可扩展的、由废弃物制成的辐射冷却涂层用于提高光伏效率：现场验证与技术经济评估

《Renewable Energy》：Scalable, waste-derived radiative cooling coating for photovoltaic efficiency enhancement: Field validation and techno-economic assessment

　　

Feng Wang|Yang Zhao|Kaitao Chen|Yilin Wang|Chao Cheng|Dan Gao|Heng Zhang|Haiping Chen|Yuting Wang

华北电力大学能源、电力与机械工程学院，北京，102206，中国

摘要

过热会显著降低光伏（PV）模块和电网基础设施的性能和寿命。虽然辐射冷却提供了一种零能耗的热管理解决方案，但由于现有功能性材料的高成本和复杂的制造工艺，其广泛应用受到阻碍。在此，我们提出了一种超低成本的可持续辐射冷却涂层，该涂层通过将煤粉灰升级利用制成约100微米厚的单层复合涂层，分散在丙烯酸树脂基体中。与依赖昂贵纯化陶瓷的传统涂层不同，这种源自废物的解决方案利用了煤粉灰的固有声子-极化子共振，实现了89%的高中红外发射率。现场实验证明了其在实际条件下的显著净冷却能力。具体来说，该涂层使金属基板的表面温度平均降低了5°C（最高可达12°C）。更重要的是，当应用于运行中的光伏模块的背板上时，涂层使日发电量增加了5.24％至6.67％。这种性能提升主要依赖于被动的中红外辐射散热，同时辅以沿倾斜表面的局部自然对流。技术经济分析显示，材料成本仅为0.39美元/平方米，远低于现有的商业和文献报告的解决方案。鉴于全球煤粉灰的丰富储备，这项工作提供了一种可扩展的、具有商业可行性的、环保的策略，用于提高可再生能源效率。

引言

作为全球向低碳能源系统转型的关键支柱，光伏（PV）发电的装机容量已超过1866吉瓦，并且持续快速增长[1,2]。然而，光伏模块的性能和寿命在户外环境中因温度升高而受到显著影响。研究表明，电池温度每升高1°C，光电转换效率通常会降低0.4%至0.5%[3,4]。尽管最新一代的高效主流模块（如TOPCon和TBC架构，例如LONGi Hi-MO 9等产品）表现出大约-0.26%/K的温度系数，但在强烈太阳辐射下的持续热积累仍然是一个关键瓶颈[5]。这种“热降额”现象不仅减少了能源产量，还加速了封装材料的老化。同样，相关的户外电气设备在高温条件下也会面临绝缘层退化和故障风险增加的问题，可能影响整体电力传输的稳定性[6,7]。因此，开发有效的热管理策略对于保证可再生能源系统的可靠性和最大化能源产量至关重要[8,9]。

为了缓解过热问题，已经广泛采用了主动冷却方法，包括强制空气和水循环[10,11]。尽管这些方法有效，但它们会带来额外的能耗、机械维护和成本[12,13]。因此，被动日间辐射冷却（PDRC）作为一种零能耗的替代方案受到了越来越多的关注。通过最大化太阳反射率和中红外发射率，PDRC可以将热量散发到外太空，从而抑制表面温度的上升[14,15]。最近在纳米光子和聚合物基辐射冷却器方面的进展展示了高反射率，例如SiO₂–BNNS薄膜（95.4%）和PDMS基涂层（90.1%）[16,17]。Dong及其同事开发了一种低成本的、可扩展的颗粒-基体PDRC涂层，使用BaSO₄/CaCO₃/SiO₂散射剂，实现了97.6%的太阳反射率和约8.3°C的平均日间低于环境温度的冷却效果，原材料成本估计约为每平方米0.5美元[18]。同时，Hamdan及其同事提出了一种光伏被动冷却设计，将光伏模块与环路热管和辐射散热器结合，基于建模和参数分析预测光伏温度可降低超过10°C，效率提高约4.6%[19]。为了进一步推动热调节的性能极限，最近的研究探索了高度复杂的热管理范式。这些开创性的进展包括利用动态可调超表面的自适应辐射冷却表面[20]、混合高性能冷却材料（如受生物启发的辐射相变复合材料[21]、更注重可持续性的动态涂层（如用于基础设施气候缓解的热致变色材料[22]），以及在极端气候下将辐射冷却与强大的散热器结合的更复杂的光伏热管理系统[23]。虽然这些先进架构提供了卓越的冷却能力和自适应功能，但它们在成本敏感的能源基础设施上的大规模应用往往受到复杂的微纳制造工艺、高昂的材料成本和复杂的系统集成的阻碍。因此，仍然迫切需要一种超低成本的、高度可扩展的被动冷却解决方案，能够在保证足够的热性能的同时具备良好的经济可行性。尽管如此，许多先进的辐射冷却解决方案仍然依赖于纯化的功能性纳米颗粒和/或复杂的微纳制造工艺[24,25]，其材料和系统成本（通常超过每平方米1至10美元）阻碍了在成本敏感的能源基础设施上的大规模应用，包括商业光伏电站[26,27]。因此，仍然迫切需要一种超低成本的、可扩展的PDRC解决方案，能够在保证足够冷却性能的同时具备明确的经济可行性。

同时，尽管可再生能源迅速发展，燃煤发电仍然是全球能源结构的基本组成部分，每年产生超过7.72亿吨煤粉灰[28,29]。这种固体废物的大量积累带来了严峻的环境挑战和严重的土地占用问题[30,31]。然而，从材料科学的角度来看，煤粉灰主要由二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）微球组成。这些介电成分具有固有的声子-极化子共振，在大气透明窗口内触发强大的热辐射，使煤粉灰成为一种极具前景的、零成本的辐射冷却原料[32,33]。将这种丰富的废物升级利用为功能性热管理涂层代表了重要的范式转变：它同时减轻了固体废物处理的负担，并为被动冷却技术提供了可持续且经济高效的途径[14,34]。最终，这种方法完全符合循环经济的核心原则。

通过将煤粉灰（FA-RC涂层）作为聚合物基体的主要填充物，我们开发了一种超低成本的、可持续的光伏（PV）热管理辐射冷却涂层。尽管最近的研究（包括在《可再生能源》杂志上的研究）报道了具有强光学性能和有时低成本的各种辐射冷却材料，但许多材料主要在通用基体上进行了验证，而不是在户外进行并行测试和电气输出测量的运行中的光伏模块上。同时，集成额外热传输组件的光伏冷却设计可能有效，但会增加系统的复杂性和维护成本。这些限制突显了需要一种简单、可扩展的、仅依赖涂层的解决方案，能够以低成本应用于大面积区域。

为了弥补上述知识空白并克服原始工业废物的光学限制，本研究提出了一种基于煤粉灰的被动日间辐射冷却（FA-RC）涂层，以实现“废物变财富”的策略。具体来说，原始煤粉灰微球和辅助无机填料（TiO₂、BaSO₄和CaCO₃）均匀分散在丙烯酸树脂基体中，形成约100微米厚的单层复合材料。这种特定结构旨在战略性地平衡宽带太阳反射和高中红外发射[35,36]。超越传统的实验室规模表征，本研究通过将涂层直接应用于电力设备的金属外壳和运行中的光伏模块的背板上，系统地评估了实际的冷却性能和由此产生的能源收益效益。此外，还进行了全面的技术经济评估（TEA），以验证其超低的材料成本和与现有结构设计的商业可行性。总体而言，这项研究旨在缩小基于废物的辐射冷却概念与经过现场验证的工业应用之间的差距，为提高可再生能源基础设施性能提供了实用且资源循环的途径[37,38]。

章节片段

材料

煤粉灰（FA）来自中国内蒙古大唐托克托电厂。按照我们之前工作中的协议[32]，原始灰分通过60目筛网进行预处理，以去除粗颗粒，得到平均粒径约为1.5微米的精炼粉末。本研究中使用的功能性无机填料包括来自海南安纳的金红石二氧化钛（TiO₂，粒径：约0.2–0.3微米，纯度：80%）

FA-RC涂层的机制和制造

图1a概念性地展示了FA-RC涂层应用于户外能源基础设施（如光伏模块和电力变压器）时的工作原理。该涂层作为一种高效被动热管理界面，旨在持续将内部操作热量（例如焦耳热）和外部太阳热负荷直接排放到极冷的太空（约3 K）中。

核心的辐射冷却能力来源于独特的化学

结论

本研究成功展示了一种“废物变财富”的策略，将工业煤粉灰转化为高性能、低成本的辐射冷却（FA-RC）涂层。通过工程化处理固体废物的光学特性，我们获得了一种可扩展的材料，其太阳反射率为74.1%，选择性大气窗口发射率为89%，能够在不消耗能量的情况下实现有效的低于环境温度的冷却。

现场验证证实了该涂层在各种条件下的强大热管理能力

CRediT作者贡献声明

Feng Wang：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、概念化。Yang Zhao：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、调查。Kaitao Chen：撰写——原始草稿、可视化、软件。Yilin Wang：撰写——原始草稿、可视化。Chao Cheng：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。Dan Gao：监督、项目管理、资金获取。Heng Zhang：监督、项目管理。

数据和材料的可用性

支持本研究发现的所有相关数据都包含在文章和补充信息中。

资金

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFF0506402）、中国国家重点研发计划（2021YFE0194500）和中国国家自然科学基金（52506232）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。