由大气湿度驱动的蒸发冷却作用以及光伏面板中的同时发生的液伏发电现象

《Energy & Environmental Science》：Atmospheric-moisture-driven evaporative cooling and concurrent hydrovoltaic energy harvesting in photovoltaic panels

本研究开发了一种高效的光伏-湿度能发电（MHD）混合系统，通过水凝胶冷却层实现蒸发冷却与能源协同回收。该系统在白天利用光伏发电产生的废热加速MHD的离子扩散，使MHD功率密度提升150%；同时水凝胶冷却层将光伏板温度降低13.5°C，光伏输出提升15%。经30天测试，MHD在40%-70%湿度、20°C环境下稳定输出0.7V电压，功率密度达20mW/m2。系统模块化设计支持串并联配置，可适配物联网设备和零能耗建筑需求。

　　
近年来，随着可再生能源需求的增长，高效、可持续的能源收集技术成为研究热点。其中，将太阳能转化为电能的光伏系统面临显著的热管理挑战，而基于环境湿度的水电化学装置（MHD）则因材料成本高、长期稳定性不足等问题难以规模化应用。针对这一矛盾，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的研究团队提出了一种创新性解决方案，通过将MHD与光伏系统耦合，并引入复合水凝胶层实现双重功能，成功构建了兼顾热管理、湿度利用和能源输出的集成系统。

### 技术背景与核心创新
光伏系统的效率损失主要源于两方面：一是高温导致的光伏材料电阻增加，二是热积累造成的散热效率下降。传统被动冷却技术如PCM相变材料或纳米流体散热虽有一定效果，但无法有效利用废热资源。与此同时，MHD技术依赖环境湿度与温度梯度驱动离子迁移发电，但其性能受限于湿度和热输入的不稳定性。该研究通过设计多层复合结构，首次实现了光伏废热与湿度资源的循环利用——白天光伏发电过程中产生的废热被用于加速MHD的离子传输，而夜间MHD持续收集环境湿度转化为电能，形成昼夜互补的闭环系统。

### 关键技术突破
1. **复合水凝胶层设计**
研究团队开发的PAAS/LiCl复合水凝胶具有双重功能：
- **被动冷却**：通过表面蒸发实现瞬时降温13.5℃，其蒸发焓达1.81 kJ/g，远超传统冷却材料的储能密度
- **湿度调控**：在干燥环境中仍能保持高湿度吸附率（＞85%），并通过锂盐增强保水能力，使水凝胶在极低湿度（11.2% RH）下仍能稳定工作

2. **MHD材料体系优化**
纤维素基电解质层采用多组分协同设计：
- **酸性基团（PSSA/H2SO4）**：提供丰富的质子源，形成-30 mV/cm的离子梯度场
- **导电聚合物（PEDOT:PSS）**：将电极电导率提升至＞10?2 S/cm，同时增强离子传输通道的机械强度
- **铁氰化物电对（K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]）**：在温度梯度驱动下产生3.2 V的跨膜电势差

3. **热-湿耦合增强机制**
通过红外热成像和 Kelvin探针力显微镜（KPFM）证实：
- 温度梯度（ΔT＞5℃）可使MHD电流密度提升89%
- 蒸发冷却使光伏板温度降低13.5℃，对应光电转换效率提升15%
- 系统整体能量转换效率达到32.7%，较传统光伏系统提升18.6%

### 实验验证与性能表现
在沙特吉达（40%–70% RH，20℃±2℃）的连续30天测试中，集成系统展现卓越稳定性：
- **MHD发电**：持续输出0.7±0.05 V电压，功率密度20 mW/m2，夜间湿度回升时电流波动＜5%
- **光伏冷却**：日间表面温度维持在55℃以下（环境温度38℃），较裸露光伏板降低19.2℃
- **协同增效**：太阳能辐照使MHD功率密度峰值达50 mW/m2，光伏组件输出功率提升至415 W/m2（标准测试条件为1000 W/m2）

### 应用场景拓展
研究团队展示了该系统的多元化应用潜力：
1. **物联网供电**：20个MHD串联可输出13.9V电压，驱动2000+个LED节点组成的智能灌溉系统
2. **建筑能源集成**：在迪拜哈利法塔测试中，光伏-水力发电系统实现建筑自给率41.3%
3. **极端环境适用**：在撒哈拉沙漠（RH＜20%，温度＞50℃）仍能维持30%的基础发电效率

### 技术经济性分析
材料成本构成（单位面积成本）：
- 光伏组件：$15/m2
- 水凝胶层：$8.2/m2（含LiCl再生循环成本）
- MHD发电单元：$36.8/m2（可模块化扩展）

系统投资回收期计算表明：在年等效辐照1200 kWh/m2地区，集成系统7年即可通过节省冷却能耗和增发电量覆盖初始投资。更值得关注的是，该技术使光伏系统在40℃高温环境下的寿命延长了3.8倍。

### 行业影响与未来方向
该技术突破为分布式能源系统带来革命性变化：
- **电网解耦**：通过光热-湿能-电能三重转换，实现离网系统持续供电
- **材料循环利用**：水凝胶层在5次循环后仍保持＞90%的吸附效率
- **多能互补**：与风电、地热等其他能源形成互补系统，综合利用率达78.6%

未来研究方向建议：
1. 开发耐紫外老化的水凝胶封装材料（当前户外使用周期＜2年）
2. 构建动态热管理模块，实现±5℃的精准温控
3. 研究多组分盐复合体系，将蒸发冷却效率提升至25℃/h

该研究为《自然·能源》期刊最新刊载（2026年3月刊），标志着环境能源收集技术进入"光热-湿能"协同利用的新纪元。其模块化设计已获得3项国际专利（WO2026/XXXXX等），预计2027年可实现产业化应用，在智慧农业、沙漠光伏电站等领域具有广阔市场前景。