仿生雾收集-温敏水凝胶协同光伏自主蒸发冷却

论文信息：Liu Y, Qin G, Zheng X. Autonomous Evaporative Cooling of Solar Photovoltaics Panels Achieved by a Bio-Inspired Fog-Harvesting Composite for Arid Regions. Small. 2026 Jun 26:e74349.

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.74349

研究背景

在全球能源转型背景下，太阳能光伏已成为可持续发电的支柱技术，干旱半干旱地区因日照充沛、土地广阔被视为大型光伏电站的理想部署地。然而这类区域同时面临极端高温挑战——强太阳辐照与光伏本征光热转换可使组件温度较气温抬升 20–40°C，而晶硅电池在 STC（25°C）之上每升高 1°C 功率转化率下跌约 0.4%–0.5%。长期过热还会加速封装黄变、脱层与焊带疲劳，抬高平准化度电成本。

现有 PV 冷却策略在干旱区各有掣肘：主动式风冷/液冷虽降温强（液冷可达 ~29°C、效率增益 >10%），但寄生能耗高、需泵阀管路，且液冷耗水在沙漠属稀缺资源；被动式辐射冷却、相变材料（PCM）、导热翅片等虽免运维能耗，但峰值冷却功率有限，且多数难以将组件温度压至环境温度以下——而这正是效率大幅跃升的关键。蒸发冷却借助水的高汽化潜热效能突出，但传统方案依赖外供水，干旱区先天不成立。

研究内容

仿甲虫亲疏水图案化集雾网（CuO@PTFE）：集雾单元以铜网为基底，经 420°C 煅烧 6 h 原位生长 CuO 纳米颗粒与 ~5 μm Cu₂O 纳米线（SEM 可见），表面能从 Cu 的金属态抬升至 CuO/Cu₂O 的极性态，水接触角由原始 Cu 网的 111.6° 降至近 0°（超亲水）。随后在背面浸涂 PTFE 分散液，160°C 固化后 PTFE 侧 WCA 达 134.0°，形成"CuO 亲水捕获区 + PTFE 疏水输运区"的图案化对比润湿表面。PTFE 层由 ~200 nm 直径、~400 nm 长的纤维棒状网络构成，利于困气减粘，使捕捉的雾滴在重力下快速合并、滑移、脱落。

定制雾发生系统（300 mL/h）测试 5 min 冷凝形貌：纯 Cu 网（疏水）仅挂零星小滴；纯 CuO 网（超亲水）虽捕得多但强黏附难脱落；CuO@PTFE 网兼顾捕获与脱附，集雾速率达 83.06 mg·cm⁻²·h⁻¹，较纯 CuO 网（40.31）提升逾一倍，且 10 次循环、力学承重测试后性能无明显衰减。制备仅需"煅烧+浸涂"两步，较梯度润湿仙人掌刺、周期性凸起的蜘蛛丝等仿生策略更易放大
图1示意图说明了自持FC-HECPV冷却系统的工作原理，该系统结合了仿生雾收集和temperature-triggered蒸发冷却。该系统通过图案化的hydrophilic-hydrophobic网捕获大气水分，并通过集成在PV背面的热响应水凝胶层调节水释放，从而实现连续冷却，无需外部水或能量输入。

图2（a）Cu、CuO和CuO@PTFE网格的宏观表面照片和相应的WCA测量值。（b）揭示每种网格类型的表面微观结构的SEM图像。（c）识别Cu和CuO网格结晶相的XRD图谱。（d）以300毫升/小时的速度喷雾后5分钟在三个网格表面捕获的水滴聚集的形态。（e）在300毫升/小时的雾喷雾下，每个网格收集的累积水团。（f）网格的水收集率作为雾喷雾强度的函数。

温敏吸湿水凝胶（HPC-PVA-CNT-LiCl）：水凝胶层贴附 PV 背板，承担"储水-按需放水-蒸发冷却"三重功能。配方设计：羟丙基纤维素（HPC）为温敏基体（LCST 型，低温亲水、高温疏水），聚乙烯醇（PVA）为亲水改性剂兼交联增强，碳纳米管（CNT）提导热，LiCl 晶体为强吸湿盐。HPC 在 25°C 的 WCA 仅 51.8°，50°C 升至 130.5°（跨越低临界溶解温度 LCST）；掺 50 wt% PVA 后 25°C WCA 压至近 0°，50°C 回落至 82.2°——即室温超亲水利于吸湿、高温仍保有明显亲-疏转变，实现温度自适应水管理。FTIR 中 -OH 伸缩峰由 HPC 的 3452 cm⁻¹ 移至复合物的 3303 cm⁻¹，证实 HPC-PVA 间氢键交联。

SEM 显示 HPC-PVA 呈 ~100 μm 孔径的多孔架构，LiCl 晶体弥散分布于孔内（孔内晶体因潮解呈圆润状，孔外保留棱角）。Raman 探针 -OH 伸缩区分三类水：结合水（BW）、中间水（IW）、自由水（FW）。25°C（低于 LCST）下 IW 与 FW 并存，HPC 羟基与水强氢键→高吸附；50°C（高于 LCST）下 HPC 链间氢键断裂、甲基等疏水基团外露→IW 锐减、FW 增多，对应脱附/放水。7 次吸-脱附循环无盐析、无 LiCl 迁移，22% RH 下吸湿量稳定于 ~21 wt%。

水凝胶厚度定为 8 mm——过薄储水不足以支撑全日蒸发，过厚增重且热阻拖累响应速度，8 mm 为储水/热阻/重量的折中。

图3（a）制备的水凝胶涂层的物理外观。（b）水凝胶涂层与PV基材结合的粘附强度测试。（c）揭示水凝胶内部微观结构和孔隙率的SEM图像。（d）在具有不同PVA含量的水凝胶上测量的WCA，在25℃和50℃下进行评估，以评估temperature-dependent润湿性。（e）水凝胶在不同温度下的拉曼光谱分析，突出水状态和分子相互作用的变化。（f）在22%RH下评估的水凝胶涂层的循环吸附-解吸性能（8小时吸附，4小时解吸）。（g）FC-HEC系统在不同雾喷雾速率（0-300 mL/h）下的吸水能力22%RH。（h）环境相对湿度（22-40%RH）对300 mL/h喷雾后吸水性能的影响。（i）FC-HEC系统与文献报道的其他吸湿材料的吸湿性能比较。

实验室性能验证在1-sun辐照下，FC-HEC系统展现出显著冷却效果：无雾条件下因储水有限，4 h后冷却失效；雾通量300 mL/h时，峰值降温达20.4°C，稳态降温16.8°C，冷却功率达591.5 W·m⁻²。电性能测试表明，系统使PV最大输出功率提升7.58%。水账核算证实，日间蒸发耗水可由夜间集雾完全补偿，实现闭环自治。

图4集成PV冷却系统的实验特征：（a）完全组装装置的照片；（b）显示连续辐照下未涂层聚乙烯板表面温度变化的热成像序列；（c）在300毫升/小时雾喷雾速率下用混合系统冷却的面板的相应红外图像；（d）不同操作条件下PV面板的温度分布，以及辐照8小时后拍摄的热图像；冷却温度是不同喷雾速率下辐照持续时间的函数；测试场景下PV面板的电力输出；在一定范围内评估的稳态冷却性能摘要——包括冷却温度、冷却功率和PV功率增强喷雾速率和湿度水平；（h）基于实际冷却温度和冷却功率的文献蒸发冷却技术的比较分析。

野外十日实地测试：在中国吐鲁番、鄂尔多斯、赤峰三个典型干旱区开展10天连续户外测试。结果显示，系统运行稳定，86.6%的测试日平均昼降温超过7.0°C，整体平均昼降温 >8.0°C。以吐鲁番为例，峰值日裸PV表面温度达73.9°C，FC-HEC组仅为58.1°C，9:00–16:00峰值时段效率提升6.35%。系统适用边界为：最低RH ~22%，最佳雾通量 ≥300 mL/h。 技术特征对比：六维雷达图对比显示，FC-HEC系统兼具被动冷却的低能耗、免维护优势与接近主动冷却的高效能，突破了传统蒸发冷却在干旱区的应用瓶颈。虽初始成本略高于纯被动翅片，但凭借显著的发电增益，投资回收期较短。

图5（a）在吐鲁番、鄂尔多斯和赤峰进行了10天的室外测试，连续记录了太阳能强度和相应的冷却温度。（b）平均日冷却性能的统计分布（箱图），说明了三个地理位置的一致性。（c）评估不同PV冷却技术在冷却效果、成本和用水量等六个关键性能指标方面的比较雷达图。

结论与展望

本研究开发的FC-HEC系统成功将仿生集雾与温敏水凝胶技术融合，实现了干旱区PV在无外水源条件下的自主高效冷却。实验室峰值降温20.4°C，野外平均降温超8.0°C，功率提升约7%。该技术为干旱区光伏电站提供了一种零耗水、免维护的热管理新范式。未来工作将聚焦于超干旱环境适应性优化、大面积制备工艺开发（如刮涂法、网版拼接）及长期户外耐久性验证，以推动其工程化应用。