太阳能光伏组件能够将20%左右的太阳辐射转换为电能输出，但同时约70%的太阳能则被转换为废热，导致组件温度升高。
高温不仅使光伏组件的发电功率下降，也会加速组件老化从而影响其寿命，从而影响其全生命周期的发电量，因此控制光伏组件的运行温度显得尤为重要。
学术界提出了多种主动式和被动式冷却方式，包括风冷、水冷、液冷、热电转换、相变降温等。
为了使光伏组件在降温的同时具有经济效益和长期可靠性，必须综合考虑冷却效果、材料成本以及冷却器件的复杂度和重量，但目前的热管理技术难以同时满足这些要求。
例如辐射制冷易于实施，但多数情况下降温极其有限，采用相变材料能够降温10℃以上，但组件重量与成本将大幅上升。
针对这一问题，近日，上海交通大学机械与动力工程学院的马涛副教授联合王如竹教授、代彦军教授，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表了题目为 “A Hygroscopic Composite Backplate Enabling Passive Cooling of Photovoltaic Panels”的研究论文。
该研究针对工程应用场景，研发了一种能够实现光伏被动式冷却的轻量化复合背板（如图1所示），该背板基于吸湿性水凝胶，可以实现光伏组件的水蒸气吸附-蒸发式冷却。
同时，研究团队还开发了一种底层防水透气膜，其能够避免户外条件下水凝胶吸湿功能的失效，并提出了水凝胶与光伏背板高强度粘接方法，进一步提高了实用性与可靠性。
图1. 概念示意图与实物图。(a) 户外光伏组件的能量平衡；(b) 具有复合背板的光伏组件结构示意图及其 (c)背面照片；(d) 所采用的吸湿性水凝胶示意图。
基于本研究研发的吸湿性水凝胶，该复合背板可以在夜间吸附环境空气中的水蒸气，储存的水则在白天成为冷却介质，通过水分蒸发过程带走光伏组件工作过程中产生的热量，这一特点使得该复合背板在不需要任何金属部件或大量冷却介质的情况下，能够实现良好的持续性被动式降温效果。
在针对小组件样品的户外实验中，所开发的复合背板在连续观测中展现了稳定的冷却性能，相比于传统组件降温7-15°C。
此外，该复合背板相对于普通光伏组件成本增加在10%以内，组件重量增加为2.6 kg/m2左右。
因此，该技术实现了光伏组件的低成本、轻量化和被动式降温，并在实际工程应用中具有发展潜力。该研究得到了十四五国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委国际合作项目等项目的支持。
图2. 材料性能表征。(a)吸湿性水凝胶样品图；(b) 有/无防水透气膜时的动态吸附性能；(c-d) 动态解吸过程与冷却性能；(e-f) 水凝胶与光伏背板形成高强度粘接的拉曼光谱表征与照片。
考虑低成本、大面积制造以及吸湿性能等因素，本研究采用了含有吸湿盐的水凝胶作为复合背板的核心材料。
其中采用双网络水凝胶作为吸湿盐的载体，确保了良好的材料强度与韧性，吸湿盐则选用低成本的氯化钙 (图2a)。
此外为了使吸湿材料具备防水透气性从而避免因雨水、灰尘以及盐分泄漏导致的失效，研究团队采用了多孔聚四氟乙烯膜封装水凝胶，使其表面从超亲水转变为超疏水。
图2b展示了在有无膜封装下100×100×4 mm3 样品的单表面水蒸气吸附性能。图2c-d进一步验证了在解吸过程中水凝胶所具备的冷却能力，在700W/m2 的加热功率下，水凝胶可以使基底降温10°C以上。
冷却效果与水蒸发速率呈正相关，随着储存水分的减少和盐浓度的上升，冷却能力也会随时间逐步减弱。
本研究还进一步研究了一种水凝胶与光伏背板之间的粘接方式，通过交联后的聚合物网络将两者牢固结合 (图2e-f)。
图3. 户外测试。(a-b) 户外实验照片以及测量参数示意图；(c) 典型日全天24小时测试结果；(d) 白天最大温降/夜间最大温升；(e) 不同时段的平均温降∆Tavg。
为了研究实际场景下冷却效果，研究人员开展了长时间户外实证测试。
测试装置如图3a-b所示，研究中采用了含有单个标准晶硅电池的小组件，包括常规组件 (w/o cooler)、背面有3mm厚泡沫的组件 (w/ insulation)、以及背面具有3 mm厚水凝胶复合背板的组件 (w/ cooler)。
作为蒸发冷却的复合背板在白天表现出了持续的冷却效果，与普通光伏组件相比，最大降温7.5℃，与有隔热层的光伏组件相比，最大降温则达到14.7℃。
在上午，ΔT随着太阳辐照的上升而增加，在9:00和10:00之间达到峰值。
随后，ΔT缓慢下降，即下午的冷却性能低于上午，这是由于储水量减少和辐照减小的综合效应。
但全天的平均降温值仍达到了3.5℃（相比w/o cooler）以及8.7℃（相比w/ insulation）。
此外，在夜间复合背板组件具有相比常规组件更高的温度，也证实了其夜间对环境水蒸气的吸附作用。
为了评估复合背板的耐候性和研究其在不同天气条件下的被动式降温特性，研究人员在7-9月之间进行了持续观测。
图4a-b展示了其中连续10天里测试组件相比常规组件的降温值ΔT，图4c则进一步计算了每天中的平均降温值。
所统计的20天中包括了晴天、阴天、下雨等各类天气，其中绝大多数平均降温超过了2.0 °C，1/3的天数中平均降温超过3.0 °C，且并未观察到冷却性能随时间而下降。
通过比较不同日期中的降温效果，研究人员发现冷却性能主要取决于气候条件。
在辐照相当高（如第3天和第7天）或相当低（第20天）的日子里，平均降温值都会比较低。
复合背板的降温效果在阴雨天气后可以得到明显改善，因为阴雨天气能够使水凝胶吸附足够的水，比如在第18天，最大温降超过了10℃。
图4. 多天连续观测结果。相较于通风良好的光伏组件，复合背板光伏组件温度变化曲线：(a) 8月2日-11日；(b) 8月15日-24日；(c) 上述20天每天的平均降温∆Tavg；(d) 9月3日的测试结果。
原文始发于微信公众号（艾邦光伏网）：光伏组件被动式降温新方法：吸湿性复合背板技术
