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慧正資訊，近日，上海交通大學機械與動力工程學院的馬濤副教授聯合王如竹教授、代彥軍教授提出了一種用于光伏板被動冷卻的復合背板，該背板由具有吸附-蒸發冷卻作用的吸濕性水凝膠和保護膜組成。這種背板與傳統光伏板有很強的粘附性，使得安裝這種背板非常容易。這種光伏板在多天的戶外測試中能顯示出良好的冷卻性能，且不會降解。經過測試，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合光伏板均可實現日降溫1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏組件在25℃條件下發電量增加0.57% ~ 2.43%。這種背板不會降解、輕質、具有低原材料成本，未來可大規模應用于光伏冷卻中。
【研究摘要】
光伏冷卻技術十分重要，溫度升高會降低效率和使用壽命。冷卻裝置同時滿足良好的冷卻性能、低成本、輕質額外組件十分困難。近日，上海交通大學機械與動力工程學院的馬濤副教授聯合王如竹教授、代彥軍教授提出了一種用于光伏板被動冷卻的復合背板，該背板由具有吸附-蒸發冷卻作用的吸濕性水凝膠和保護膜組成。這種背板與傳統光伏板有很強的粘附性，使得安裝這種背板非常容易。這種光伏板在多天的戶外測試中能顯示出良好的冷卻性能，且不會降解。經過測試，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合光伏板均可實現日降溫1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏組件在25℃條件下發電量增加0.57% ~ 2.43%。這種背板不會降解、輕質、具有低原材料成本，未來可大規模應用于光伏冷卻中。
文章以《A Hygroscopic Composite Backplate EnablingPassive Cooling of Photovoltaic Panels》為題發表在世界高水平期刊ACS Energy Letters（IF=23.101）上。
【研究背景】
太陽能光伏組件能夠將20%左右的太陽輻射轉換為電能輸出，但同時約70%的太陽能則被轉換為廢熱，導致組件溫度升高。高溫不僅使光伏組件的發電功率下降，也會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電量，因此控制光伏組件的運行溫度顯得尤為重要。學術界提出了多種主動式和被動式冷卻方式，包括風冷、水冷、液冷、熱電轉換、相變降溫等。為了使光伏組件在降溫的同時具有經濟效益和長期可靠性，必須綜合考慮冷卻效果、材料成本以及冷卻器件的復雜度和重量，但目前的熱管理技術難以同時滿足這些要求。例如輻射制冷易于實施，但多數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。
受哺乳動物和植物通過蒸發水分來冷卻自身的啟發，近年來基于大氣水蒸氣吸附材料的蒸發冷卻技術越來越受到關注。由于蒸發焓大(>2000 J/g)，水汽可以有效地將熱量帶到周圍環境。更重要的是，冷卻能力可以通過從環境中捕獲水分來再生。這使得蒸發冷卻不需要水和能量的輸入，從而變得輕便高效，這已經在電子設備、鋰離子電池、建筑和光伏板的熱管理中得到了證明。下一個任務是設計吸附-蒸發冷卻技術，使其能夠以低成本輕松應用于光伏板，并具有良好的耐候性和耐久性。這是具有挑戰性的，因為大多數大氣水蒸氣吸附材料在室外環境中很容易不穩定。
【文章亮點】
為了確保戶外應用的適用性，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)/海藻酸鹽雙網絡水凝膠，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/海藻酸鹽雙網絡水凝膠通過兩步合成，包括丙烯酰胺在50°C處理下的熱交聯和海藻酸鹽在0.3 M Ca2+溶液中的離子交聯。簡單的制備過程使得它可以很容易地大規模生產。
當應用于光伏熱管理時，吸濕性水凝膠將暴露在復雜的室外環境中。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現這一目標。
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定，特別是當界面處存在液態水時。因此，需要較強的界面韌性來抵抗風雨。為了解決這一問題，研究團隊介紹了一種簡單易用的方法——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，這會立即形成牢固的粘合。
【圖文介紹】
用于光伏板被動冷卻的吸濕復合背板的簡要說明。(a)光伏板的能量平衡示意圖，吸收入射太陽能(Psun)，輸出電能(Pout)，并通過熱輻射(Prad)和對流(Pcon)散熱。(b)具有復合背板的光伏板示意圖，該板通過蒸發冷卻具有額外的冷卻功率(Pcool)。(c)照片顯示18 × 18 cm2的光伏板背面與復合背板，由吸濕水凝膠和保護膜組成。(d)本研究中使用的吸濕性水凝膠示意圖，雙網狀PAm/海藻酸鹽水凝膠為底物，CaCl2為吸附劑。
復合背板的制造與表征。(a)邊長為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膜的動態吸附曲線。在恒定氣候條件下(30°C, 75%RH)測量。插入圖顯示了沒有/有PTFE膜時的水接觸角。(c)在0.7 kW/m2下加熱時，不含/含100 × 100 × 4 mm3 PAm/海藻酸鹽- cacl2樣品的加熱板相對于環境(T？Tamb)的溫升。同時還記錄了失水量。(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背板中的擴散。光伏背板由聚對苯二甲酸乙二醇酯(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背板的結合。
被動冷卻性能現場試驗。(a)上海屋頂現場測試裝置的照片。測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)，以及帶有蒸發冷卻器的光伏電池板(w/冷卻器)。(b)帶冷卻器的實測光伏板示意圖。(c) 2022年7月13日測得的24小時溫度和降溫剖面圖(ΔT)，以及當地氣候數據，包括太陽輻照度(Isolar)、環境溫度、相對濕度(RH)和風速(wind)。所有數據以1分鐘的間隔記錄，并通過使用移動的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)。
多日連續測試。(a) 2022年8月2日至8月11日，(b) 2022年8月15日至8月24日，復合背板作為冷卻器的光伏面板與普通光伏面板相比連續10天的降溫情況(ΔT)。太陽輻照度(Isolar)也被繪制出來。(c)每天6:00 - 18:00的平均降溫量(ΔTag)。(d)一次暴雨后當天(2022年9月3日)24小時氣溫剖面圖。使用移動的10分鐘窗口對所有1分鐘間隔數據取平均值。
復合背板的綜合評價。(a)評價光伏熱管理技術的“金三角”。額外的包括額外的能源消耗、重量和系統組件。對比(b)普通光伏板與復合背板光伏板的重量和成本。
【文章結論】
在本研究中，復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的材料，已經廣泛應用于其他工業產品，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，研究團隊預計當使用復合背板時，光伏板的成本將增加不到10%。
此外，較便宜的PTFE膜替代品可以進一步降低成本，它可以防止雨水和灰塵對吸濕性水凝膠的損害，保證了可持續的冷卻效果。
經過測試，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合光伏板均可實現日降溫1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏組件在25℃條件下發電量增加0.57% ~ 2.43%。
【研究團隊】
馬濤，上海交通大學機械與動力工程學院副教授，主要從事新型光伏器件開發及微納輻射調控、光伏建筑一體化、風光可再生能源系統等領域研究。入選Elsevier中國高被引學者、全球前2%科學家、上海市浦江人才、EBE優秀青年學者獎等。在ACS Energy Letters、ACS Nano、Applied Energy、Solar RRL、Materials Today Energy等期刊發表SCI論文100余篇，包括15篇ESI高被引論文和2篇ESI熱點論文，Google總引用超過7000次，h指數43。現任Applied Energy、Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊編委。
王如竹，上海交通大學制冷與低溫工程研究所所長，長江、杰青，國家基金委創新群體負責人，萬人計劃科技領軍人才。長期從事制冷與熱泵研究，在低品位熱能高效轉換與利用領域做出了系統的、創造性的成就：建立了完整的吸附制冷理論，構建了太陽能熱利用系列新方法，發展了低品位熱能高效利用技術體系。以第一完成人獲國家自然科學二等獎 1 項、國家技術發明 二等獎 1 項；個人獲國際制冷 J&E Hall 金牌、國際熱科學 Nukiyama 紀念獎、亞洲制冷學術獎、國際制冷最高學術獎Gustav Lorentzen Medal、國際能源署IEA熱泵大獎-Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award。出版著作 12 部；累計發表SCI 論文 500余篇，SCI 他引 21000余次，h 指數 74，包括Joule 4篇，EES 1篇，AM 1篇等頂刊論文近20篇 。入選 2017、2018全球高被引學者。在國際重要會議上做大會主旨報告 40余次。近30 項國家發明專利獲得轉化與應用，產生顯著經濟和社會效益。擔 任 Energy 副主編、國際制冷學報地區主編等。所指導的博士獲全國優博 2 篇、全國優博 提名 4 篇。曾獲國家教學成果二等獎(2009，排 1)，國家級教學名師、全國模范教師、上海市首屆教書育人楷模、全國五一勞動獎章和全國先進工作者等榮譽。
代彥軍，上海交通大學教授，動力與能源工程系主任、教育部太陽能發電與制冷工程研究中心副主任。新加坡國立大學兼職教授。主要從事太陽能利用與建筑能源等方向的研究工作。近年來將太陽能轉換利用與熱泵空調理論相結合，取得了系列原創性成果。成果曾獲2010年國家技術發明二等獎、2014年國家自然科學二等獎，2020年中國可再生能源學會技術發明二等獎。主持完成12.5國家科技支撐計劃項目、新加坡E2S2計劃-城市廢棄物能量回收轉化項目等，目前主持國家自然科學基金重點項目、國家重點研發專項（中挪重大國際合作項目）。著有《太陽能制冷》、《太陽能空調工程與實踐》， 2014-2019連續六年入選Elsevier能源領域中國高被引學者。是中國可再生學會理事、上海市太陽能學會理事長，《Solar Energy》《太陽能學報》等多份國內外專業期刊領域編輯和編委等。
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