上海交大采用水凝胶材料实现光伏背板的吸湿降温功能

慧正资讯，近日，上海交通大学机械与动力工程学院的马涛副教授联合王如竹教授、代彦军教授提出了一种用于光伏板被动冷却的复合背板，该背板由具有吸附-蒸发冷却作用的吸湿性水凝胶和保护膜组成。这种背板与传统光伏板有很强的粘附性，使得安装这种背板非常容易。这种光伏板在多天的户外测试中能显示出良好的冷却性能，且不会降解。经过测试，与没有装备这种背板的普通光伏板相比，在不同气候条件下这种复合光伏板均可实现日降温1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏组件在25℃条件下发电量增加0.57% ~ 2.43%。这种背板不会降解、轻质、具有低原材料成本，未来可大规模应用于光伏冷却中。

【研究摘要】

光伏冷却技术十分重要，温度升高会降低效率和使用寿命。冷却装置同时满足良好的冷却性能、低成本、轻质额外组件十分困难。近日，上海交通大学机械与动力工程学院的马涛副教授联合王如竹教授、代彦军教授提出了一种用于光伏板被动冷却的复合背板，该背板由具有吸附-蒸发冷却作用的吸湿性水凝胶和保护膜组成。这种背板与传统光伏板有很强的粘附性，使得安装这种背板非常容易。这种光伏板在多天的户外测试中能显示出良好的冷却性能，且不会降解。经过测试，与没有装备这种背板的普通光伏板相比，在不同气候条件下这种复合光伏板均可实现日降温1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏组件在25℃条件下发电量增加0.57% ~ 2.43%。这种背板不会降解、轻质、具有低原材料成本，未来可大规模应用于光伏冷却中。

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

【研究背景】

太阳能光伏组件能够将20%左右的太阳辐射转换为电能输出，但同时约70%的太阳能则被转换为废热，导致组件温度升高。高温不仅使光伏组件的发电功率下降，也会加速组件老化从而影响其寿命，从而影响其全生命周期的发电量，因此控制光伏组件的运行温度显得尤为重要。学术界提出了多种主动式和被动式冷却方式，包括风冷、水冷、液冷、热电转换、相变降温等。为了使光伏组件在降温的同时具有经济效益和长期可靠性，必须综合考虑冷却效果、材料成本以及冷却器件的复杂度和重量，但目前的热管理技术难以同时满足这些要求。例如辐射制冷易于实施，但多数情况下降温极其有限，采用相变材料能够降温10℃以上，但组件重量与成本将大幅上升。

受哺乳动物和植物通过蒸发水分来冷却自身的启发，近年来基于大气水蒸气吸附材料的蒸发冷却技术越来越受到关注。由于蒸发焓大(>2000 J/g)，水汽可以有效地将热量带到周围环境。更重要的是，冷却能力可以通过从环境中捕获水分来再生。这使得蒸发冷却不需要水和能量的输入，从而变得轻便高效，这已经在电子设备、锂离子电池、建筑和光伏板的热管理中得到了证明。下一个任务是设计吸附-蒸发冷却技术，使其能够以低成本轻松应用于光伏板，并具有良好的耐候性和耐久性。这是具有挑战性的，因为大多数大气水蒸气吸附材料在室外环境中很容易不稳定。

【文章亮点】

为了确保户外应用的适用性，以及在施工过程中易于附着在光伏背板上，研究人员使用了一种聚丙烯酰胺(PAm)/海藻酸盐双网络水凝胶，这种水凝胶在之前的研究中已被证明具有可拉伸性和韧性。PAm/海藻酸盐双网络水凝胶通过两步合成，包括丙烯酰胺在50°C处理下的热交联和海藻酸盐在0.3 M Ca2+溶液中的离子交联。简单的制备过程使得它可以很容易地大规模生产。

当应用于光伏热管理时，吸湿性水凝胶将暴露在复杂的室外环境中。因此，必须使吸湿性水凝胶具有透气但防水的表面，这可以帮助避免因灰尘污染、雨水冲洗和盐泄漏而导致的故障，将平均孔径为3 μm的多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜附着在吸湿凝胶上以实现这一目标。

虽然有些水凝胶具有较高的粘附性能，但基于氢键等弱分子间力的粘附非常不稳定，特别是当界面处存在液态水时。因此，需要较强的界面韧性来抵抗风雨。为了解决这一问题，研究团队介绍了一种简单易用的方法——加入一种粘合剂。该粘合剂是将氰基丙烯酸乙酯粘合剂分散在非溶剂中制成的。将制备好的粘合剂涂在PV背板上，然后立即将PAm/海藻酸盐水凝胶轻轻压上，这会立即形成牢固的粘合。

【图文介绍】

用于光伏板被动冷却的吸湿复合背板的简要说明。(a)光伏板的能量平衡示意图，吸收入射太阳能(Psun)，输出电能(Pout)，并通过热辐射(Prad)和对流(Pcon)散热。(b)具有复合背板的光伏板示意图，该板通过蒸发冷却具有额外的冷却功率(Pcool)。(c)照片显示18 × 18 cm2的光伏板背面与复合背板，由吸湿水凝胶和保护膜组成。(d)本研究中使用的吸湿性水凝胶示意图，双网状PAm/海藻酸盐水凝胶为底物，CaCl2为吸附剂。

复合背板的制造与表征。(a)边长为20 cm的吸湿性水凝胶(PAm/海藻酸盐- cacl2)照片。(b) 100 × 100 × 4 mm3体积PAm/海藻酸盐- cacl2样品表面未/覆盖PTFE膜的动态吸附曲线。在恒定气候条件下(30°C, 75%RH)测量。插入图显示了没有/有PTFE膜时的水接触角。(c)在0.7 kW/m2下加热时，不含/含100 × 100 × 4 mm3 PAm/海藻酸盐- cacl2样品的加热板相对于环境(T？Tamb)的温升。同时还记录了失水量。(d)类似于在晴天工作的光伏板。还研究了覆盖聚四氟乙烯膜的影响。(e) PV背板和PAm/海藻酸盐- cacl2水凝胶的硬键合化合物的拉曼光谱，显示粘合剂在PV背板中的扩散。光伏背板由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和氟化共聚物涂层(FC)组成。(f)照片显示PAm/海藻酸盐- cacl2水凝胶的高韧性，以及它与PV背板的结合。

被动冷却性能现场试验。(a)上海屋顶现场测试装置的照片。测试了三种不同的样品，即无冷却器的普通光伏电池板(w/o冷却器)，背面有3mm厚泡沫隔热的光伏电池板(w/隔热)，以及带有蒸发冷却器的光伏电池板(w/冷却器)。(b)带冷却器的实测光伏板示意图。(c) 2022年7月13日测得的24小时温度和降温剖面图(ΔT)，以及当地气候数据，包括太阳辐照度(Isolar)、环境温度、相对湿度(RH)和风速(wind)。所有数据以1分钟的间隔记录，并通过使用移动的10分钟窗口取平均值来平滑。(d)白天最高温度下降/夜间最高温度上升。(e)上午(6:00？12:00)、下午(12:00？18:00)和白天(6:00？18:00)的平均降温量(ΔTag)。

多日连续测试。(a) 2022年8月2日至8月11日，(b) 2022年8月15日至8月24日，复合背板作为冷却器的光伏面板与普通光伏面板相比连续10天的降温情况(ΔT)。太阳辐照度(Isolar)也被绘制出来。(c)每天6:00 - 18:00的平均降温量(ΔTag)。(d)一次暴雨后当天(2022年9月3日)24小时气温剖面图。使用移动的10分钟窗口对所有1分钟间隔数据取平均值。

复合背板的综合评价。(a)评价光伏热管理技术的“金三角”。额外的包括额外的能源消耗、重量和系统组件。对比(b)普通光伏板与复合背板光伏板的重量和成本。

【文章结论】

在本研究中，复合背板是由几种高分子材料和CaCl2制成的，不含任何有毒和稀有元素。它们都是常见和廉价的材料，已经广泛应用于其他工业产品，如PAm(絮凝剂)，海藻酸盐(增稠剂)，CaCl2(干燥剂)和氰基丙烯酸酯(粘合剂)。因此，研究团队预计当使用复合背板时，光伏板的成本将增加不到10%。

此外，较便宜的PTFE膜替代品可以进一步降低成本，它可以防止雨水和灰尘对吸湿性水凝胶的损害，保证了可持续的冷却效果。

经过测试，与没有装备这种背板的普通光伏板相比，在不同气候条件下这种复合光伏板均可实现日降温1.5 ~ 6.4℃，使得在光伏组件在25℃条件下发电量增加0.57% ~ 2.43%。

【研究团队】

马涛，上海交通大学机械与动力工程学院副教授，主要从事新型光伏器件开发及微纳辐射调控、光伏建筑一体化、风光可再生能源系统等领域研究。入选Elsevier中国高被引学者、全球前2%科学家、上海市浦江人才、EBE优秀青年学者奖等。在ACS Energy Letters、ACS Nano、Applied Energy、Solar RRL、Materials Today Energy等期刊发表SCI论文100余篇，包括15篇ESI高被引论文和2篇ESI热点论文，Google总引用超过7000次，h指数43。现任Applied Energy、Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊编委。

王如竹，上海交通大学制冷与低温工程研究所所长，长江、杰青，国家基金委创新群体负责人，万人计划科技领军人才。长期从事制冷与热泵研究，在低品位热能高效转换与利用领域做出了系统的、创造性的成就：建立了完整的吸附制冷理论，构建了太阳能热利用系列新方法，发展了低品位热能高效利用技术体系。以第一完成人获国家自然科学二等奖 1 项、国家技术发明 二等奖 1 项；个人获国际制冷 J&E Hall 金牌、国际热科学 Nukiyama 纪念奖、亚洲制冷学术奖、国际制冷最高学术奖Gustav Lorentzen Medal、国际能源署IEA热泵大奖-Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award。出版著作 12 部；累计发表SCI 论文 500余篇，SCI 他引 21000余次，h 指数 74，包括Joule 4篇，EES 1篇，AM 1篇等顶刊论文近20篇 。入选 2017、2018全球高被引学者。在国际重要会议上做大会主旨报告 40余次。近30 项国家发明专利获得转化与应用，产生显著经济和社会效益。担 任 Energy 副主编、国际制冷学报地区主编等。所指导的博士获全国优博 2 篇、全国优博 提名 4 篇。曾获国家教学成果二等奖(2009，排 1)，国家级教学名师、全国模范教师、上海市首届教书育人楷模、全国五一劳动奖章和全国先进工作者等荣誉。

代彦军，上海交通大学教授，动力与能源工程系主任、教育部太阳能发电与制冷工程研究中心副主任。新加坡国立大学兼职教授。主要从事太阳能利用与建筑能源等方向的研究工作。近年来将太阳能转换利用与热泵空调理论相结合，取得了系列原创性成果。成果曾获2010年国家技术发明二等奖、2014年国家自然科学二等奖，2020年中国可再生能源学会技术发明二等奖。主持完成12.5国家科技支撑计划项目、新加坡E2S2计划-城市废弃物能量回收转化项目等，目前主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发专项（中挪重大国际合作项目）。著有《太阳能制冷》、《太阳能空调工程与实践》， 2014-2019连续六年入选Elsevier能源领域中国高被引学者。是中国可再生学会理事、上海市太阳能学会理事长，《Solar Energy》《太阳能学报》等多份国内外专业期刊领域编辑和编委等。