摘要：目前，新能源的发展已成为世界各国的国家战略。其中，太阳能由于储量巨大、经济、清洁、环保等优点已经被人们广泛应用到实际生活中。包括太阳能光伏发电(PV)、光热发电、太阳能干燥、光伏建筑一体化(BIPV)等。在光伏发电中，太阳电池只能将入射太阳能量的 5%～15%转化为电能，其余大部分太阳能转化为热能，导致其工作温度升高，且温度每增加1 ℃光伏转换效率降低0．4%～0．65% 。因此，太阳能电池的热控问题已成为光伏发电技术中，提高光伏发电效率的关键技术问题之一，得到大量研究。
关键词：太阳电池；热控相变材料的制备；应用研究
1导言
例如，Yun 等人采用对太阳电池表面通风的办法进行热调节，结果表明，通风太阳电池温度为 55 ℃，没有通风太阳电池温度为 76．7 ℃。Wilson等介绍了一种在太阳电池背面采用重力自流冷却水薄膜覆盖方法，在很短的时间内实现了模块温度从 62 ℃下降到 30 ℃，效率增加 12．8%。但是，由于很多热调节系统初始投资和维护成本很高，在较高温度下使用寿命有限，而且不易维护，冷却性能也有待提高。近年来，相变材料在太阳能热控中应用得到很多学者的研究，其利用 PCM 相变过程潜热大的特点，吸收太阳电池产生的热量实现太阳电池温度的控制，例如，Huang 等人采用一维、二维和三维有限元分析方法对 PV/PCM 太阳能系统在不同参数下的热性能和电特性进行了分析，表明在部分地区光伏系统的输出效率可提高 6%。另外，Park 等设计了一个 PV/PCM 实验装置，实验表明，与 PV 系统相比，在 PV/PCM 系统中太阳电池的温度降低 5 ℃，转换效率提高约 3．1%。总之，PV/PCM 系统被认为是一种很有前途的替代传统热控技术的解决方案。但是，PCM 在光伏热控系统中的应用还处在初级阶段，PCM 材料与太阳电池的优化配置、强化 PCM 的热传导问题、理论模型的建立问题等还有待研究。本文中，利用熔融共混法制备 3 种 LA-SA 二元复合相变材料，在对其热特性进行测试分析的基础上，开展相变材料在光伏热控系统中应用实验，针对相变材料与太阳电池质量面积配比对太阳电池热电特性影响的实验研究，为PCM 材料与太阳电池的优化配置提供实验依据。
2复合相变材料的制备
2.1材料的选择
根据太阳电池的温度特性，研究制备相变温度在35 ℃ ～55 ℃之间的相变材料，根据月硅酸(LA)和硬脂酸(SA)二元相变材料的理论相图，以月硅酸和硬脂酸为原料，制备相变储能材料。所用月桂酸产家为天津市志远化学试剂有限公司，熔点为 44 ℃，硬脂酸为天津市博迪化工股份有限公司，熔点为 67 ℃。
2.2二元复合材料的制备
采用恒温水浴加热法制备月桂酸质量分数分别为 30%、75%和 90% 3 种复合相变材料，制备时，将称量好的两种材料按比例混合均匀加入玻璃烧杯中，放入 70 ℃的集热式恒温水槽中加热至融化，并用磁力搅拌器搅拌 20 min，冷却凝固后放入 35 ℃的真空干燥箱中干燥 10 h 制得月桂酸硬脂酸复合相变储能材料。
3 LA-SA 复合相变材料特性表征
3.1相变材料的红外分析
月硅酸、硬脂酸及 LA-SA 复合相变材料的FT-IＲ 图谱如图 1 所示。从图 1 可以看出，复合相变材料中出现月桂酸、硬脂酸的特征峰，其中，2 950 cm－1和 2 850 cm－1处为甲基、亚甲基的 C—H 键的伸缩振动吸收峰;1 700 cm－1处的吸收峰是 C = O 的伸缩振动峰，而1 471．6 cm－1处为由—CH 剪切振动峰;在 1 355．9cm－1处为—CH 对称变形和—CH2 的摇摆振动峰，其表明制备过程没有改变月桂酸和硬脂酸相变材料的物化性质，复合材料中无新的物质产生。
图 1 月硅酸、硬脂酸及复合相变材料的 FT-IＲ 图谱
3.2相变材料的热特性表征与分析
采用电子天平(精确到 0．001 g) 称取材料 10mg，将其放入 DSC 差示扫描量热仪样品室，设置升温速率为 15 ℃ /min，最高温度为 110 ℃。测得 3 种复合相变材料的 DSC 曲线如图 2 所示。
图 2LA-SA 复合相变材料的 DSC 图
从图 2 可以看出，LA-SA 复合相变材料中，在SA 质量分数比为 30%时，表现为单一的共晶峰，说明复合相变材料形成低共熔混合物，其峰值温度为40 ℃;在 SA 质量分数比为 75%时，复合相变材料出现 SA 与 LA 交叠的双峰。在 SA 质量分数比为 90%时，表现为单一的共晶峰，说明复合相变材料形成低共熔混合物。
3.3热稳定性测试及分析
SA 质量分数为 30%、75%、90%LA-SA 复合相变材料的热失重(TG)曲线如图 3 所示。
图 3LA-SA 复合相变材料的 TG 曲线
从图 3 可以看出，从室温到 300 ℃之间，LA-SA复合相变材料的失重过程可分为两个阶段，SA 质量分数为 30%复合相变材料从室温到 202 ℃为第 1 阶段，失重率为 3．9%，第 2 阶段温度从 202 ℃ ～280 ℃，失重率为 21．4%;SA 质量分数为 75%相变材料从室温到 220 ℃为第 1 阶段，失重率为 4．1%，第 2 阶段温度从220 ℃ ～294 ℃，失重率为33．8%;SA 质量分数为90%合相变材料从室温到 236 ℃为第 1 阶段，失重率为 4%，第 2 阶段温度从 236 ℃ ～299 ℃，失重率为30．4%。第 1 阶段的失重主要为样品中吸附残留水蒸发所致，第 2 阶段的失重主要为材料挥发所致，失重速率大。从图 3 中可以看出，复合相变材料具有较好的热稳定性，适合在热控光伏发电系统中使用。
3.4复合相变材料的熔化(储热)和凝固(放热)特性测试
复合相变材料的熔化与凝固特性能直接反映材料的储热和放热特性，将 SA 质量分数为 30%、75%和 90%的 LA-SA 复合相变储能材料放入 50 mL 的锥形瓶中，同时 Pt100 铂电阻嵌埋在复合材料中，采用水浴加热法，同时将锥形瓶放入 70 ℃恒温水浴池中加热，只到相变材料完全融化，在加热过程中，利用阿尔泰多路数据采集系统记录复合相变材料的温度变化特性，如图 4 所示。将完全熔化的 LA-SA 复合相变储能材料从恒温水浴池中取出，在室温环境中自然冷却，测得凝固时间 － 温度曲线如图 5 所示。
图 5
3 种 LA-SA 相变材料的凝固曲线
从图 4 可以看出在熔化过程中，SA 质量分数为30%相变材料的相变温度为 36 ℃、SA 质量分数为75%相变材料的相变温度为 45 ℃、SA 质量分数为90%相变材料的相变温度为 49 ℃，而且，随 SA 质量分数的增加，LA-SA 相变材料达到平衡温度的时间逐渐增加。从图 5 可以看出在凝固过程中，SA 质量分数为 30%相变材料的相变温度为 32 ℃、SA 质量分数为 75%相变材料的相变温度为 47 ℃、SA 质量分数为 90%相变材料的相变温度为 52 ℃。熔化相变温度与凝固相变温度之间存在一定差距。
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论文作者:李乾,汪义龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
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