慧正資訊，近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的馬濤副教授聯(lián)合王如竹教授、代彥軍教授提出了一種用于光伏板被動(dòng)冷卻的復(fù)合背板，該背板由具有吸附-蒸發(fā)冷卻作用的吸濕性水凝膠和保護(hù)膜組成。這種背板與傳統(tǒng)光伏板有很強(qiáng)的粘附性，使得安裝這種背板非常容易。這種光伏板在多天的戶外測(cè)試中能顯示出良好的冷卻性能，且不會(huì)降解。經(jīng)過測(cè)試，與沒有裝備這種背板的普通光伏板相比，在不同氣候條件下這種復(fù)合光伏板均可實(shí)現(xiàn)日降溫1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏組件在25℃條件下發(fā)電量增加0.57% ~ 2.43%。這種背板不會(huì)降解、輕質(zhì)、具有低原材料成本，未來可大規(guī)模應(yīng)用于光伏冷卻中。

【研究摘要】

光伏冷卻技術(shù)十分重要，溫度升高會(huì)降低效率和使用壽命。冷卻裝置同時(shí)滿足良好的冷卻性能、低成本、輕質(zhì)額外組件十分困難。近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的馬濤副教授聯(lián)合王如竹教授、代彥軍教授提出了一種用于光伏板被動(dòng)冷卻的復(fù)合背板，該背板由具有吸附-蒸發(fā)冷卻作用的吸濕性水凝膠和保護(hù)膜組成。這種背板與傳統(tǒng)光伏板有很強(qiáng)的粘附性，使得安裝這種背板非常容易。這種光伏板在多天的戶外測(cè)試中能顯示出良好的冷卻性能，且不會(huì)降解。經(jīng)過測(cè)試，與沒有裝備這種背板的普通光伏板相比，在不同氣候條件下這種復(fù)合光伏板均可實(shí)現(xiàn)日降溫1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏組件在25℃條件下發(fā)電量增加0.57% ~ 2.43%。這種背板不會(huì)降解、輕質(zhì)、具有低原材料成本，未來可大規(guī)模應(yīng)用于光伏冷卻中。

文章以《A Hygroscopic Composite Backplate EnablingPassive Cooling of Photovoltaic Panels》為題發(fā)表在世界高水平期刊ACS Energy Letters（IF=23.101）上。

【研究背景】

太陽(yáng)能光伏組件能夠?qū)?0%左右的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為電能輸出，但同時(shí)約70%的太陽(yáng)能則被轉(zhuǎn)換為廢熱，導(dǎo)致組件溫度升高。高溫不僅使光伏組件的發(fā)電功率下降，也會(huì)加速組件老化從而影響其壽命，從而影響其全生命周期的發(fā)電量，因此控制光伏組件的運(yùn)行溫度顯得尤為重要。學(xué)術(shù)界提出了多種主動(dòng)式和被動(dòng)式冷卻方式，包括風(fēng)冷、水冷、液冷、熱電轉(zhuǎn)換、相變降溫等。為了使光伏組件在降溫的同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)期可靠性，必須綜合考慮冷卻效果、材料成本以及冷卻器件的復(fù)雜度和重量，但目前的熱管理技術(shù)難以同時(shí)滿足這些要求。例如輻射制冷易于實(shí)施，但多數(shù)情況下降溫極其有限，采用相變材料能夠降溫10℃以上，但組件重量與成本將大幅上升。

受哺乳動(dòng)物和植物通過蒸發(fā)水分來冷卻自身的啟發(fā)，近年來基于大氣水蒸氣吸附材料的蒸發(fā)冷卻技術(shù)越來越受到關(guān)注。由于蒸發(fā)焓大(>2000 J/g)，水汽可以有效地將熱量帶到周圍環(huán)境。更重要的是，冷卻能力可以通過從環(huán)境中捕獲水分來再生。這使得蒸發(fā)冷卻不需要水和能量的輸入，從而變得輕便高效，這已經(jīng)在電子設(shè)備、鋰離子電池、建筑和光伏板的熱管理中得到了證明。下一個(gè)任務(wù)是設(shè)計(jì)吸附-蒸發(fā)冷卻技術(shù)，使其能夠以低成本輕松應(yīng)用于光伏板，并具有良好的耐候性和耐久性。這是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)大氣水蒸氣吸附材料在室外環(huán)境中很容易不穩(wěn)定。

【文章亮點(diǎn)】

為了確保戶外應(yīng)用的適用性，以及在施工過程中易于附著在光伏背板上，研究人員使用了一種聚丙烯酰胺(PAm)/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，這種水凝膠在之前的研究中已被證明具有可拉伸性和韌性。PAm/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過兩步合成，包括丙烯酰胺在50°C處理下的熱交聯(lián)和海藻酸鹽在0.3 M Ca2+溶液中的離子交聯(lián)。簡(jiǎn)單的制備過程使得它可以很容易地大規(guī)模生產(chǎn)。

當(dāng)應(yīng)用于光伏熱管理時(shí)，吸濕性水凝膠將暴露在復(fù)雜的室外環(huán)境中。因此，必須使吸濕性水凝膠具有透氣但防水的表面，這可以幫助避免因灰塵污染、雨水沖洗和鹽泄漏而導(dǎo)致的故障，將平均孔徑為3 μm的多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜附著在吸濕凝膠上以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

雖然有些水凝膠具有較高的粘附性能，但基于氫鍵等弱分子間力的粘附非常不穩(wěn)定，特別是當(dāng)界面處存在液態(tài)水時(shí)。因此，需要較強(qiáng)的界面韌性來抵抗風(fēng)雨。為了解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種簡(jiǎn)單易用的方法——加入一種粘合劑。該粘合劑是將氰基丙烯酸乙酯粘合劑分散在非溶劑中制成的。將制備好的粘合劑涂在PV背板上，然后立即將PAm/海藻酸鹽水凝膠輕輕壓上，這會(huì)立即形成牢固的粘合。

【圖文介紹】

用于光伏板被動(dòng)冷卻的吸濕復(fù)合背板的簡(jiǎn)要說明。(a)光伏板的能量平衡示意圖，吸收入射太陽(yáng)能(Psun)，輸出電能(Pout)，并通過熱輻射(Prad)和對(duì)流(Pcon)散熱。(b)具有復(fù)合背板的光伏板示意圖，該板通過蒸發(fā)冷卻具有額外的冷卻功率(Pcool)。(c)照片顯示18 × 18 cm2的光伏板背面與復(fù)合背板，由吸濕水凝膠和保護(hù)膜組成。(d)本研究中使用的吸濕性水凝膠示意圖，雙網(wǎng)狀PAm/海藻酸鹽水凝膠為底物，CaCl2為吸附劑。

復(fù)合背板的制造與表征。(a)邊長(zhǎng)為20 cm的吸濕性水凝膠(PAm/海藻酸鹽- cacl2)照片。(b) 100 × 100 × 4 mm3體積PAm/海藻酸鹽- cacl2樣品表面未/覆蓋PTFE膜的動(dòng)態(tài)吸附曲線。在恒定氣候條件下(30°C, 75%RH)測(cè)量。插入圖顯示了沒有/有PTFE膜時(shí)的水接觸角。(c)在0.7 kW/m2下加熱時(shí)，不含/含100 × 100 × 4 mm3 PAm/海藻酸鹽- cacl2樣品的加熱板相對(duì)于環(huán)境(T？Tamb)的溫升。同時(shí)還記錄了失水量。(d)類似于在晴天工作的光伏板。還研究了覆蓋聚四氟乙烯膜的影響。(e) PV背板和PAm/海藻酸鹽- cacl2水凝膠的硬鍵合化合物的拉曼光譜，顯示粘合劑在PV背板中的擴(kuò)散。光伏背板由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和氟化共聚物涂層(FC)組成。(f)照片顯示PAm/海藻酸鹽- cacl2水凝膠的高韌性，以及它與PV背板的結(jié)合。

被動(dòng)冷卻性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。(a)上海屋頂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置的照片。測(cè)試了三種不同的樣品，即無冷卻器的普通光伏電池板(w/o冷卻器)，背面有3mm厚泡沫隔熱的光伏電池板(w/隔熱)，以及帶有蒸發(fā)冷卻器的光伏電池板(w/冷卻器)。(b)帶冷卻器的實(shí)測(cè)光伏板示意圖。(c) 2022年7月13日測(cè)得的24小時(shí)溫度和降溫剖面圖(ΔT)，以及當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù)，包括太陽(yáng)輻照度(Isolar)、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度(RH)和風(fēng)速(wind)。所有數(shù)據(jù)以1分鐘的間隔記錄，并通過使用移動(dòng)的10分鐘窗口取平均值來平滑。(d)白天最高溫度下降/夜間最高溫度上升。(e)上午(6:00？12:00)、下午(12:00？18:00)和白天(6:00？18:00)的平均降溫量(ΔTag)。

多日連續(xù)測(cè)試。(a) 2022年8月2日至8月11日，(b) 2022年8月15日至8月24日，復(fù)合背板作為冷卻器的光伏面板與普通光伏面板相比連續(xù)10天的降溫情況(ΔT)。太陽(yáng)輻照度(Isolar)也被繪制出來。(c)每天6:00 - 18:00的平均降溫量(ΔTag)。(d)一次暴雨后當(dāng)天(2022年9月3日)24小時(shí)氣溫剖面圖。使用移動(dòng)的10分鐘窗口對(duì)所有1分鐘間隔數(shù)據(jù)取平均值。

復(fù)合背板的綜合評(píng)價(jià)。(a)評(píng)價(jià)光伏熱管理技術(shù)的“金三角”。額外的包括額外的能源消耗、重量和系統(tǒng)組件。對(duì)比(b)普通光伏板與復(fù)合背板光伏板的重量和成本。

【文章結(jié)論】

在本研究中，復(fù)合背板是由幾種高分子材料和CaCl2制成的，不含任何有毒和稀有元素。它們都是常見和廉價(jià)的材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)產(chǎn)品，如PAm(絮凝劑)，海藻酸鹽(增稠劑)，CaCl2(干燥劑)和氰基丙烯酸酯(粘合劑)。因此，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)當(dāng)使用復(fù)合背板時(shí)，光伏板的成本將增加不到10%。

此外，較便宜的PTFE膜替代品可以進(jìn)一步降低成本，它可以防止雨水和灰塵對(duì)吸濕性水凝膠的損害，保證了可持續(xù)的冷卻效果。

經(jīng)過測(cè)試，與沒有裝備這種背板的普通光伏板相比，在不同氣候條件下這種復(fù)合光伏板均可實(shí)現(xiàn)日降溫1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏組件在25℃條件下發(fā)電量增加0.57% ~ 2.43%。

【研究團(tuán)隊(duì)】

馬濤，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，主要從事新型光伏器件開發(fā)及微納輻射調(diào)控、光伏建筑一體化、風(fēng)光可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域研究。入選Elsevier中國(guó)高被引學(xué)者、全球前2%科學(xué)家、上海市浦江人才、EBE優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)等。在ACS Energy Letters、ACS Nano、Applied Energy、Solar RRL、Materials Today Energy等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，包括15篇ESI高被引論文和2篇ESI熱點(diǎn)論文，Google總引用超過7000次，h指數(shù)43?，F(xiàn)任Applied Energy、Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊編委。

王如竹，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所所長(zhǎng)，長(zhǎng)江、杰青，國(guó)家基金委創(chuàng)新群體負(fù)責(zé)人，萬人計(jì)劃科技領(lǐng)軍人才。長(zhǎng)期從事制冷與熱泵研究，在低品位熱能高效轉(zhuǎn)換與利用領(lǐng)域做出了系統(tǒng)的、創(chuàng)造性的成就：建立了完整的吸附制冷理論，構(gòu)建了太陽(yáng)能熱利用系列新方法，發(fā)展了低品位熱能高效利用技術(shù)體系。以第一完成人獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明 二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)；個(gè)人獲國(guó)際制冷 J&E Hall 金牌、國(guó)際熱科學(xué) Nukiyama 紀(jì)念獎(jiǎng)、亞洲制冷學(xué)術(shù)獎(jiǎng)、國(guó)際制冷最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)Gustav Lorentzen Medal、國(guó)際能源署IEA熱泵大獎(jiǎng)-Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award。出版著作 12 部；累計(jì)發(fā)表SCI 論文 500余篇，SCI 他引 21000余次，h 指數(shù) 74，包括Joule 4篇，EES 1篇，AM 1篇等頂刊論文近20篇 。入選 2017、2018全球高被引學(xué)者。在國(guó)際重要會(huì)議上做大會(huì)主旨報(bào)告 40余次。近30 項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利獲得轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。擔(dān) 任 Energy 副主編、國(guó)際制冷學(xué)報(bào)地區(qū)主編等。所指導(dǎo)的博士獲全國(guó)優(yōu)博 2 篇、全國(guó)優(yōu)博 提名 4 篇。曾獲國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)(2009，排 1)，國(guó)家級(jí)教學(xué)名師、全國(guó)模范教師、上海市首屆教書育人楷模、全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)潞腿珖?guó)先進(jìn)工作者等榮譽(yù)。

代彥軍，上海交通大學(xué)教授，動(dòng)力與能源工程系主任、教育部太陽(yáng)能發(fā)電與制冷工程研究中心副主任。新加坡國(guó)立大學(xué)兼職教授。主要從事太陽(yáng)能利用與建筑能源等方向的研究工作。近年來將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用與熱泵空調(diào)理論相結(jié)合，取得了系列原創(chuàng)性成果。成果曾獲2010年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、2014年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，2020年中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。主持完成12.5國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、新加坡E2S2計(jì)劃-城市廢棄物能量回收轉(zhuǎn)化項(xiàng)目等，目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)（中挪重大國(guó)際合作項(xiàng)目）。著有《太陽(yáng)能制冷》、《太陽(yáng)能空調(diào)工程與實(shí)踐》， 2014-2019連續(xù)六年入選Elsevier能源領(lǐng)域中國(guó)高被引學(xué)者。是中國(guó)可再生學(xué)會(huì)理事、上海市太陽(yáng)能學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，《Solar Energy》《太陽(yáng)能學(xué)報(bào)》等多份國(guó)內(nèi)外專業(yè)期刊領(lǐng)域編輯和編委等。