隨著全球光伏裝機量快速增長，提升光伏組件效率至關(guān)重要。降低電池溫度是提升光伏效率的有效方式，但現(xiàn)有冷卻技術(shù)很難做到，或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，或者冷卻能力有限，難以滿足光伏系統(tǒng)“低成本、高效率”的實際散熱需求。同時，光伏電站對周邊生態(tài)環(huán)境的影響也逐漸受到關(guān)注，光伏電站是否可以改善局部氣候、促進生態(tài)恢復(fù)，尚不清楚。
針對這一問題，武漢大學劉抗教授課題組提出了一種全聚合物的水凝膠翅片結(jié)構(gòu)，每根纖維由高度定向的超高分子量聚乙烯纖維（PE）和幾微米厚的丙烯酰胺（PAAM）水凝膠層構(gòu)成。翅片兼具超輕、耐腐蝕、高導(dǎo)熱和大比表面積等特點。該翅片最大被動換熱系數(shù)可高達1100 W/m2·K，在光伏組件上應(yīng)用該翅片，可使組件溫度最高降低28°C，發(fā)電功率提升20.4%。更值得關(guān)注的是，該材料還能提升周圍濕度24%、降低環(huán)境溫度2.6°C，顯著改善局部微氣候，為光伏電站帶來生態(tài)修復(fù)新可能。
圖1 全聚合物水凝膠翅片工作原理
翅片的核心結(jié)構(gòu)由聚乙烯（PE）基底和垂直排列的PE/水凝膠纖維組成(圖2)。PE/水凝膠纖維內(nèi)部為高度定向的PE纖維，外部包覆幾微米厚的水凝膠殼層。定向PE纖維賦予材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性，可高效傳導(dǎo)并散發(fā)熱量；豎直的纖維多孔結(jié)構(gòu)則提供了超大蒸發(fā)面積，有利于白天的水分蒸發(fā)與夜間吸濕。水凝膠內(nèi)部引入吸濕鹽，根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)控吸濕，實現(xiàn)動態(tài)適應(yīng)。
圖2 全聚合物水凝膠翅片的基礎(chǔ)性質(zhì)
制備的翅片重量十分輕，甚至可被一面懸空的樹葉托起，更在單位面積上提供遠超傳統(tǒng)金屬翅片的有效蒸發(fā)表面積。其成本低至每平方米3-4元，遠低于銅、鋁等常規(guī)材料。與此同時，純聚合物結(jié)構(gòu)賦予其出色的耐腐蝕能力，即使長期暴露于含鹽環(huán)境，依然穩(wěn)定如初。
圖3 全聚合物水凝膠翅片的氈散熱性能
相比傳統(tǒng)金屬翅片，PE/水凝膠吸濕氈具備微觀孔隙和水分蒸發(fā)兩大優(yōu)勢，可突破傳統(tǒng)翅片對流受限導(dǎo)致的散熱瓶頸，最高換熱系數(shù)可達1100 W/m2·K實現(xiàn)更高效冷卻（圖3）。散熱能力接近水強制水冷水平。
圖4 全聚合物水凝膠翅片的吸濕循環(huán)性能
與此同時，快速再生是吸濕性蒸發(fā)冷卻材料穩(wěn)定運行的瓶頸難題。傳統(tǒng)水凝膠或MOF材料在低濕環(huán)境下再生緩慢，全聚合物水凝膠翅片憑借超大蒸發(fā)表面積，可實現(xiàn)低溫高效蒸發(fā)與快速吸水的平衡，其再生時間僅為蒸發(fā)時間的1.3倍，而傳統(tǒng)水凝膠需4.7倍以上時間（圖4）。實驗顯示，器件在多次循環(huán)中依然保持穩(wěn)定的蒸發(fā)和吸濕性能。
為了全聚合物水凝膠翅片的實際工作效果，團隊將其應(yīng)用于多晶硅太陽能電池（圖5）。實驗表明，翅片在室內(nèi)條件下使電池溫度降低28°C，效率提升20%以上；戶外測試同樣顯示顯著的降溫和效率提升。更重要的是，蒸發(fā)水分提升周邊濕度24%，降低環(huán)境溫度2.6°C。這一顯著的濕度升高和溫度降低，有助于幫助沙漠植物生存率大幅提高，展現(xiàn)生態(tài)修復(fù)潛力。
圖5 全聚合物水凝膠翅片的降溫增效測試與生態(tài)修復(fù)能力
以上相關(guān)研究成果于Advanced Materials發(fā)表。論文題目：All-polymer Polyethylene-hydrogel Felt for Efficient Evaporative Cooling and Ecological Restoration in Photovoltaic Power Plants。武漢大學2023級碩士生鄭凱彬為論文第一作者，武漢大學動力與機械學院劉抗教授、資源與環(huán)境學院陳朝吉教授為通訊作者，武漢大學為論文唯一署名單位。
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202501698
