KAUST甘巧强团队Mater. Sci. Eng. R-Rep.：廉价、长效、低维护的水凝胶用于湿热地区太阳电池板冷却

随着化石燃料向可持续绿色清洁能源的过渡，光伏技术已成为利用清洁可再生能源的关键途径。由于具有效率高、运行成本低、寿命长等优势，光伏系统受到广泛关注。然而，在热带地区，因工作温度高和太阳辐射强，光伏系统的效率和耐久性常常受到影响，因此寻找便捷、高效的光伏电池降温技术显得尤为重要。本研究提出了一种聚丙烯酸钠-氯化锂（PAAS-LiCl）复合材料，并介绍了其流水线制造工艺。该材料作为一种廉价的蒸发冷却层附着在光伏板背面，利用干燥剂的吸湿特性，在夜间吸收水分，白天通过蒸发实现冷却。实验证明，在实验室条件下，厚度为10 mm的水凝胶层可实现373 W/m²的蒸发冷却功率。在38°C的环境温度下，该冷却层可将峰值温度降低 14.1°C，从而使光伏板的最大输出功率提升 12.9%。这种冷却策略有望将光伏电池板的使用寿命延长200%以上，并将电力成本降低18%。该被动冷却策略、耐用的水凝胶材料及其可扩展的制造工艺相结合，有望为太阳能发电场的大规模部署提供了一种可行的解决方案。相关工作以Streamlined fabrication of an inexpensive hygroscopic composite for low maintenance evaporative cooling of solar panels为题发表在Mater. Sci. Eng. R-Rep.期刊。

本研究提出一种基于吸附 - 蒸发机制的被动冷却策略，通过将 PAAS-LiCl 复合水凝胶贴附于太阳能电池背面，有效实现昼夜循环冷却功能（图 1 ）。构建了一种无交联剂、常温成型的简化制备工艺，所制复合材料在高湿条件下展现出优异的吸湿能力、结构稳定性与环境适应性（图 2 ）。室内模拟实验验证其蒸发冷却效能，在 1 kW/m² 太阳辐照下实现峰值 247 W/m² 冷却功率与 11.8°C 温降（图 3 ）。户外 21 天实证测试显示，该冷却层在 37°C 、 53% 相对湿度环境下实现 14.1°C 最大降温和 12.9% 光电转化效率提升，具备持续吸湿 - 蒸发循环能力（图 4 ）。经济与稳定性分析进一步表明，该水凝胶材料成本低廉、支持可回收再利用，在经历一年老化及暴雨冲刷后仍维持超过 90% 性能，满足户外长期部署需求（图 5 ）。

图1：用于光伏组件冷却的大气水吸附-蒸发冷却材料概述。(a)昼夜循环工作原理示意图；(b)所用复合材料结构图示：以氯化锂（LiCl）为吸湿剂，聚丙烯酸钠（PAAS）交联网络用于固定LiCl和水分；(c) PAAS-LiCl复合材料的简化制备流程图。

图2：PAAS-LiCl复合材料的性能表征。(a) PAAS-LiCl复合材料吸湿前后的状态对比；(b)复合材料所用组分的XRD分析；(c)材料的扫描电子显微镜（SEM）图像；(d) PAAS、PAAS-LiCl和LiCl颗粒的吸水量对比；(e)不同厚度PAAS-LiCl复合材料的吸水量及相应集水量（其中“w\.u.”表示吸水量，“w\.c.”表示质量变化）；(f)在25 °C下不同相对湿度条件下，PAAS-LiCl复合材料吸湿12小时的表现；(g)预干燥复合材料的72小时吸湿测试；(h)风速与相对湿度对PAAS-LiCl复合材料在30 °C下吸水性能的影响；(i)在不同相对湿度条件下处理12小时后复合材料的导热率。

图3：室内实验中PAAS-LiCl水凝胶的蒸发与降温性能表现。(a)实验装置实拍图，左图为未使用水凝胶（w/o hydrogel）的光伏组件，右图为加覆水凝胶（w/ hydrogel）的同款组件；(b)室内测试中实际太阳辐照强度（折线）与施加光强（阴影柱图）；(c)未覆盖（左）与覆盖PAAS-LiCl水凝胶（右）的光伏组件红外热像图；(d)覆盖水凝胶（蓝色）与未覆盖（橙色）的光伏组件在模拟光照下的温度变化曲线；(e)降温层在测试过程中的质量损失速率与质量变化（按小时记录）；(f)太阳照射下带水凝胶层的太阳能电池热分析示意图；(g)模拟得到的太阳能电池表面温度分布图：左为未覆盖水凝胶，右为覆盖水凝胶；(h)覆盖水凝胶（蓝色）与未覆盖（橙色）光伏组件的最大功率输出点对比。

图4：2025年7月12日至7月19日间PAAS-LiCl水凝胶在户外连续降温循环实验结果。(a)户外实验装置实拍图，左侧为未覆盖水凝胶的光伏组件（w/o hydrogel），右侧为覆盖水凝胶的光伏组件（w/ hydrogel）；(b)一周内光伏组件温度变化曲线；(c)一周内水凝胶质量变化情况；(d)实验期间的环境相对湿度（RH）与风速变化；(e) 7月16日全天三组温度对比：未覆盖组件（红色）、覆盖水凝胶组件（蓝色）与环境温度（绿色）；(f) 7月16日PV分析仪测得的最大功率输出（Pmax），蓝色为覆盖水凝胶组件，红色为对照组；(g)覆盖（蓝色）与未覆盖（红色）水凝胶组件的功率转换效率（阴影区域）与填充因子Fill Factor（折线）对比。

图5：经济可行性与性能分析。(a)覆盖/未覆盖冷却层的光伏组件质量与成本对比（左：未覆盖，右：覆盖）；(b)覆盖/未覆盖冷却层的使用寿命（TTF）与单位电能成本（LOCE）对比；(c)本研究与其他文献中不同冷却技术的降温效果与最大输出功率提升对比总结；(d)蒸发速率测量实验示意图；(e)本研究与文献的蒸发速率对比；(f)不同质量浓度下氯化锂（LiCl）的蒸汽压变化；(g)美国纽约州布法罗市户外降雨测试中覆盖冷却层的光伏组件实拍图；(h)覆盖冷却层的光伏组件外观变化图（自上而下）：测试前（第0天）、两周雨淋测试后、以及一年后（1个月户外暴露+11个月室内存放）；(i)上图：室温（25°C）水浸稳定性测试，展示PAAS-LiCl复合材料浸入水中即刻与72小时后外观；下图：PAAS-LiCl复合材料的可回收与重塑过程：(I)材料放入水中；(II)放入烘箱加热80°C，持续12小时；(III)熔化物倒入模具中；(IV)模具再次80°C烘烤12小时；(V)成型为新结构样品。

小结：这项研究介绍了一种高效的方法来制造PAAS-LiCl复合材料，该材料在夜间吸附大气中的水分，在白天通过蒸发实现对光伏电池的被动冷却，同时具有较低的维护成本。这种水凝胶复合材料采用更为经济的合成方法，增强了其广泛应用的可行性。其固态结构可直接黏附在光伏板背面，无需额外使用胶水粘接，并能可靠承受因夜间吸水和雨淋所导致的重量变化，具备良好的耐用性，从而大大减少维护需求。特别地，由于LiCl的平衡作用，储存在水凝胶中的水分在白天逐渐释放，避免了为获得更好冷却效果而频繁更换水凝胶膜的复杂操作。该水凝胶集成于光伏电池板中，通过蒸发冷却过程在白天可显著降低温度，最高降幅达 14.1°C，同时将功率转换效率从13.1%提高至14.7%。它还能在一夜之间有效重新吸收水分，表现出适应各种气候条件的弹性再生循环能力。这种冷却策略有望将光伏电池板的使用寿命延长200%以上，并将电力平准化成本降低18%。其灵活性使其可集成于多种设计中，适用于太阳能发电场及易发热的应用场景，最终提高发电量并延长光伏板的使用寿命。

论文信息：Fang H., Dang S., Kumar P., et al. Streamlined fabrication of an inexpensive hygroscopic composite for low maintenance evaporative cooling of solar panels. Mater. Sci. Eng. R-Rep. 2025, 165: 101016. https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101016.

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