太陽能光伏組件能夠?qū)?0%左右的太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能輸出，但同時(shí)約70%的太陽能則被轉(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。
針對(duì)這一問題，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，在國際知名期刊ACS Energy Letters上發(fā)表了題目為?“A Hygroscopic Composite Backplate Enabling Passive Cooling of Photovoltaic Panels”的研究論文。
該研究針對(duì)工程應(yīng)用場(chǎng)景，研發(fā)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)光伏被動(dòng)式冷卻的輕量化復(fù)合背板（如圖1所示），該背板基于吸濕性水凝膠，可以實(shí)現(xiàn)光伏組件的水蒸氣吸附-蒸發(fā)式冷卻。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種底層防水透氣膜，其能夠避免戶外條件下水凝膠吸濕功能的失效，并提出了水凝膠與光伏背板高強(qiáng)度粘接方法，進(jìn)一步提高了實(shí)用性與可靠性。
圖1.?概念示意圖與實(shí)物圖。(a) 戶外光伏組件的能量平衡；(b) 具有復(fù)合背板的光伏組件結(jié)構(gòu)示意圖及其 (c)背面照片；(d) 所采用的吸濕性水凝膠示意圖。
基于本研究研發(fā)的吸濕性水凝膠，該復(fù)合背板可以在夜間吸附環(huán)境空氣中的水蒸氣，儲(chǔ)存的水則在白天成為冷卻介質(zhì)，通過水分蒸發(fā)過程帶走光伏組件工作過程中產(chǎn)生的熱量，這一特點(diǎn)使得該復(fù)合背板在不需要任何金屬部件或大量冷卻介質(zhì)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的持續(xù)性被動(dòng)式降溫效果。
在針對(duì)小組件樣品的戶外實(shí)驗(yàn)中，所開發(fā)的復(fù)合背板在連續(xù)觀測(cè)中展現(xiàn)了穩(wěn)定的冷卻性能，相比于傳統(tǒng)組件降溫7-15°C。
此外，該復(fù)合背板相對(duì)于普通光伏組件成本增加在10%以內(nèi)，組件重量增加為2.6 kg/m2左右。
因此，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光伏組件的低成本、輕量化和被動(dòng)式降溫，并在實(shí)際工程應(yīng)用中具有發(fā)展?jié)摿?。?strong style="outline: 0px;">研究得到了十四五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委國際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
圖2.?材料性能表征。(a)吸濕性水凝膠樣品圖；(b) 有/無防水透氣膜時(shí)的動(dòng)態(tài)吸附性能；(c-d) 動(dòng)態(tài)解吸過程與冷卻性能；(e-f) 水凝膠與光伏背板形成高強(qiáng)度粘接的拉曼光譜表征與照片。
考慮低成本、大面積制造以及吸濕性能等因素，本研究采用了含有吸濕鹽的水凝膠作為復(fù)合背板的核心材料。
其中采用雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠作為吸濕鹽的載體，確保了良好的材料強(qiáng)度與韌性，吸濕鹽則選用低成本的氯化鈣 (圖2a)。
此外為了使吸濕材料具備防水透氣性從而避免因雨水、灰塵以及鹽分泄漏導(dǎo)致的失效，研究團(tuán)隊(duì)采用了多孔聚四氟乙烯膜封裝水凝膠，使其表面從超親水轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?/span>
圖2b展示了在有無膜封裝下100×100×4 mm3?樣品的單表面水蒸氣吸附性能。圖2c-d進(jìn)一步驗(yàn)證了在解吸過程中水凝膠所具備的冷卻能力，在700W/m2?的加熱功率下，水凝膠可以使基底降溫10°C以上。
冷卻效果與水蒸發(fā)速率呈正相關(guān)，隨著儲(chǔ)存水分的減少和鹽濃度的上升，冷卻能力也會(huì)隨時(shí)間逐步減弱。
本研究還進(jìn)一步研究了一種水凝膠與光伏背板之間的粘接方式，通過交聯(lián)后的聚合物網(wǎng)絡(luò)將兩者牢固結(jié)合 (圖2e-f)。
圖3.?戶外測(cè)試。(a-b) 戶外實(shí)驗(yàn)照片以及測(cè)量參數(shù)示意圖；(c) 典型日全天24小時(shí)測(cè)試結(jié)果；(d) 白天最大溫降/夜間最大溫升；(e) 不同時(shí)段的平均溫降?Tavg。
為了研究實(shí)際場(chǎng)景下冷卻效果，研究人員開展了長時(shí)間戶外實(shí)證測(cè)試。
測(cè)試裝置如圖3a-b所示，研究中采用了含有單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶硅電池的小組件，包括常規(guī)組件 (w/o cooler)、背面有3mm厚泡沫的組件 (w/ insulation)、以及背面具有3 mm厚水凝膠復(fù)合背板的組件 (w/ cooler)。
圖3c-e展示了某典型日中的測(cè)試結(jié)果。
作為蒸發(fā)冷卻的復(fù)合背板在白天表現(xiàn)出了持續(xù)的冷卻效果，與普通光伏組件相比，最大降溫7.5℃，與有隔熱層的光伏組件相比，最大降溫則達(dá)到14.7℃。
在上午，ΔT隨著太陽輻照的上升而增加，在9:00和10:00之間達(dá)到峰值。
隨后，ΔT緩慢下降，即下午的冷卻性能低于上午，這是由于儲(chǔ)水量減少和輻照減小的綜合效應(yīng)。
但全天的平均降溫值仍達(dá)到了3.5℃（相比w/o cooler）以及8.7℃（相比w/ insulation）。
此外，在夜間復(fù)合背板組件具有相比常規(guī)組件更高的溫度，也證實(shí)了其夜間對(duì)環(huán)境水蒸氣的吸附作用。
為了評(píng)估復(fù)合背板的耐候性和研究其在不同天氣條件下的被動(dòng)式降溫特性，研究人員在7-9月之間進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)。
圖4a-b展示了其中連續(xù)10天里測(cè)試組件相比常規(guī)組件的降溫值ΔT，圖4c則進(jìn)一步計(jì)算了每天中的平均降溫值。
所統(tǒng)計(jì)的20天中包括了晴天、陰天、下雨等各類天氣，其中絕大多數(shù)平均降溫超過了2.0 °C，1/3的天數(shù)中平均降溫超過3.0 °C，且并未觀察到冷卻性能隨時(shí)間而下降。
通過比較不同日期中的降溫效果，研究人員發(fā)現(xiàn)冷卻性能主要取決于氣候條件。
在輻照相當(dāng)高（如第3天和第7天）或相當(dāng)?shù)停ǖ?0天）的日子里，平均降溫值都會(huì)比較低。
復(fù)合背板的降溫效果在陰雨天氣后可以得到明顯改善，因?yàn)殛幱晏鞖饽軌蚴顾z吸附足夠的水，比如在第18天，最大溫降超過了10℃。
圖4.?多天連續(xù)觀測(cè)結(jié)果。相較于通風(fēng)良好的光伏組件，復(fù)合背板光伏組件溫度變化曲線：(a) 8月2日-11日；(b) 8月15日-24日；(c) 上述20天每天的平均降溫?Tavg；(d) 9月3日的測(cè)試結(jié)果。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦光伏網(wǎng)）：光伏組件被動(dòng)式降溫新方法：吸濕性復(fù)合背板技術(shù)
