被动式超冷技术贴片实现高效电能-水资源联产

《Advanced Materials》：Passively Ultra Cooling Patch Enabling High-Efficiency Power-Water Cogeneration

本研究提出了一种超冷却贴（UCP），通过被动冷却策略显著降低光伏面板温度（29°C），提升功率密度28%，同时实现高效产水（2.2升/天），并验证了其户外应用和柔性适配性。

　　太阳能光伏（Photovoltaic, PV）系统作为可再生能源领域的重要组成部分，已成为全球能源结构中的关键一环。根据2023年的数据，光伏系统占据了全球可再生能源装机容量的75%，这标志着其在可持续能源转型中的重要地位。然而，尽管光伏技术在提供清洁能源方面表现出色，但其在实际运行中面临一个显著的问题：光热效应导致的大量废热产生。这种废热不仅降低了光伏系统的发电效率，还对光伏组件的寿命构成了威胁。因此，如何有效管理光伏系统的热问题，成为提升其性能和可持续性的关键挑战。

为了应对这一问题，研究人员提出了一种被动冷却策略，利用一种名为“超冷却贴片”（Ultra-cooling Patch, UCP）的创新材料，以实现高效的热管理并同时生产淡水。UCP由三层结构组成：大气水收集层（Atmospheric Water Harvester, AWH）、热调节层和粘附层。这种设计不仅能够显著降低光伏面板的温度，还能将超过70%的废热用于淡水生产，从而实现了能源与水资源的协同利用。在实验中，UCP展现出接近700 W/m2的冷却功率，使得光伏面板的温度下降了约29°C，最大功率密度提升了28%以上。此外，UCP的灵活性和粘附性使其能够方便地应用于各种光伏配置，包括柔性面板，为不同场景下的部署提供了便利。

在夜间，UCP能够高效地从空气中捕获水分，利用其内部的对齐通道和辐射冷却效应，显著提高了水分吸收效率。而在白天，光伏面板在阳光照射下产生电能和废热，UCP则通过水分蒸发过程消耗这部分废热，从而实现冷却效果。这种协同机制不仅提升了光伏系统的发电性能，还为淡水生产提供了新的途径。研究团队通过实验验证了UCP的实际应用效果，其在约1平方米的光伏面板上实现了超过2.2升/天的淡水产量，为干旱地区提供了重要的水资源补充。

UCP的设计充分考虑了材料的适应性和可持续性。例如，采用的吸湿盐具有优异的吸水能力，且在脱附过程中释放的热量较高，有助于提高整体系统效率。此外，通过使用低交联度的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为粘附层，确保了UCP能够牢固地粘附于不同材质的基底上，并且在多次粘附和剥离后仍能保持良好的性能。这种材料选择不仅降低了生产成本，还提升了系统的稳定性和耐久性，为大规模应用奠定了基础。

UCP的冷却性能在实验中得到了充分验证。当将UCP应用于光伏面板时，其温度显著降低，同时最大功率密度提升明显。例如，在100 × 100 mm的光伏面板上，UCP使面板温度降低了21.7°C，最大功率密度从0.77 W提升至0.92 W。更进一步地，通过重塑UCP的结构，如将其折叠为鳍状结构，可以显著扩大热交换界面，从而提升冷却效率。这种优化后的结构在实验中实现了高达29.5°C的温度降低，比普通UCP提升了约5°C，同时提高了水蒸发热的利用效率，进一步增强了光伏系统的发电能力。

在实际应用中，UCP的灵活性使其能够适应不同形状和尺寸的光伏面板，甚至可以弯曲和扭曲超过360°而不影响性能。这一特性对于集成到柔性光伏系统中尤为重要，因为传统冷却方法往往难以适应柔性材料的变形需求。此外，UCP在户外实验中也表现出了良好的稳定性。例如，在香港理工大学进行的为期五天的实验中，UCP成功地将光伏面板的温度降低了21.2°C至24.7°C，同时提升了功率输出。这些结果表明，UCP不仅在实验室条件下表现出色，而且在真实环境中具备较强的适应性和实用性。

尽管UCP在性能和成本方面具有显著优势，但其大规模应用仍面临一些挑战。例如，在低湿度环境下，水分捕获效率会受到限制，这可能影响冷却效果和系统的稳定性。因此，未来的研究需要进一步探索适用于低湿度环境的新型吸湿材料，以弥补这一不足。此外，虽然UCP在某些地区（如香港）显示出良好的经济性，但在其他地区，特别是电力价格较低的区域，其经济可行性仍需进一步评估。这要求在实际部署前，充分考虑不同地理环境的气候条件和经济因素，以确保技术的广泛适用性。

UCP的另一个重要优势是其可扩展性。通过将UCP与大型光伏面板结合，研究人员成功实现了对1平方米光伏系统的冷却和淡水生产。这种模块化设计使得UCP能够轻松集成到分布式光伏系统中，为城市和偏远地区的能源和水资源管理提供了新的解决方案。然而，大规模部署过程中，安装和维护成本仍然是需要关注的问题。尽管粘附设计简化了安装过程，但在实际应用中，还需要考虑劳动力成本、维护方法和周期等因素，以确保系统的长期运行效率。

此外，UCP在水资源生产方面也展现出巨大的潜力。通过在光伏面板后方集成冷凝室，UCP能够将白天产生的水蒸气转化为可用的淡水，为干旱地区提供了可持续的水资源来源。然而，冷凝室的引入可能会对水分蒸发效率产生一定影响，导致冷却功率密度下降。因此，在实际应用中，需要根据具体需求平衡水生产和电力增强之间的关系，以实现最佳的综合效益。

综上所述，UCP作为一种被动冷却技术，不仅在提高光伏系统发电效率方面表现出色，还为解决能源与水资源之间的矛盾提供了新的思路。其高效的冷却性能、良好的适应性和可扩展性，使其在应对全球能源和水资源危机方面具有重要的应用前景。未来的研究应进一步优化材料性能，降低制造成本，并探索在不同气候条件下的适用性，以推动这一技术在全球范围内的广泛应用。