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作者:文乐乐 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/14 11:23:15
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“出汗系统” 让太阳能电池板“自降温”

 

夏季炙热的阳光会使太阳能电池板温度升高,导致其电力产能急剧下降。 图片来源:ERLUCHO/ISTOCK.COM

和人类一样,太阳能电池板温度过高也无法正常工作。不过据《科学》报道,现在研究人员发现了一种通过让它们“出汗”使其冷却的方法,从而增加能量输出。

“这是一种简单、有效的对现有太阳能电池板进行改造的方法,可以立即提高效率。”美国马里兰大学帕克分校的材料科学家胡良兵说。

今天,全世界有超过600吉瓦的太阳能发电能力,满足了全球3%的电力需求。这一产能未来10年预计将增长5倍。大多数太阳能发电板利用硅将光能转化为电能。但传统的硅电池只能将20%的太阳能转化为电流,其余大部分转化为了热量,可使电池板升温40摄氏度。每当温度超过25摄氏度,面板的效率就会下降。华中科技大学材料学专家周俊说,工程师为增加0.1%的电力转换效率“绞尽脑汁”,因为产能就算增加1%,也会带来经济效益。

几十年前,研究人员发现,用水冷却太阳能电池板可以提高其转化效率。如今一些公司还出售水冷系统,但这些装置需要大量的水以及储罐、管道和泵。在干旱地区和缺乏基础设施的发展中国家,这几乎没有可行性。

近年来,研究人员设计出了一种材料,它可以从空气中吸收水蒸气,并将其凝结成供饮用的液态水。其中最好的是一种凝胶,它在夜晚空气凉爽、湿度高时吸收水蒸气。这种凝胶——聚合物中的碳纳米管与氯化钙盐的混合物,使水蒸气凝结成水滴被包裹其中。当白天温度升高时,这种凝胶会释放水蒸气。如果用透明塑料覆盖,释放出的蒸汽就会被截留,凝结成液态水,流入储存容器。

由此,香港理工大学环境工程师王鹏和同事想到了冷凝水的另一种用途:太阳能电池板的冷却剂。研究人员将1厘米厚的凝胶片压在标准硅太阳能电池板的底部。他们的想法是,在白天,这种凝胶会从太阳能电池板中吸收热量释放水蒸气。蒸发的水会冷却太阳能电池板,就像皮肤上蒸发的汗液会让人体降温一样。

研究人员发现,所需的凝胶量主要取决于环境湿度。在湿度为35%的沙漠环境中,每平方米太阳能电池板需要1公斤凝胶来冷却;而在湿度为80%的闷热地区,每平方米电池板冷却只需要0.3公斤凝胶。

不论哪种应用场景,结果都是一样的:水冷式太阳能电池板的温度下降了10摄氏度。5月11日,王鹏和同事在《自然—可持续发展》上报告说,在一次户外测试中,电池板的发电量平均增加了15%,最高增加了19%,风力可能增强了冷却效果。

但周俊指出,雨水会溶解凝胶中的氯化钙盐,削弱其吸水性能。王鹏表示,凝胶位于太阳能电池板底部,应该可以避开雨水。同时他们团队正在开发第二代凝胶,这种凝胶即使遇水也不会降解。

另一个设计方案是在水蒸发后,设置一个收集和再冷凝水的装置。王鹏说,这些水可用来清洁太阳能电池板上积聚的灰尘,或者可以储存起来供饮用,解决干旱地区的迫切需求。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41893-020-0535-4

 
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