射制冷技術、相變儲能技術、熱電制冷技術和納米技術）的不同特點進行介紹，主要包括耦合系統整體性能、研究現狀以及可行的改進方向.基于該領域發展現狀，探討研究面臨的挑戰，并對其發展做出了展望.本文得出以下具體結論：

1）熱管冷卻是一種環境友好且經濟可行的光伏冷卻方案，冷卻效率較高，可將光伏電池溫度降低5～25 ℃，最高可將其表面溫差縮至1 ℃，最高可有效提升30%左右的發電量.

2）熱管對光伏的冷卻效果會受到熱管工質、直徑、數量、充注率等因素的影響.對于熱管工質，目前使用最為廣泛的依舊是水、R134a、乙醇和丙酮；熱管的數量增加會使系統效率有所提升；大部分研究揭示的熱管最佳充注率為中等充注率（20%～35%）.另外可以通過在熱管冷凝段采用翅片結構增加換熱面積、在蒸發段采用扁平結構的管道等手段來提高熱管效率.

3）不同的熱管結構類型適用于不同的光伏類型，需根據光伏所在的地區氣候、光伏場景、組件規模以及成本選擇適合的熱管類型，還需根據光伏跟蹤系統存在與否仔細考慮熱管安裝位置，而且部分類型熱管的載流極限和傳熱距離限制也是重要的影響因素.

4）熱管與天空輻射制冷技術、相變儲能技術、熱電技術和納米技術的耦合都能有效地提升冷卻系統的性能，但目前系統結構形式都還比較單一，且缺乏相關實驗對系統性能進行驗證分析.同時，大部分研究都未曾考慮系統實際應用中全生命周期內的經濟和環境效益，有待提出更經濟可行的新型冷卻方案.

5）目前以熱管為主的冷卻方式主要研究側重熱管，以冷卻光伏電池為主要目的，通過對熱管的結構進行創新以獲得更優冷卻效果，投資相對較低，更加適用于小型光伏系統；熱管與其他技術的耦合利用則側重于耦合對象以及方式，除提高冷卻效率外還可帶來的附加功能，提高成本效益和縮短投資回收期，更適用于中大型系統.熱管與其他技術的耦合也為太陽能與其他可再生能源的耦合利用提供一種新思路，在“雙碳”背景下極具發展潛力.