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編者按;
沙特阿拉伯阿布都拉國王科技大學(xué)為太陽能電池板研發(fā)出冷卻系統(tǒng)，成功冷卻太陽能電池板并提高了19%的發(fā)電效率。他們通過氯化鈣、納米碳管研發(fā)出新型聚合物凝膠，這些凝膠會(huì)在悶熱的夜晚中吸收水分，然后在白天艷陽高照時(shí)釋放水氣，就好像藉由“流汗”來散發(fā)熱量一樣。當(dāng)把凝膠黏在太陽能電池板背面后，凝膠釋放儲(chǔ)存的水分就可以幫太陽能電池面板降溫10℃左右。而用水冷卻太陽能電池板可以提高其轉(zhuǎn)化效率。


一提到沙特阿拉伯，“石油王國”、經(jīng)濟(jì)富裕、旅游業(yè)發(fā)達(dá)等躍然而出。而換一個(gè)角度看，因沙特阿拉伯境內(nèi)沙漠廣布，其夏季最高溫可達(dá)50℃以上，這對(duì)長期置于戶外的機(jī)電設(shè)備耐受性無疑是極大的考驗(yàn)。

眾所周知，制約太陽能發(fā)電效率的不只有陰雨天與夜晚，還有悶熱、高溫天氣。因此，在沙漠環(huán)境中環(huán)保地解決太陽能電池板散熱問題是當(dāng)務(wù)之急，以免冷卻所需的電力比太陽能發(fā)電量還要高。

據(jù)了解，太陽能電池結(jié)構(gòu)基本上由P型與N型半導(dǎo)體結(jié)合而成，這種結(jié)構(gòu)稱為PN接面。當(dāng)電池吸收陽光時(shí)，PN接面會(huì)產(chǎn)生電子-電洞對(duì)(electron-hole pair)，在內(nèi)建電場的作用下，受到刺激的電子和失去電子的電洞會(huì)朝相反方向移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流與電壓;但若溫度升高，會(huì)加快電子-電洞對(duì)再結(jié)合速度，使發(fā)電量下降。

對(duì)此，沙特阿拉伯阿布都拉國王科技大學(xué)(KAUST)認(rèn)為，環(huán)境因素造成的問題，就用自然原理解決。對(duì)此，他們已經(jīng)為太陽能電池板研發(fā)出冷卻系統(tǒng)，成功冷卻太陽能電池板并提高了19%的發(fā)電效率。

最初，他們決定用氯化鈣來解決該問題，但氯化鈣中一半的原料為鹽，它極易吸濕潮解，也易溶于水?；诖?，他們通過氯化鈣、納米碳管研發(fā)出新型聚合物凝膠，當(dāng)接觸到濕氣，凝膠就會(huì)吸收鈣鹽與水分漸漸脹大，而在聚合物結(jié)構(gòu)中的納米碳管不僅可以吸熱，還能讓聚合物不斷循環(huán)吸水與排水的過程。

戶外測(cè)試后，他們發(fā)現(xiàn)這些凝膠會(huì)在悶熱的夜晚中吸收水分，然后在白天艷陽高照時(shí)釋放水氣，就好像人們藉由“流汗”來散發(fā)熱量一樣。研究人員指出，這種新型凝膠可以黏在各種地方。當(dāng)把凝膠黏在太陽能電池板背面后，凝膠釋放儲(chǔ)存的水分就可以幫太陽能電池面板降溫10℃左右。

值得注意的是，或許是戶外熱傳導(dǎo)與質(zhì)量傳導(dǎo)改善有關(guān)，他們發(fā)現(xiàn)太陽能電池板效率提高的幅度達(dá)13%~19%。研究人員認(rèn)為，這種冷卻技術(shù)應(yīng)用潛力大，且應(yīng)用范圍廣泛，適用于各種環(huán)境。

事實(shí)上，凝膠并不是新鮮事物。為提高溫度持續(xù)攀升下太陽能發(fā)電的能量輸出，近年來研究人員發(fā)現(xiàn)了一種材料，它可以從空氣中吸收水蒸氣，并將其凝結(jié)成供飲用的液態(tài)水。其中，最好的就是這種凝膠——聚合物中的碳納米管與氯化鈣鹽的混合物，白天凝膠從太陽能電池板中吸收熱量釋放水蒸氣，蒸發(fā)的水進(jìn)而冷卻太陽能電池板。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有超過600GW的太陽能發(fā)電能力，滿足了全球3%的電力需求，這一產(chǎn)能在未來10年預(yù)計(jì)還將增長5倍。大多數(shù)太陽能發(fā)電板利用硅將光能轉(zhuǎn)化為電能，但傳統(tǒng)的硅電池只能將20%的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其余大部分轉(zhuǎn)化成了熱量，可使電池板升溫40℃。每當(dāng)溫度超過25℃，面板的效率就會(huì)下降。

幾十年前，人們發(fā)現(xiàn)用水冷卻太陽能電池板可以提高其轉(zhuǎn)化效率，但水冷系統(tǒng)裝置需要大量的水以及儲(chǔ)罐、管道和泵，在干旱地區(qū)或缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展中國家，這幾乎沒有可行性。而凝膠則是一種簡單、有效的對(duì)現(xiàn)有太陽能電池板進(jìn)行改造的方法，可以立即提高效率。

無獨(dú)有偶，香港理工大學(xué)環(huán)境工程師也嘗試將冷凝水用作太陽能電池板的冷卻劑，其基本原理與上述一致。此外，他們發(fā)現(xiàn)冷卻太陽板所需的凝膠量主要取決于環(huán)境濕度：在濕度為35%的沙漠環(huán)境中，每平方米太陽能電池板需要1公斤凝膠來冷卻;而在濕度為80%的悶熱地區(qū)，每平方米電池板冷卻只需要0.3公斤凝膠。但不論哪種應(yīng)用場景，冷凝水式太陽能電池板的溫度都下降了10℃。

在戶外測(cè)試中，通過該方法改進(jìn)后的太陽能電池板發(fā)電量平均增加了15%，最高增加了19%，他們認(rèn)為風(fēng)力可能會(huì)增強(qiáng)冷卻效果。針對(duì)雨水會(huì)溶解凝膠中的氯化鈣鹽，削弱其吸水性能的問題，該研究團(tuán)隊(duì)目前正在研發(fā)第二代凝膠，據(jù)稱這種凝膠即使遇水也不會(huì)降解。而他們的另一個(gè)設(shè)計(jì)方案，是在水蒸發(fā)后設(shè)置一個(gè)收集和再冷凝水的裝置，這些水可用來清潔太陽能電池板上積聚的灰塵，或者可以儲(chǔ)存起來供飲用，解決干旱地區(qū)的用水需求。


原標(biāo)題： 藉由“流汗”散熱，提高太陽能電池板發(fā)電效率