转自 传热传质青委会
研究背景
目前，商用光伏组件可实现20%左右的能量转换效率，仍有超过70%的入射阳光最终转变为废热，导致组件运行温度升高。高温不仅会降低光伏组件的功率输出，还会加速材料老化、减损模组寿命。开发高效可靠的冷却技术对于提高光伏组件的性能和可靠性具有十分重要的现实意义，因而备受学界和业界关注。主动式光伏冷却技术，如强制风冷或者水冷技术，利用风机或泵驱动流体带走光伏废热，可以到达很高的冷却功率。然而,光伏冷却所带来的收益往往被高昂的初始投资和外部功耗所抵消。另一方面，水冷技术如喷淋、水幕等由于水分无法长时间保持在光伏表面，还面临水资源浪费的问题。被动式冷却技术通常借助功能材料，利用材料在室外环境下的自发过程来实现散热。尽管结构简单、没有额外的能耗，但往往面临冷却功率低、可靠性差等问题。例如，应用于光伏的辐射冷却技术必须保证涂层材料在可见光范围内具备高透射性，因而制冷功率仅依赖于调节大气窗口区发射率，降温幅度非常有限；吸附式冷却技术借助吸附材料的日间解吸和夜间吸附的循环实现光伏的被动冷却，虽然冷却功率较大，但面临再生过程缓慢、材料会逐渐失效的问题。
成果掠影
近期，香港城市大学吴伟教授和叶轩立教授提出了一种用于光伏增效的自适应界面蒸发冷却技术PV-SWE。该技术设计了一种可贴附于光伏背板的多孔冷却膜，巧妙利用虹吸作用使背板附着一层缓慢移动的薄水膜。太阳辐照下，水膜的蒸发过程可产生强烈的冷却效应从而降低光伏温度。研究人员还为此设计了一套硬件平台，使冷却薄膜根据气候条件自适应运行，既保证了动态气候下的可靠性，又获得了滴灌般的节水效果。室外实验证明，冷却过程按需启动可保证高辐照下光伏始终处于低运行温度。1000 W/m2照度下，该技术在商用单晶硅面板上获得了19.6°C的降温效果，提升发电量达20%。主被动结合的设计使得每小时耗水量仅为433 mL/m2，远低于其他水冷技术，且控制系统的年能耗不到1度电。研究以“Self-adaptive interfacial evaporation for high-efficiency photovoltaic panel cooling”为题发表于Cell姊妹刊Device。香港城市大学博士生李复翔为本文第一作者，吴伟教授和叶轩立教授为本文通讯作者。
图文导读
图 1. PV-SWE系统构造和运行策略. (A) PV-SWE的系统构造。(B) 被动虹吸的启动过程: 干燥的蒸发器薄膜的多孔结构充满空气（I）; 毛细作用驱动水箱1中的水克服重力向上运动，在越过最高点后重力又会变成驱动力，整个过程水分逐渐排走空气占据多孔结构（II）；最终，多孔结构内完全被水分占据，上下水箱间形成虹吸通道，水分可实现被动输运（III）。(C) 缓慢移动的薄水膜蒸发：产生冷却效应。(D-F) 冷却薄膜的运行策略：光伏处于低辐射或在夜间时，系统不启动（D）；高辐射照射下，系统向水箱1供水启动冷却（E）；水箱1耗水完毕后系统供水保证冷却效应持续（F）
图 2. PV-SWE 样机组装过程. (A) 多孔冷却薄膜与光伏的层压叠层结构；(B) 薄膜材料在电镜下的微结构；(C) 接触角/润湿性表征；(D) 硬件系统示意图； (E) 硬件系统实物图；(F) 嵌入式控制策略示意图
图 3. 实验室测试. (A) 实验室测试装置示意图；(B) 温度变化（光照：1000 W/m2；光伏倾角10°）；(C) 稳态后的功率-电压曲线对比；(D) 模组重量变化（光照：1000 W/m2；光伏倾角10°）；(E) 不同光伏倾角下，实验进入稳态后的温降效果；(F) 不同光伏倾角下，PV-SWE的蒸发率
图 4. 室外测试和气象状况. (A) 室外测试装置示意图；(B) 室外装置实物图；(C) 空气温度和相对湿度（时间：21/12/2022）；(D) 太阳辐射和风速（时间：21/12/2022）；(E) 云层状况（时间：21/12/2022）；(F) 空气温度和相对湿度（时间：22/12/2022）；(G) 太阳辐射和风速（时间：22/12/2022）；(H) 云层状况（时间：22/12/2022）
图 5. 室外对比测试结果（时间：22/12/2022）(A) 温度变化情况；(B) 温度降低情况；(C) 薄膜启动阶段的温度场变化；(D) 稳定运行下的温度场对比；(E) 功率-电压曲线对比；(F) 每小时最大功率点的平均值对比；(G) 能量转换效率对比
图 6. 耐久性验证. (A) 太阳辐射、温度和开路电压；(B) 蒸发器每日耗水量；(C) 控制系统每日耗电量
图 7. 与现有光伏热管理技术对比. (A) 不同技术在1000 W/m2照度下降温效果；(B) 不同水冷技术每小时耗水量与耗电量；(C) 应用不同热管理技术的净现值对比；（D）理想光伏热管理拼图
作者简介
吴伟，博士，香港城市大学副教授，硕士项目主任，国家级青年人才。研究方向包括高效热泵、高密度储能、先进热管理、可再生能源利用、零能耗建筑等。发表学术论文160余篇（其中SCI论文120余篇）、出版Springer Nature专著1部、接收Elsevier专著1部，授权/申请中美专利24项；获国际制冷学会青年奖、美国NIST杰出研究员奖、斯坦福Top2%顶尖科学家、能源与人工环境优秀青年奖、全国暖通空调杰出青年、清华特奖、清华学术新秀等荣誉；获日内瓦国际发明金奖2项、亚洲国际发明金奖4项；多次获中国制冷学会、北京制冷学会、香港工程师学会优秀论文奖；国际能源署SHC和HPT专家；任多个SCI期刊编委。
联系方式：weiwu53@cityu.edu.hk
叶轩立，博士，自2021年起担任香港城市大学材料科学与工程学系及能源与环境学院教授，并自2022年起担任香港清洁能源研究院副院长。他于2022年当选为香港青年科学院院士(FYASHK)，在2023年被授予英国皇家化学学会会士荣誉 (FRSC)。2023年荣获国际材料研究学会前沿材料青年科学家奖（IUMRS-FMYSA）及香港工程科技奖（HKEST Award）。在加入香港城市大学之前，叶博士于2013至2020年在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室及材料科学与工程学院任教授。他在香港中文大学获得材料科学学士（2001年）和哲学硕士（2003年）学位，并于2008年在美国华盛顿大学完成材料科学与工程博士学位。研究方向集中于材料、界面与器件工程的综合应用，旨在提升聚合物与钙钛矿光电器件的性能。迄今为止，发表科研论文300余篇，总引用次数约45000次，H指数高达107。并在2014年至2024年连续11年被评为材料科学领域的ESI “高被引学者“。
联系方式：a.yip@cityu.edu.hk
李复翔，香港城市大学能源及环境学院在读博士生，于华南理工大学电力学院和建筑学院获学士（2018）和硕士学位（2021）。研究方向包括太阳能光伏热管理及废热利用技术、多孔材料传热传质调控等。发表高水平学术论文10余篇，授权/申请中美专利4项目；获日内瓦国际发明金奖、亚洲国际发明金奖各一项，主持香港城市大学HK Tech 300/香港科技园创新创业项目3项。
联系方式：fuxiangli2-c@my.cityu.edu.hk
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