通过天然水凝胶实现高效被动冷却并增强界面粘附力，从而提升光伏效率

《Journal of Energy Chemistry》：Boosting photovoltaic efficiency via efficient passive cooling from all-natural hydrogels with robust interfacial adhesion

该研究开发了一种基于莲藕淀粉和LiCl的自粘附水凝胶，通过湿度响应实现持续蒸发冷却，显著降低光伏面板温度（18.2°C）并提升发电效率（7.7%），同时解决了传统水凝胶的粘附性和环保问题。

　　在当前全球能源危机和环境风险日益加剧的背景下，太阳能技术正迎来快速发展。其中，光伏（PV）板作为太阳能发电的核心设备，其性能和效率直接影响整个太阳能系统的产出。然而，光伏板在运行过程中会产生显著的温度上升，这不仅降低了其电能转换效率，还可能缩短其使用寿命。因此，如何有效降低光伏板的运行温度，成为提升太阳能发电效率和延长设备寿命的关键课题。

近年来，蒸发冷却技术因其高效吸热和散热特性，逐渐被应用于光伏板的冷却系统。这种技术通过水的高蒸发潜热（>2000 J g?1）实现对光伏板运行过程中产生的热量的有效散发。然而，现有的蒸发冷却材料，尤其是基于水凝胶的冷却系统，仍然面临一些挑战。其中，最突出的问题是冷却界面的不匹配以及环境影响，这限制了其在实际应用中的推广。为了解决这些问题，研究人员开发了一种全新的“绿色”水凝胶冷却材料，该材料仅由廉价的莲藕粉和氯化锂（LiCl）组成，具有良好的自粘性和吸湿性，能够与光伏板形成紧密接触，从而提高冷却效率和设备的使用寿命。

该水凝胶冷却材料的开发基于对传统冷却技术的深入研究和分析。现有的主动冷却系统通常需要强制冷却剂流动，依靠风扇和水泵进行散热，虽然其效果较为显著，但工业设计复杂，额外的能源投入较高，不利于大规模应用。相比之下，被动冷却技术因其结构简单、能耗较低，受到越来越多的关注。然而，被动冷却技术的一个主要限制是其冷却能力有限，例如，常见的固液相变材料（PCMs）的储能密度仅为约200 kJ kg?1，这意味着需要大量的相变材料才能实现有效的热量提取，从而导致光伏系统的成本大幅增加。

基于上述背景，研究人员提出了一种基于大气水收集的蒸发冷却方法，该方法通过水凝胶材料对周围空气中的水分进行吸附和蒸发，实现对光伏板运行过程中产生的热量的有效散发。这种技术的关键在于水凝胶材料的吸湿性和蒸发能力。通过优化材料组成和结构，研究人员成功开发出一种新型水凝胶冷却材料，该材料不仅具有良好的吸湿性，还能够与光伏板形成紧密的接触，从而降低热阻，提高散热效率。

该水凝胶冷却材料的制备过程相对简单，主要通过加热和冷却莲藕粉与氯化锂溶液的混合物来实现。整个过程不需要额外的交联剂或有毒溶剂，这使得该材料在成本和可持续性方面具有显著优势。此外，氯化锂在材料中的作用具有双重性，一方面，它能够增强水凝胶的吸湿能力，使其能够在较短时间内吸附大量水分；另一方面，它通过“盐析”效应破坏淀粉分子链之间的氢键，从而调整水凝胶的机械性能和自粘性，使其能够紧密贴合光伏板表面，确保在蒸发冷却过程中保持稳定的接触界面。

实验结果显示，当将这种水凝胶冷却材料附着在光伏板背面时，在1.0 kW m?2的光照条件下，光伏板的温度能够降低18.2 °C，冷却功率达到358 W m?2。与未使用冷却材料的光伏板相比，其电能转换效率（PCE）提高了7.71%。这些数据表明，该水凝胶冷却材料在提升光伏板性能方面具有显著效果。此外，由于其材料来源天然、制备过程简单，这种冷却策略在实际应用中具有更高的可行性，为光伏板的热管理提供了新的思路。

在材料选择方面，研究人员使用了莲藕粉和氯化锂。莲藕粉作为一种天然的淀粉材料，具有良好的吸湿性和生物降解性，符合可持续发展的理念。氯化锂则作为吸湿剂，能够有效增强水凝胶的吸湿能力。通过调整莲藕粉与氯化锂的比例，研究人员成功制备出一系列具有不同性能的水凝胶材料，其中LSH-20在实验中表现出最佳的冷却效果。

在制备过程中，研究人员首先将莲藕粉均匀分散在不同浓度的氯化锂溶液中，然后将混合物填充到硅胶模具中，通过水浴加热至80 °C进行凝胶化。这一过程不需要复杂的工业设备或严格的条件，显示出其在大规模生产中的潜力。同时，通过使用不同形状的模具，研究人员能够灵活调整水凝胶的厚度和形状，使其更符合实际应用需求。

在材料表征方面，研究人员对LSH-20进行了详细的分析。实验结果显示，LSH-20在25 ℃和95%相对湿度的条件下，经过12小时的吸附，其吸湿能力达到2.57 g g?1。这一数据表明，该水凝胶材料能够高效吸附水分，从而实现良好的蒸发冷却效果。此外，研究人员还对LSH-20的机械性能和自粘性进行了测试，发现其具有较低的模量和较强的粘附力，能够在蒸发冷却过程中保持稳定的接触界面，降低热阻，提高散热效率。

在实际应用中，这种水凝胶冷却材料展现出良好的性能和优势。首先，其材料来源天然，符合环保要求，不会对环境造成污染。其次，其制备过程简单，不需要复杂的工业设备或额外的能源投入，这使得其在大规模应用中具有更高的可行性。此外，其自粘性能够确保与光伏板形成紧密接触，避免因水分蒸发导致的界面变形或脱落，从而保证冷却效果的持续性。这些特点使得该水凝胶冷却材料成为一种理想的光伏板冷却解决方案。

在实验过程中，研究人员还对LSH-20的冷却效果进行了测试。实验结果表明，在1.0 kW m?2的光照条件下，LSH-20能够实现显著的温度降低和冷却功率提升。与未使用冷却材料的光伏板相比，其温度降低了18.2 °C，冷却功率达到358 W m?2，电能转换效率提高了7.71%。这些数据表明，该水凝胶冷却材料在提升光伏板性能方面具有显著效果。

此外，研究人员还对LSH-20的环境影响进行了评估。由于其材料来源天然，且在使用过程中不会产生有害物质，因此该水凝胶冷却材料符合可持续发展的理念。这种材料的开发不仅有助于提升光伏板的性能，还为实现绿色能源技术提供了新的思路。

在结论部分，研究人员总结了该水凝胶冷却材料的优势和应用前景。他们指出，这种材料不仅具有良好的吸湿性和蒸发能力，还能够与光伏板形成紧密的接触，从而降低热阻，提高散热效率。此外，其材料来源天然，制备过程简单，符合可持续发展的理念。这些特点使得该水凝胶冷却材料成为一种理想的光伏板冷却解决方案，有望在未来的太阳能发电系统中得到广泛应用。

在作者贡献方面，研究人员明确划分了各自的工作。Yang Ding负责撰写和编辑论文、可视化、监督和概念设计；Xianrong Huang负责软件开发和研究；Yang Hu负责验证和研究；Xiangyu Zhao负责验证和方法设计；Gangchen Lu负责可视化和验证；Cheng Zhou负责软件开发和资源管理；Shilong Liu负责监督和研究；Xiang Lu负责项目管理、资金获取和数据分析；Jinping Qu负责项目管理和资金获取。这些分工体现了团队在研究中的协作精神和专业能力。

在声明部分，研究人员表示，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的报告。这一声明表明了研究的客观性和公正性。

在致谢部分，研究人员感谢了国家自然科学基金的资助。这一支持为研究提供了必要的资金和资源，使得该水凝胶冷却材料的开发得以顺利进行。

综上所述，该水凝胶冷却材料的开发为光伏板的热管理提供了新的解决方案。其材料来源天然、制备过程简单、成本低廉、环境友好，具有良好的吸湿性和蒸发能力，能够与光伏板形成紧密的接触，降低热阻，提高散热效率。这些特点使得该材料在提升光伏板性能方面具有显著效果，为实现绿色能源技术提供了新的思路。