香港城市大学吕坚院士AM：高效冷却贴片

随着全球人口增长、气候变迁与污染问题加剧，淡水与电力短缺已成为现代社会发展的重大挑战。太阳能光伏（PV）技术作为最具前景的可再生能源之一，在2023年全球累计装机容量已达1500 GW，贡献了约22.2%的电力供应。然而，光伏电池仅能利用太阳光谱中的一小部分进行发电，超过70%的入射能量转化为废热，导致光伏板温度升高，不仅降低发电效率，还加速材料老化，缩短其使用寿命。近年来，尽管被动热管理技术因其零温室气体排放、结构简单和低维护成本而受到关注，但其冷却功率仍远低于主动系统，且安装复杂、难以大规模应用，因此开发高效、易部署的被动冷却技术迫在眉睫。

香港城市大学吕坚院士、香港理工大学杨洪兴教授和英国诺丁汉大学王其梁研究员等联合开发出一款具有超强被动冷却性能的柔性粘贴式超冷贴片（Ultra-Cooling Patch, UCP），可显著降低光伏板温度并同步实现淡水生产。该贴片通过三层结构设计——大气水收集层、热调控层和粘附层，实现了近700 W/m²的极高冷却功率，并能回收70%以上的废热用于蒸发制水。UCP具备优异的柔性与粘附性，可轻松贴附于各类光伏板包括柔性光伏材料上，甚至可通过折叠结构进一步扩大散热界面，增强冷却效果。实验表明，UCP能使光伏板温度降低29°C，最大功率密度提升超过28%，并在户外大规模应用中展现出良好的稳定性与实用性。相关论文以“ Passively Ultra Cooling Patch Enabling High-Efficiency Power-Water Cogeneration”为题，发表在

Advanced Materials

UCP的设计与工作机制融合了夜间吸湿与白天蒸发冷却的循环过程。在夜间，UCP通过其定向孔道高效捕获空气中的水分，并与光伏板的辐射冷却效应协同增强吸湿效率；白天则在太阳辐射下利用光伏废热蒸发水分，通过水蒸发潜热冷却光伏板，同时提升发电量与淡水产量。该系统还具备为手机、电风扇等商用设备供电的能力，并可通过加装集水罩实现日均超过2.2升的淡水收集，既满足生活用水需求，也有助于光伏板自清洁。

图1. UCP与光伏水电联产系统示意图 a) UCP结构：大气水收集器用于快速捕获水分，热调控层用于增强热传导，粘附层便于安装与重塑。 b) UCP用于冷却柔性光伏的示意图。 c) 重塑后的UCP用于增强光伏板的被动散热。 d) 夜间从空气中捕获水分、白天通过太阳辐射实现水电联产的示意图。 e) 提升的发电与集水性能及其潜在应用。

UCP的关键部件大气水收集器（AWH）以海藻酸钠（SA）水凝胶为基质，通过定向冷冻铸造技术形成具有垂直排列孔道和多级孔隙的结构，其平均孔径约为89 μm，孔隙率高达96.3%。该结构负载吸湿性强的氯化钙盐，能够在不同湿度条件下快速吸附水分，并在多次吸脱附循环中保持稳定的性能。粘附层采用硅胶混合材料，可实现与PET等光伏背板材料的牢固且可逆粘贴，经50次重复粘贴后仍保持20 kPa以上的粘附强度，其物理交联与范德华力作用机制保证了UCP的耐用与易部署特性。

图2. UCP的制备与表征 a) 多孔水凝胶海绵的光学图像（330×150 mm）。 b,c) 水凝胶海绵定向孔道的SEM图像。 d) 定向孔道上的微孔结构。 e) 吸湿盐在25°C、60%相对湿度下的吸脱附等温线。 f) 具有定向孔道与随机孔道结构的AWH吸水性能对比，插图为定向孔道快速吸湿机制。 g) AWH在25°C、70%RH下吸附与60°C、10%RH下脱附的循环稳定性。 h) 粘附层在不同基底上的拉剪粘附强度。 i) 贴片在不同材料上的粘贴光学图像。 j) 聚合物粘附机制示意图。

在冷却性能测试中，UCP能使100×100 mm标准光伏板在模拟太阳光下温度降低21.7°C，输出功率从0.77 W提升至0.92 W。 thicker UCP（5 mm和10 mm）因具备更充足的水分储备，在连续5小时运行中仍保持稳定的冷却效果，温度较原始光伏板低20°C。UCP还展现出优异的适应性，在不同环境温度与湿度条件下均能有效提升发电性能，尤其在高温环境下性能提升更为显著。其柔性设计更使其可应用于弯曲、扭转超过360°的柔性光伏板，实现降温约28°C，功率密度提升72%以上。

图3. UCP的被动冷却性能与光伏发电性能 a) 测试平台示意图。 b) 原始光伏与PV-UCP的温度曲线，显示降温21.7°C。 c) 原始光伏与PV-UCP的发电性能。 d) 10 mm厚UCP的长期稳定性评估。 e) PV-UCP的弯曲与扭曲展示其柔性。 f) UCP对柔性光伏的冷却效果。

通过将UCP折叠成翅片状结构（FUCP），可进一步增大散热界面，强化热传导与蒸发冷却效果。FUCP使光伏板额外降温近5°C，总降温达29.5°C，同时蒸发水量增加1.4克，发电性能进一步提升，开路电压增长7.14%，最大功率密度较原始光伏提高28.69%。在实际充电测试中，搭载FUCP的光伏系统为智能手表充电10分钟后电量增加19%，表现优于未折叠版本。其超高冷却功率在同类研究中处于领先水平，主要归因于三大因素：定向孔道带来的高效传质、高导热材料与大面积界面的热管理、以及增强的水汽逸出与潜热释放能力。

图4. 通过重塑UCP实现被动增强冷却 a) 折叠UCP（FUCP）增强冷却效率的示意图。 b) 原始光伏、PV-UCP与PV-FUCP的温度对比。 c) FUCP在光伏板下方的温度分布，显示折叠结构进一步降低温度。 d) 原始光伏、PV-UCP与PV-FUCP的功率-电压曲线，插图为由PV-FU供电的风扇。 e) 三者在开路电压与功率密度方面的对比。 f) UCP、FUCP与以往工作的冷却功率对比，红星表示基于光伏投影面积计算，蓝星基于冷却部件表面积计算，插图为测试条件。

研究团队还开展了户外大规模实验，在1平方米商用光伏板上贴附UCP，连续5天测试显示，FUCP可使光伏板温度降低21.2–24.7°C，发电功率从102.9 W提升至115.1 W。该系统展现出良好的实际应用潜力，尤其是在分布式光伏领域。通过加装冷凝装置，日均收集淡水超过2.2公斤，可用于日常使用与光伏板自清洁，但也需注意冷凝结构可能一定程度上抑制蒸发、影响冷却效率，在实际应用中需根据水电需求进行权衡。

图5. 户外与大规模部署 a) 卷起状态的大尺寸UCP（2000×1000 mm）。 b) 制备的PV-FUCP单元（1270×760 mm）。 c) PV-FUCP与参考原始光伏的户外测试布置。 d) 五天测试期间的光照强度。 e) 户外条件下光伏与PV-FUCP的温度。 f) 两者的最大功率密度。 g) PV-FUCP的集水装置。

总结而言，该研究开发出一款具有超高冷却效能、柔性可粘贴的多功能贴片，不仅显著提升光伏发电效率，还可实现淡水联产，具备良好的可扩展性与实际应用前景。尽管在极端低湿环境下的性能、系统成本与大规模安装维护等方面仍存在挑战，但UCP技术为应对能源-水危机提供了具有商业化潜力的创新解决方案。

来源：高分子科学前沿

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