混合太阳能-相变材料(PCM)能量存储系统正成为缓解太阳能间歇性、降低热损失并改善光伏(PV)、光伏/热(PV/T)及太阳能热系统运行性能的有效途径。本综述批判性评估了太阳能应用中PCM选择、封装、传热强化、充放电行为、系统集成与优化策略方面的最新进展。与早期分别讨论材料、集热器、经济性或控制的综述不同，本研究将这些方面整合于单一工程评估框架内。已报道研究表明，PCM集成可降低PV运行温度约5-12°C，提高电效率约3-15%，在PV/T和太阳能热系统中提升热效率达15-25%，并将有效热量输送延长数小时至峰值辐照之后。该综述进一步考察了非聚光和聚光集热器、纳米增强PCM、纳米流体以及人工智能(AI)赋能控制在改善热响应和存储效能方面的作用。该研究还通过清洁能源利用、高效热管理和可持续系统设计支持可持续发展目标(SDGs) 7、9、11、12和13。持续存在的挑战包括低导热系数、循环降解、高封装成本、有限的标准化以及长期现场验证不足。
1. 引言
太阳能已成为全球向低碳能源范式转型的 fundamental 组成部分，得益于其丰富的可获得性、模块化部署潜力以及安装成本的一致降低。然而，尽管PV、PV/T和太阳能热技术取得显著进展，太阳能的有效利用仍受两个持久工程挑战的阻碍：太阳辐照度的可变性和太阳能能量转换装置的温度敏感性。在PV组件中，升高的运行温度直接降低电转换效率并可能加速材料降解，从而缩短运行寿命和能量输出。在太阳能热和混合太阳能系统中，太阳能可用性与终端需求之间的时间错位限制了可调度性，常需要辅助加热或备用能源。这些局限性削弱了太阳能技术的整体有效性并增加了所供能源的实际成本，从而推动了对热能存储(TES)的研究以增强运行稳定性和优化太阳能利用。
在各种TES方法中，PCM因其在窄温度范围内吸收、存储和释放大量潜热的能力而受到显著学术关注，促进了近等温热调节。这一特性使PCM在混合太阳能应用中尤为有利，因为同时需要温度稳定和短期存储。将PCM嵌入太阳能系统后，可在峰值辐照时段封存过剩热能，随后在日光不足或日落之后释放。该功能在PV冷却、PV/T组件、太阳能热水器、太阳能空气加热器(SAH)、建筑集成太阳能系统和聚光太阳能配置等应用中尤为有益。从实际角度看，集成PCM可缓解温度波动、提高PV转换效率、稳定集热器出口温度、延长有效热的可用时间并减少对辅助备用源的依赖。这种多功能定位使混合太阳能-PCM系统成为提升太阳能系统热性能和经济性能的有前景工程解决方案。
近年来，混合太阳能-PCM系统的文献大量涌现，涵盖PV-PCM组件、PV/T-PCM系统、PCM辅助太阳能集热器、潜热储罐、级联PCM配置、纳米增强PCM和AI辅助运行策略等。尽管这一扩展反映了该领域日益增长的重要性，现有文献仍明显碎片化。众多研究聚焦于单个子系统、特定PCM家族或孤立增强技术，而未能充分关联材料选择与热行为、充放电效率、技术经济可行性、长期可靠性和实际部署潜力。同样，相当一部分已发表研究继续强调实验室规模或基于仿真的探索，而较少提供在统一性能框架内比较不同混合太阳能-PCM配置的集成工程洞见。因此，该领域包含大量有价值的个别贡献，但直接适用于设计工程师、能源规划者和应用开发者的批判性综合综述相对较少。
当审视近期综述文献时，这一差距愈发明显。过去五年中，大量综述文章已涉及该领域的特定维度，包括潜热存储的潜在PCM候选材料、PCM在建筑应用中的集成、纳米增强热存储解决方案和特定太阳能热应用等。尽管这些研究在其贡献方面值得称赞，大多数仍受广度限制，未能系统评估PV-PCM、PV/T-PCM、非聚光太阳能热集热器、聚光太阳能系统、供热和制冷应用以及技术经济和环境性能。此外，许多前期综述主要采用描述性方法，对温度降低、效率提升、存储持续时间、充放电动态或生命周期影响等定量性能指标的基准测试有限。它们对证据质量、跨部门适用性、规模化障碍以及增强性能与增加复杂性或成本之间的务实工程权衡的讨论也相对有限。因此，迫切需要更广泛的批判性综述，不仅综合当代研究，而且通过应用导向的工程视角加以解读。
与主要讨论孤立方面如PCM材料、建筑应用、纳米增强或一般PV/T趋势的早期综述不同，本综述将系统配置、热管理行为、充放电性能、技术经济评估、环境含义和部门级部署相关性整合于单一工程框架内。在此背景下，本综述作为混合太阳能-PCM系统的批判性工程基准进行组织，区别于传统叙述性综述。其原创性在于能够在单一框架内综合主要混合太阳能-PCM配置，同时评估PCM材料、热调节行为、存储性能、集热器集成和系统级设计考虑。此外，该综述汇总了关于PV温度抑制、电效率和热效率提升、存储持续时间延长以及充放电响应动态的文献定量发现。它还建立了热设计与传热增强策略同技术经济和环境后果之间的联系，从而超越了对热性能的孤立讨论。而且，该综述严格考察了传热流体、纳米流体和纳米添加剂的作用，同时阐明了可用证据有前景但验证不足的领域。通过结合这些方面，本文旨在提供比前人更 robust 和更实际适用的综合。
2. 综述方法论
为确保本综述提供透明、结构化和批判性平衡的混合太阳能-PCM能量存储系统综合，采用了系统的方法论进行文献识别、筛选、主题分类和解读。这一方法论框架的目的不仅是收集广泛的近期工作，而且根据工程相关性、方法论质量、时效性和对PCM辅助太阳能系统的直接适用性筛选文献。由于该领域跨越材料科学、热工程、建筑应用、太阳能集热器设计、数值模拟和技术经济评估，结构化方法对于减少主题碎片化并保持综述的专题连贯性是必要的。所采用的方法因此结合了基于数据库的文献检索、关键词驱动的搜索扩展、分阶段筛选和按主要技术维度进行的证据分组。
2.1 数据库选择和搜索范围
文献调查使用在工程和能源相关研究中被广泛认可的主要科学数据库进行，即Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar。这些来源被审慎选择以涵盖全面但技术相关的文献，包括关于PCM和太阳能系统的期刊文章、综述论文和应用导向工程研究。搜索主要聚焦于2020至2025年的出版物，因为该时段捕获了PCM辅助太阳能技术最新进展，包括封装、纳米增强材料、充放电分析和技术经济评估方面的创新。然而，在认为必要以维持概念连续性时也保留了较早的开创性研究，特别是当基础PCM分类、热存储原理或关键系统架构在2020年前就已确立时。
2.2 搜索词和查询开发
为确保该领域的充分覆盖，搜索策略使用代表材料、系统类型、增强技术和评估方法的领域特定关键词组合。主要搜索词包括："phase change material"、"hybrid solar PCM"、"PV-PCM"、"photovoltaic thermal PCM"、"solar thermal storage"、"latent heat thermal energy storage"、"charging and discharging"、"encapsulation"、"nano-enhanced PCM"、"nanofluid solar collector"、"techno-economic analysis"、"life-cycle assessment"、"thermal management"和"AI optimization"。这些术语单独和组合使用，以捕获综述主要子主题的文献。
2.3 文献筛选和选择程序
文献选择方法论分四个系统阶段实施以增强一致性并减少边际相关性研究的纳入。初始阶段进行初步搜索，审视作者、标题、摘要和关键词以识别与PCM集成太阳能系统直接相关的研究。第二阶段评估直接主题相关性，排除仅涉及通用PCM化学、无关电池或电化学存储系统、或缺乏PCM集成的太阳能研究。第三阶段对剩余文章的全文进行细致分析，以评估工程深度、时效性、方法论严谨性、定量报告和与综述一个或多个主要主题的相关性。第四阶段将保留的研究系统分类为主要证据领域。
2.4 方法论工作流程
采用的文献识别、筛选、资格评估和最终纳入过程以PRISMA风格方法论工作流程总结。该工作流程旨在提高方法论透明度并清晰展示混合太阳能-PCM能量存储系统批判性工程综合的证据基础如何构建。初始搜索从主要科学数据库产生1517条记录，去除重复条目后剩余1248条进行标题和摘要筛选。筛选阶段因不相关排除731条，517条进入全文检索，其中24篇不可用。493篇全文按工程相关性、方法论深度、定量报告和主题适用性评估，最终排除290篇后保留203篇进行批判性定性综合。
2.5-2.7 搜索策略、选择标准、纳入排除标准、偏倚意识和证据基础局限性
详细搜索设计、筛选逻辑、纳入/排除依据和方法论假设已汇总。核心搜索关键词包括上述术语，纳入关键词/主题涵盖PCM集成太阳能集热器、PV冷却、PV/T系统、太阳能热水器、SAH、建筑集成PCM、填充床存储、聚光太阳能、性能基准测试、技术经济和环境分析。排除无关电化学存储、无太阳能PCM相关性的通用纳米材料论文等。纳入标准包括实验验证、数值建模、现场证据、集热器或系统级设计分析、技术经济评估、环境指标和与混合太阳能-PCM系统的明确相关性。
尽管遵循结构化选择过程，可用文献仍存在若干局限性：短期测试偏倚、实验室规模研究过度代表、气候特异性报告、不一致的性能指标和有限的长期户外验证。因此，本综述综合的发现应被解读为工程趋势和比较洞见而非普遍适用的结论。
2.8 混合太阳能-PCM研究的文献计量学概览
纳入文献计量学视角以说明该领域的增长、主题演变和研究聚类。年度科学产出显示近年出版物呈明显上升趋势，表明将潜热存储与太阳能技术集成的研究兴趣迅速增长。关键词共现分析揭示该领域围绕几个主要研究集群结构化：PV冷却、PV/T系统和组件热调节；太阳能热存储、太阳能热水器和SAH；纳米增强PCM、纳米流体、封装和导热系数增强；以及优化、CFD、AI、ML和智能控制等新兴集群。
3. 太阳能应用中相变材料基础
PCM在更广泛的TES领域中发挥关键作用，因其能在窄温度范围内吸收、存储和释放大量潜热。与显热存储介质相比，PCM通常提供更高的有效能量存储密度和更稳定的热缓冲，尤其适用于可再生能源系统。在太阳能系统中，PCM应用可广义分为主动和被动两类。被动应用包括建筑围护结构、墙体、屋顶、窗户、砖块和其他热调节元件，其中PCM无需主动循环即可存储和释放热量。主动应用则包括PV冷却装置、PV/T系统、太阳能热水器、SAH、填充床潜热存储单元和聚光太阳能系统，其中PCM直接与集热器或太阳能转换设备耦合以吸收、存储和随后输送热能。
3.1 太阳能系统中PCM的被动和主动应用
PCM在太阳能系统中的应用主要分为两类：被动热缓冲器和集成于太阳能能量转换路径的主动潜热存储组件。在被动应用中，PCM通常嵌入墙体、屋顶、窗户、立面面板、砖块和复合建筑板材等建筑元件。在主动应用中，PCM直接与太阳能集热器、PV组件、PV/T配置或专用存储单元耦合。
3.2 PCM分类
用于太阳能系统的PCM通常分为有机、无机和共晶材料，每类具有独特的热工程和热物理特性。有机PCM包括石蜡、脂肪酸和聚乙二醇，广泛用于低温到中温太阳能应用，因其化学稳定性、同成分熔化行为、低腐蚀性和与多种封装材料的兼容性。然而，其相对较低的导热系数构成显著限制。无机PCM包括盐水合物、熔盐和某些金属或盐基配方，提供更高的体积能量存储密度和通常优于有机材料的导热系数。共晶PCM结合两种或更多组分以实现精确的、应用特定的熔化温度，其主要优势在于热可调性。
3.3 太阳能系统相关热物理性质
PCM在太阳能系统中的效能根本取决于其热物理特性，特别是熔化温度、熔化潜热、导热系数、比热容、密度、热稳定性和循环耐久性。主要参数是相变温度，必须在预期应用的操作范围内。
3.4 太阳能应用选择标准
PCM的选择应基于应用特定的工程标准，而非孤立的材料性质。最合适的PCM是在温度匹配、热存储效率、充放电动力学、安全性、耐久性和成本之间实现最优平衡的材料。
3.5 太阳能和热能存储系统的封装和容纳策略
封装是PCM实际使用的关键使能策略，因为重复的熔化和凝固否则会导致泄漏、形状不稳定、体积膨胀、不良热接触和长期降解。在太阳能系统中，封装必须发挥双重作用：作为容纳结构和PCM与周围能量转换环境之间的热界面。
3.6 PCM基础批判综合
现有文献明确表明，没有普遍适用的PCM能充分满足所有混合太阳能能量系统的多样化需求。主要研究障碍不仅在于识别新型PCM候选材料，而且在于制定标准化的、应用特定的选择框架，纳入热、机械、经济和环境考虑。
4. 混合太阳能-PCM系统配置和应用领域
混合太阳能-PCM系统可根据太阳能集热器类型、运行温度范围、预期应用和分配给潜热存储的具体作用进行多种配置。本节比较主要混合配置的结构设计、运行原理、性能贡献和实际适用性。
4.1 PV-PCM系统
在PV-PCM系统中，PCM通常位于PV组件背面或附近，使其能在强烈太阳辐照期间吸收产生的过量热，防止电池温度过高。文献报告组件温度降低约5至12°C，电效率提高约3%至15%。
4.2 PV/T-PCM系统
PV/T-PCM系统比PV-PCM系统具有更高程度的功能集成，因其不仅设计用于控制PV板温度，还用于回收和利用有价值的热能。经验研究表明，PV/T-PCM系统中热效率提升可达约15-25%，同时稳定或适度改善电性能。
4.3 带PCM的非聚光太阳能热集热器
非聚光太阳能热集热器包括平板集热器、真空管集热器和SAH，是集成PCM最实际相关的领域之一。水基和空气基非聚光太阳能系统之间的区别对PCM集成有重要设计含义。
4.4 聚光太阳能集热器和高温应用
聚光太阳能集热器和聚光太阳能热发电(CSP)配置在显著更高的温度范围内运行，需要能够承受更严格条件下反复热循环的PCM或潜热存储材料。然而，高温PCM系统的工程要求明显更严格。
4.5 建筑、围护结构和太阳能响应结构中的PCM应用
建筑是PCM集成最有前景的近领域应用之一，因为墙体、屋顶、窗户和内部空间的热负荷常与PCM的日充放电行为一致。
4.6 直接太阳暴露和专用PCM应用
除传统集热器耦合和建筑集成系统外，PCM还被研究用于材料或含PCM结构直接暴露于太阳辐射或其他高瞬变辐射环境的应用。
4.7 供热、制冷和部门级适用性
混合太阳能-PCM系统的部门适用性是重要考虑因素，因为PCM集成的益处在所有终端使用部门并不均匀。最强劲的近期机会出现在建筑部门。
4.8 系统配置批判综合
文献比较分析揭示主要混合太阳能-PCM配置之间存在明显差异。当前发现表明，低到中等温度太阳能应用代表混合太阳能-PCM技术最部署就绪的领域。
5. 设计优化、传热强化和充放电行为
混合太阳能-PCM系统的效能不仅取决于所选PCM的固有热特性，还取决于该材料在太阳能能量框架中的集成程度。
5.1 封装策略
封装是混合太阳能-PCM系统中最关键的设计参数之一，因其直接影响泄漏管理、传热效率、结构韧性和热循环条件下的耐久性。
5.2 被动传热强化：翅片、多孔材料、金属泡沫和导热矩阵
PCM基热存储最持久的限制之一是许多常用材料（尤其是石蜡基和其他有机配方）的导热系数普遍较低。在被动增强方法中，翅片和扩展表面最广泛使用。
5.3 纳米增强PCM、纳米颗粒和纳米流体
纳米材料的使用已成为改善混合太阳能-PCM系统传热的可行途径。然而，纳米增强系统的实际效能复杂。
5.4 先进PCM系统的制备和集成方法
先进PCM系统的热效能不仅取决于所用添加剂类型，还取决于制备路线和改性材料集成到太阳能系统中的方式。
5.5 充放电行为
充放电行为是混合太阳能-PCM性能中至关重要但经常被忽视的一个维度。有效的太阳能-PCM系统必须满足三个基本标准：在波动太阳辐照下充分充电、在所需输出期间充分放电、以及在长期运行期间可靠重复此循环。
5.6 AI驱动和算法优化
传统优化方法主要依赖参数模拟和使用传热、流体动力学和瞬态热行为计算工具的数值分析。最近，AI驱动和数据驱动工具已被用于增强系统预测和控制。
5.7 PCM基太阳能热能存储建模的控制方程
PCM辅助太阳能能量系统的热行为通常用质量、动量和能量守恒方程描述，并结合考虑熔化和凝固期间潜热吸收和释放的相变公式。
5.8 优化研究批判综合
总体而言，学术文献表明封装、传热改进、纳米技术创新和系统级优化的进步可以显著增强混合太阳能-PCM系统的性能。然而，这些进步很少没有相关权衡。
6. 热管理和性能基准测试
热管理是将PCM集成到太阳能系统中的主要原因之一，因为其实际价值超越热量存储，扩展到温度调节、输出稳定和太阳能设备有效运行期的延长。
6.1 实验证据
实验研究继续作为混合太阳能-PCM研究的主要经验证据来源，因其提供温度调节、充放电动态和系统级热响应的直接观察。
6.2 数值建模和仿真
数值建模在推进混合太阳能-PCM系统方面发挥关键作用，使几何配置、PCM厚度、集热器布局、热耦合和运行条件的快速优化能够在物理原型制造之前进行。
6.3 混合太阳能-PCM分析的数值、CFD和机器学习方法
数值建模已成为混合太阳能-PCM系统设计、分析和优化的必备工具。CFD特别重要，用于解析瞬态熔化和凝固行为、液态PCM区域内的自然对流、非均匀温度梯度以及翅片、多孔介质、壳体几何和HTF流动布置对传热性能的影响。
6.4 现场部署和长期监测
现场研究和长期监测虽不如实验室实验或数值模拟普遍，但对工程决策提供了显著更大的洞见。
6.5 性能评估定量指标
现有学术文献的一个重大缺陷是缺乏标准化定量报告指标。为增强基准测试实践和提高未来研究的科学严谨性，混合太阳能-PCM系统必须使用一致的定量指标集进行评估。
6.6 性能文献批判综合
总体而言，文献提供有说服力的证据表明PCM集成可以显著增强热调节、稳定输出并优化各种系统配置中的太阳能利用。然而，这些益处的幅度深刻取决于情境因素。
7. 技术经济和环境评估
技术经济和环境因素评估对于确定混合太阳能-PCM系统从有前景的实验室模型转变为实际规模可行工程解决方案的潜力至关重要。
7.1 成本组成和经济相关性
混合太阳能-PCM系统的经济可行性取决于材料成本、系统修改成本、安装复杂性、运行要求和预期使用寿命等因素的汇合。
7.2 经济指标
用于评估混合太阳能-PCM系统的主要财务指标包括平准化能源成本、投资回收期、净现值和内部收益率。
7.3 生命周期评估和可持续性
环境评估至关重要，因为热效率提升并不等同于可持续性的改善。LCA考察与原材料开采、PCM生产、封装过程、集热器修改、安装、运行阶段、维护和寿终管理相关的环境影响。
7.4 敏感性、不确定性和政策背景
敏感性分析在技术经济评估中尤为重要，因为混合太阳能-PCM系统的性能受多种不确定或位置特定变量的影响。
7.5 部门级适用性和实际部署价值
混合太阳能-PCM系统的实际部署价值强烈依赖于具体应用，因为潜热存储的有用性不仅取决于热性能，还取决于存储热量被利用的频率、系统集成的难易程度以及放电期与实际需求的匹配程度。
7.6 技术经济证据批判综合
总体而言，技术经济和环境数据表明混合太阳能-PCM系统具有显著潜力，但其实施理由尚未被普遍验证。
8. 挑战、局限性和未来研究方向
尽管混合太阳能-PCM系统在改善太阳能利用方面显示出相当潜力，其更广泛的部署仍受材料、结构、运行和方法论挑战的制约。
8.1 材料和热挑战
材料层面的限制仍是提高混合太阳能-PCM系统性能的最持久障碍之一。许多传统PCM继续面临低导热系数的限制。
8.2 封装和机械可靠性
封装是混合太阳能-PCM系统推进中的重大障碍，因其在热效能和结构韧性方面都发挥关键作用。
8.3 当前证据基础的弱点
本综述的主要发现是，现有证据基础缺乏统一质量，从而限制了众多工程推断的稳健性。
8.4 传热流体、纳米流体和混合添加剂
通过纳米流体和混合纳米添加剂增强传热在学术讨论中持续被倡导，但这些进步的经验工程意义在实际运行条件下仍验证不足。
8.5 数字化、控制和智能运行
混合太阳能-PCM系统的未来演变预计将越来越多地依赖于预测性、适应性和数字化促进的运行范式。
8.6 标准化和长期验证
混合太阳能-PCM研究领域的一个关键要务是建立标准化协议。
8.7 未来研究优先事项
基于本综述综合的证据，首要未来研究优先事项可分为七个相互关联的方向：(1)开发可回收、生物基和热稳定的PCM复合材料；(2)优先发展可扩展、经济有效的封装方法和可靠的机械耐久性；(3)使用相同报告指标系统比较各种集热器类型和太阳能-PCM配置的基准研究；(4)采用标准化充放电评估协议；(5)技术经济和LCA应采用透明假设、明确系统边界和考虑不确定性的分析；(6)通过实验验证的数字工具而非仅基于仿真的算法开发实时和预测控制策略；(7)大规模、多气候、长期的现场示范。
9. 实际意义和工程含义
混合太阳能-PCM系统通过将可变的太阳能输入转化为更高效、更稳定和部分时间转移的热能服务来展示实际相关性。
9.1 实际应用中的实际意义
混合太阳能-PCM系统最实质性的实际意义体现在日热需求与PCM存储和释放特性一致的部门。
9.2 系统设计的核心工程原则
文献表明三个工程原则对这些系统的成功实施尤为关键：温度匹配的对齐、全周期整体性能的重要性、以及系统利用频率和设计简易性对部署价值的影响。
9.3 设计和部署的工程含义
上述发现对混合太阳能-PCM系统的设计具有重大意义。这些系统不应被感知为普遍有利的增强，而应作为以应用为中心的热管理解决方案。
9.4 性能评估和商业相关性的含义
工程含义进一步延伸到这些系统的评估和商业化。后续研究和实际实施应优先关注服务持续时间延长、热排放效用、热输出稳定性、重复循环下的韧性、可制造性、维护要求和与当地气候条件的兼容性等指标。
10. 结论
混合太阳能-PCM能量存储系统代表了一条技术上很有前景的途径，用于提高PV、PV/T和太阳能热应用中太阳能的可用性、稳定性和价值。综述文献表明，PCM集成通常可降低PV运行温度约5-12°C，提高电效率约3-15%，在集成系统中提升热效率达15-25%，并将有效热量输送延长数小时至峰值辐照之后。这些益处在低到中等温度应用中最为一致地实现，如PV冷却、家用热水、SAH和建筑集成热管理。
同时，该领域仍面临重大障碍。低PCM导热系数、不完全放电、长期降解、封装成本、薄弱的标准化和有限的现场规模耐久性数据继续限制可靠的规模化。技术经济性能有前景，但仍高度依赖气候、利用模式和系统复杂性。同样，当改善的太阳能利用超过先进材料和制造的隐含影响时，环境效益才成为有利因素。
本综述最重要的结论是，混合太阳能-PCM系统的未来不仅依赖于孤立的材料改进，而是依赖于集成工程设计。进步将需要PCM配方、容纳、集热器耦合、充放电管理、数字控制和标准化评估方面的协调进展。实际而言，最强的近期路径在于以应用为重点的系统，将稳健的低成本PCM集成与可衡量的运行价值相结合，特别是在建筑规模和低温热应用中。依此方向，混合太阳能-PCM系统可从有前景的原型发展为下一代可持续能源基础设施中可靠、商业相关的组成部分。
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