研究背景

到目前為止，全球可再生能源技術(shù)的增長(zhǎng)和新投資最高的是太陽(yáng)能部門，特別是光伏(PV)系統(tǒng)，過(guò)去5年(2017-2021年)的平均年增長(zhǎng)率接近24%。全球光伏裝機(jī)容量在20201年超過(guò)700千兆瓦，預(yù)計(jì)在20502達(dá)到約22TW，這是到2050年實(shí)現(xiàn)無(wú)碳電力供應(yīng)計(jì)劃的一部分。PV電池通常對(duì)一部分太陽(yáng)光譜(例如單結(jié)硅電池的300-1100 nm)很敏感，商業(yè)PV電池板只將入射太陽(yáng)能的10%-25%轉(zhuǎn)化為電能。其余不可用的太陽(yáng)能，占入射能量的70%以上，在PV電池4中以余熱的形式消散，導(dǎo)致其工作溫度上升。因此，在炎熱和陽(yáng)光明媚的條件下，PV電池的溫度可以超過(guò)65°C，導(dǎo)致電效率顯著下降。最常見的硅基PV電池板的效率通常降低4.0-6.5%，工作溫度每升高10°C，其老化速度就會(huì)翻一番。因此，由于缺乏熱管理，全球超過(guò)700千兆瓦的現(xiàn)有PV裝機(jī)容量產(chǎn)生額外電力的巨大潛力目前已經(jīng)喪失，隨著全球PV裝機(jī)容量繼續(xù)爆炸性增長(zhǎng)，這種損失將進(jìn)一步惡化。在這種背景下，高效率和低成本的PV電池板熱管理方法具有重要意義，因?yàn)檫@些方法將顯著提高當(dāng)前全球PV安裝的數(shù)十千兆瓦的發(fā)電量，并有可能減少未來(lái)安裝中數(shù)百千兆瓦的損失。主動(dòng)熱管理方法已被證明通過(guò)使用水或氣流有效地從PV組件中散熱，然而，它們通常需要換熱結(jié)構(gòu)(例如翅片結(jié)構(gòu)、金屬吸熱器等)和/或水力結(jié)構(gòu)(如管道和泵)，這帶來(lái)了設(shè)計(jì)、安裝和操作的復(fù)雜性以及額外的費(fèi)用，并與驅(qū)動(dòng)冷卻劑流動(dòng)的寄生電力消耗有關(guān)。另一方面，被動(dòng)熱管理方法，其中最常見的依賴于自然對(duì)流冷卻，通常具有較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但也限于較低的冷卻速度。另一種被動(dòng)熱管理方法是基于亞帶隙反射，能夠使硅單元冷卻~4°C。近年來(lái)，先進(jìn)的太陽(yáng)能電池板被動(dòng)熱管理方法受到越來(lái)越多的關(guān)注。例如，被動(dòng)輻射熱管理方法采用選擇性發(fā)射涂層，通過(guò)輻射將熱量釋放到寒冷的外層空間。這些方法在晴朗的天空下的典型制冷功率僅為40-140 W/m2，低于上述通過(guò)自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)的~200-400 W/m2。輻射冷卻和亞帶隙反射相結(jié)合的方法可以進(jìn)一步提高冷卻性能。利用大氣中的水，在1000 W/m2的太陽(yáng)輻射下，使工作溫度降低了約10℃，獲得了約300 W/m2的快速被動(dòng)制冷功率。

盡管最近取得了進(jìn)展，但針對(duì)PV系統(tǒng)的更有效的熱管理解決方案仍有很大的空間，如果能夠通過(guò)協(xié)同利用回收的熱量用于多發(fā)電目的，即提供一個(gè)或多個(gè)額外的有用能量載體，而不是將其丟棄到環(huán)境中，則會(huì)帶來(lái)大量的額外好處。這對(duì)現(xiàn)有的PV熱管理技術(shù)仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但也為從根本上提高基于PV的太陽(yáng)能技術(shù)的太陽(yáng)能利用效率提供了一個(gè)巨大的機(jī)遇。

研究成果

近日，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院旨在執(zhí)行熱管理以提高PV發(fā)電性能的同時(shí)，從同一個(gè)無(wú)泵的混合太陽(yáng)能集熱器中聯(lián)合發(fā)電、供熱和清潔水。通過(guò)實(shí)施一種高效的熱管理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法受到植物葉片蒸騰的啟發(fā)。樹木非常有效地將土壤中的水分輸送到數(shù)十米(有時(shí)超過(guò)100?m)的高度進(jìn)行蒸騰，以保持樹葉始終涼爽，并保護(hù)它們最重要的功能，即光合作用過(guò)程。這些天然的解決方案特別有希望，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)⑷~溫保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，無(wú)論天氣如何。蒸騰作用在自然界的水循環(huán)和淡水產(chǎn)生中也起著重要作用，特別是在熱帶雨林地區(qū)。在這項(xiàng)研究中，提出了一種受生物啟發(fā)的混合多代PV葉片(PV-leaf)，其具有：(i)一種仿生蒸騰結(jié)構(gòu)，具有特殊的設(shè)計(jì)和材料選擇(竹纖維和堆疊式水凝膠電池)，可以被動(dòng)地將水從單獨(dú)的水箱流動(dòng)到太陽(yáng)能電池，而不需要水泵；(ii)用水覆蓋整個(gè)電池區(qū)域，并在集熱器內(nèi)高效地蒸發(fā)水，以捕獲清潔的水蒸氣，并對(duì)同一組件的電能進(jìn)行高效模擬加熱。實(shí)驗(yàn)證明，PV葉片的蒸騰性能能夠消除PV電池75%(590 W/m2)的熱量，與獨(dú)立的PV電池相比，PV電池的運(yùn)行溫度顯著降低約26°C。研究表明，PV葉片具有被動(dòng)控制能力，可適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，并且對(duì)使用不同的工作液(如水和鹽水)具有很強(qiáng)的兼容性。重要的是，PV葉片能夠協(xié)同利用PV熱能生產(chǎn)額外的淡水和熱能，顯著提高整體太陽(yáng)能利用效率，從13.2%提高到74.5%(約為獨(dú)立PV電池的5-6倍)。本文介紹了混合多代PV-leaf的概念，包括包括仿生蒸騰結(jié)構(gòu)在內(nèi)的概念驗(yàn)證PV葉片的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并報(bào)告了不同工作條件下的蒸騰性能以及PV葉片在電力、熱能和清潔水聯(lián)合供應(yīng)方面的多代性能的室內(nèi)外測(cè)試結(jié)果。仿生蒸騰結(jié)構(gòu)是由負(fù)擔(dān)得起的、現(xiàn)成的和環(huán)境友好的材料構(gòu)建的，使這些系統(tǒng)能夠大規(guī)模生產(chǎn)，并在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面與現(xiàn)有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。該研究工作以題為“High-efficiency bio-inspired hybrid multi-generation photovoltaic leaf”的論文發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上。

圖文速遞

如圖1a所示，典型的植物葉片結(jié)構(gòu)包括光合作用細(xì)胞、維管束(脈)、海綿細(xì)胞和氣孔、角質(zhì)層和表皮。在植物內(nèi)部，液態(tài)水從土壤到樹葉的流動(dòng)是由毛細(xì)管力和滲透壓驅(qū)動(dòng)的。然后，葉片維管束中的微通道負(fù)責(zé)并高效地在整個(gè)葉片中移動(dòng)和分配水分。然后，在蒸騰過(guò)程中，水分在細(xì)胞表面蒸發(fā)。受天然葉片的有效蒸騰過(guò)程和結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該研究為PV葉片設(shè)計(jì)了一種仿生蒸騰結(jié)構(gòu)，如圖1b所示。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，仿生蒸騰(BT)層被連接到太陽(yáng)能PV電池的背面，以消除電池中產(chǎn)生的熱量。天然竹纖維束被用來(lái)模擬維管束在細(xì)胞表面?zhèn)鬏敽头植家簯B(tài)水，而具有大比表面積和良好吸水性能的水凝膠單元被用來(lái)模擬海綿單元以提供有效的蒸發(fā)。圖1c 顯示PV葉片蒸騰結(jié)構(gòu)的配置，它包括一個(gè)BT層(約1 mm厚)和一個(gè)連接到PV電池層(約150μm厚)下面的支撐網(wǎng)(0.5 mm厚)，有效面積為10×10 cm2。在BT層，大約30根竹子纖維束均勻地嵌入聚丙烯酸鉀(PAAK)高吸水性聚合物(SAP)水凝膠單元中，將水分布在BT層覆蓋的整個(gè)區(qū)域。纖維樹枝的末端聚集在一起，浸泡在水中。PV葉片內(nèi)部的主要能量和質(zhì)量傳遞過(guò)程的概述如圖1d所示。PV電池將電能和內(nèi)(熱)能轉(zhuǎn)換成電能和內(nèi)(熱)能。然后，熱量從PV電池傳導(dǎo)到SAP水凝膠電池，該水凝膠電池緊密地附著在PV電池的背面，以促進(jìn)良好的熱接觸。SAP水凝膠單元中的水分子獲得了足夠的動(dòng)能來(lái)克服分子間的氫鍵，使它們能夠蒸發(fā)，從而消除熱能。在SAP聚電解質(zhì)水凝膠單元形成的毛細(xì)和滲透作用的推動(dòng)下，液態(tài)水從水箱持續(xù)流向SAP水凝膠單元，以補(bǔ)充蒸發(fā)損失的水分。如圖1e所示，構(gòu)建了一個(gè)概念驗(yàn)證的PV葉片原型，其有效PV面積為10×10 cm2，并覆蓋了0.7mm厚的高透射率玻璃層。

PV葉片的蒸騰性能在太陽(yáng)模擬器下進(jìn)行了測(cè)試，其中G =1000 W/m2(通過(guò)日射強(qiáng)度計(jì)測(cè)量)，無(wú)風(fēng)，然后與相同材料的獨(dú)立PV電池進(jìn)行比較。獨(dú)立的PV電池也被0.7mm厚的高透射率玻璃層覆蓋和保護(hù)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)所示，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別為33.5℃和10%。如圖2b所示，獨(dú)立的PV電池的溫度達(dá)到68.8°C，而采用仿生蒸騰冷卻的PV葉片的溫度僅為43.2°C，從而顯著降低了工作溫度(~26°C)。在毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的液態(tài)水的持續(xù)補(bǔ)充下，仿生蒸騰過(guò)程穩(wěn)定，在約t=1000時(shí)，PV葉片溫度達(dá)到穩(wěn)定值。蒸騰速率先增加，然后穩(wěn)定在1.1L/h/m2左右，如圖2c所示，其中蒸騰速率定義為單位收集面積的(體積)蒸騰速率(或輸送液態(tài)水的流量)。值得注意的是，蒸騰速率隨著PV葉片工作溫度的增加而顯著增加。工作溫度和蒸騰速率之間的這種相互作用可以有效地控制PV葉片的溫度，并有助于在短暫的瞬變后穩(wěn)定這一溫度。令人感興趣的是，本研究中的實(shí)驗(yàn)是在無(wú)風(fēng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，由于室外環(huán)境中的對(duì)流和風(fēng)速的影響，預(yù)計(jì)PV葉片的溫度將進(jìn)一步降低。為了進(jìn)一步了解不同實(shí)驗(yàn)變量(即風(fēng)速、相對(duì)濕度、水箱溫度和BT層厚度)的作用，開發(fā)了一個(gè)3-D模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速高于1.5 m/s時(shí)，PV葉片的溫度可以低于環(huán)境溫度。還顯示了相對(duì)濕度和水箱溫度對(duì)PV葉片制冷性能的影響。當(dāng)相對(duì)濕度從10%增加到100%時(shí)，溫度降低(即PV葉片和獨(dú)立PV電池之間的溫差)幾乎線性地從~26°C下降到0°C。非絕熱水箱的溫度接近環(huán)境溫度，對(duì)制冷性能影響不大。受益于PV電池在其他類似條件下相對(duì)于獨(dú)立PV電池較低的工作溫度，可以從圖2d中觀察到PV葉片的電性能曲線趨于更高的值，具體地說(shuō)，隨著開路電壓從0.58V增加到0.63V，填充因數(shù)從0.75增加到0.77，電效率從13.2%增加到15.0%，如圖2e所示。與獨(dú)立的PV電池相比，PV葉片的開路電壓和電效率分別提高了8.6%和13.6%，如圖2f所示，證明了PV葉片概念的顯著優(yōu)勢(shì)。

自然葉片的蒸騰速率是被動(dòng)控制的，以最小的耗水量保持葉溫在一系列環(huán)境條件下的穩(wěn)定。在24.1℃和33.5℃兩種不同的環(huán)境溫度下對(duì)PV葉片進(jìn)行了測(cè)試，研究了PV葉片的被動(dòng)控制效果。圖3b顯示了在較低的環(huán)境溫度(24.1°C)下，獨(dú)立光伏電池和參考獨(dú)立光伏電池的性能，可以看到，在這些條件下，獨(dú)立光伏電池達(dá)到61.0°C，而PV葉片僅在42.5°C下，蒸騰速率為0.8 L/h/m2。當(dāng)環(huán)境溫度從24.1°C增加到33.5°C時(shí)，獨(dú)立光伏電池的溫度從61.0°C增加到68.8°C，如圖3c所示，即環(huán)境溫度每升高9.4°C，獨(dú)立光伏電池的溫度增加7.8°C。有趣的是，當(dāng)環(huán)境溫度從24.1℃升高到33.5℃時(shí)，PV葉片的溫度上升幅度較小，從42.5℃上升到43.2℃(增幅不到1℃)。隨著環(huán)境溫度的升高，PV葉片的蒸騰速率增加了37%(從0.8%增加到1.1% L/h/m2)，在較熱的環(huán)境中提供了額外的制冷功率。因此，PV葉片能夠在一定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)保持涼爽。PV葉片在兩種不同環(huán)境溫度下的溫度和蒸騰速率如圖3d所示，并與獨(dú)立光伏電池的溫度和蒸騰速率進(jìn)行了比較。如圖3e所示，當(dāng)環(huán)境溫度為24.1°C時(shí)，獨(dú)立光伏電池和PV葉片的電效率分別為13.7%和15.1%，即由于應(yīng)用了仿生蒸騰冷卻，電效率提高了10.2%(相對(duì)值)。當(dāng)環(huán)境溫度從24.1°C升高到33.5°C時(shí)，獨(dú)立光伏電池的電效率從13.7%下降到13.2%，而PV葉片的效率僅略有下降0.1%。當(dāng)環(huán)境溫度為33.5℃時(shí)，光伏電池的電效率比單獨(dú)的光伏電池提高了13.6%。相對(duì)于獨(dú)立的 PV 電池，PV 葉片的電效率的提高在較高的環(huán)境溫度下更為顯著。獨(dú)立光伏電池和光伏葉在不同環(huán)境溫度下的能量分配如圖3f所示。當(dāng)環(huán)境溫度為24.1°C時(shí)，獨(dú)立光伏電池產(chǎn)生的熱量占入射太陽(yáng)能的80%(即0.80G)，通過(guò)弱自然對(duì)流和輻射冷卻向環(huán)境擴(kuò)散。當(dāng)環(huán)境溫度為33.5°C時(shí)，獨(dú)立光伏電池中也會(huì)產(chǎn)生類似的熱量(0.81G)。因此，當(dāng)環(huán)境溫度從24.1°C增加到33.5°C時(shí)，獨(dú)立光伏電池將提高到更高的工作溫度，以便將這些熱量分散到更熱的環(huán)境中。當(dāng)環(huán)境溫度為24.1℃時(shí)，植物葉片蒸騰放熱效果顯著(0.44g)，占總蒸騰熱量的56%。有趣的是，當(dāng)環(huán)境溫度從24.1℃增加到33.5℃時(shí)，光伏葉的蒸騰放熱量從0.44G增加到0.59G，制冷功率達(dá)到590W/m2，當(dāng)環(huán)境溫度為33.5℃時(shí)，光伏葉的散熱量占總熱量的75%。當(dāng)環(huán)境溫度升高9.4℃時(shí)，光伏葉保持涼爽，溫度略有增加<1°C。在倫敦一個(gè)陽(yáng)光明媚的夏日，進(jìn)行了一系列戶外實(shí)驗(yàn)。這些室外測(cè)試結(jié)果還表明，PV葉片在真實(shí)的室外環(huán)境中可以被動(dòng)地控制其蒸騰速率，并具有穩(wěn)定的日(全天)降溫性能。

PV葉片中的仿生蒸騰過(guò)程可以從光伏電池中去除590 W/m2，顯著高于前沿輻射冷卻方法(40-140 W/m2)、大氣-水吸收-蒸發(fā)冷卻(295 W/m2)和其他新興的蒸發(fā)冷卻方案(180-400 W/m2)，如圖4所示。有趣的是，溫度降低隨著冷卻功率的增加而線性增加。PV-葉片的運(yùn)行點(diǎn)落在投影線上，該投影線也通過(guò)了同一圖中先前的研究，表明但也證實(shí)了光伏葉概念的潛力。更詳細(xì)地，并特別參考以前文獻(xiàn)中報(bào)道的其他太陽(yáng)能電池蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)：(i)本研究提出的疊層水凝膠電池的仿生蒸騰結(jié)構(gòu)由于具有層次化的多孔結(jié)構(gòu)而能夠提供更有效的水傳輸，而目前文獻(xiàn)中的太陽(yáng)能電池蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)是基于均勻的多孔結(jié)構(gòu)；堆疊式PAAK水凝膠電池。(ii)由于其三維蒸發(fā)結(jié)構(gòu)(即水分蒸發(fā)發(fā)生在三維堆疊式電池表面上)而能夠提供更有效的水蒸發(fā)，而目前的太陽(yáng)能電池蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)是基于二維蒸發(fā)結(jié)構(gòu)(即在平坦表面上蒸發(fā))。

以水為冷卻液時(shí)，PAAK水凝膠細(xì)胞飽滿。值得注意的是，水可以通過(guò)水凝膠單元之間的微間隙(圖5a中的紅線)或通過(guò)水凝膠聚合物骨架(圖5a中的黃線)流過(guò)多孔BT層。當(dāng)鹽水作為冷卻劑時(shí)，PAAK水凝膠細(xì)胞收縮，這是由于陽(yáng)離子滲透到聚合物骨架中，從而降低了陰離子-陰離子的靜電斥力和滲透壓差。盡管當(dāng)使用鹽水作為冷卻劑時(shí)，放氣的水凝膠單元內(nèi)部的導(dǎo)水率是有限的，但水仍然可以有效地流過(guò)水凝膠單元之間的微小縫隙，如圖5a右側(cè)所示(紅線)。圖5b顯示了以鹽水溶液為工質(zhì)時(shí)PV葉片的溫度分布和蒸騰速率。在這項(xiàng)研究中，使用了濃度為3.5wt的氯化鈉鹽水溶液來(lái)模擬海水。有趣的是，鹽水的降溫性能和蒸騰速率都與淡水相似。使用鹽水冷卻劑的PV葉片有效而穩(wěn)定地冷卻到43.8℃，僅略高于使用水作為冷卻劑時(shí)的43.2℃，這使得PV葉片在使用鹽水作為冷卻劑時(shí)具有兼容性，而不會(huì)顯著影響其蒸騰冷卻性能。淡水和鹽水都能將光伏電池的工作溫度從無(wú)蒸騰的~69°C降低到有蒸騰的~43°C，如圖5c所示。結(jié)果表明，在以生理鹽水為冷卻劑的情況下，由疊層PAAK水凝膠電池制成的多孔BT結(jié)構(gòu)可以有效地傳輸水分，確保高效的蒸騰冷卻。

森林在調(diào)節(jié)世界溫度和產(chǎn)生淡水流動(dòng)方面非常重要。陸地上超過(guò)40%的降雨量來(lái)自蒸散，即土壤蒸發(fā)和樹木蒸騰。熱帶雨林的蒸騰作用甚至對(duì)啟動(dòng)當(dāng)?shù)睾导鞠驖窦镜倪^(guò)渡至關(guān)重要。蒸騰作用不僅在太陽(yáng)能光合作用的轉(zhuǎn)換中起著重要作用，而且在自然界的淡水生產(chǎn)中也起著重要的作用，這強(qiáng)烈地啟發(fā)了研究員探索PV葉的協(xié)同能水聯(lián)產(chǎn)的潛力。PV葉片蒸騰結(jié)構(gòu)已被證明在利用鹽水進(jìn)行蒸騰方面是有效的，以高效率發(fā)電。值得注意的是，蒸騰作用產(chǎn)生清潔的水蒸氣，這些水蒸氣可以通過(guò)冷凝進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為淡水和熱能。如圖6a所示，BT層下方有一個(gè)蒸汽收集室，用于收集清潔的蒸汽。箱體內(nèi)填充了保溫層，以減少試驗(yàn)中對(duì)環(huán)境的熱損失。一臺(tái)小通風(fēng)機(jī)被用來(lái)把蒸汽從房間里抽出來(lái)。通風(fēng)風(fēng)扇的功率可以調(diào)節(jié)，以控制PV葉片的性能。圖6b顯示了在通風(fēng)風(fēng)扇消耗60兆瓦功率的情況下，太陽(yáng)輻照度為1000W/m2時(shí)PV葉片的溫度分布和蒸騰速率。太陽(yáng)電池的溫度為49.9℃，Tvap界面上的水蒸氣溫度為48.5℃，小室通風(fēng)口出口溫度為44.0℃，蒸騰速率(即清潔水蒸氣產(chǎn)生率)約為1.1 L/h/m2。圖6c總結(jié)和比較了獨(dú)立PV電池和PV葉片電池的輸出。PV電池能產(chǎn)生額外的熱量(以水蒸氣計(jì))，其效率為60%，而其電效率(14.5%)仍高于獨(dú)立PV電池(13.2%)。PV電池的整體太陽(yáng)能利用效率(電+熱)達(dá)到74.5%，顯著高于獨(dú)立PV電池(只有13.2%)，這是因?yàn)楠?dú)立PV電池除了發(fā)電外沒(méi)有其他輸出。除了電和熱輸出，大約1.1L/小時(shí)/平方米的鹽水被蒸發(fā)以清潔PV葉片中的水蒸氣。雖然通風(fēng)風(fēng)扇耗電60兆瓦，但這只占PV葉發(fā)電的4%左右。蒸汽的冷凝率不僅取決于冷凝器的換熱效率，還取決于蒸汽的溫度。通過(guò)改變通風(fēng)風(fēng)扇功率，可靈活調(diào)節(jié)PV葉片產(chǎn)生的蒸汽溫度。隨著通風(fēng)功率的降低，從腔內(nèi)排出的蒸汽的速率降低，導(dǎo)致蒸騰速率降低，從而使蒸汽溫度升高，反之亦然。水蒸氣溫度Tvap可以調(diào)整到一個(gè)很大的范圍，從~36°C到~64°C。在實(shí)驗(yàn)中，PV葉片的電效率和熱效率以及蒸騰速率都隨著工作溫度Tvap的升高而近乎線性地下降。用戶可以根據(jù)自己對(duì)電力、熱能以及淡水的具體需求，靈活地選擇自己想要的工作條件。低檔熱能可用于家庭采暖或生活熱水預(yù)熱。值得注意的是，低溫蒸汽冷凝仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了估計(jì)PV葉片的水分生產(chǎn)率，在圖6e中總結(jié)了不同冷凝技術(shù)(即空氣冷凝器、水冷凝器和輻射冷卻冷凝器)的冷凝率(CR)的限制。圖6e中的蒸騰速率曲線與蒸騰速率曲線的交叉點(diǎn)表示PV葉片的最大蒸騰速率(即水分生產(chǎn)率)，即使用水基冷凝器時(shí)的最大蒸騰速率約為1.1%L/h/m2。傳統(tǒng)的PV熱海水淡化系統(tǒng)還可以聯(lián)產(chǎn)電力、熱能和清潔水，通常由一個(gè)混合PV熱太陽(yáng)能集熱器和一個(gè)單獨(dú)的海水淡化模塊組成。與傳統(tǒng)的PV熱海水淡化系統(tǒng)相比，PV葉片的海水淡化過(guò)程發(fā)生在PV電池下方，不需要單獨(dú)的海水淡化模塊。PV葉片的被動(dòng)控制和自泵能力使其能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)水質(zhì)量流量，因此不需要額外的泵和控制單元。

結(jié)論與展望

該研究提出了一種受生物啟發(fā)的PV葉片設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)有可能滿足PV電池板有效熱管理的關(guān)鍵需求，同時(shí)提供更多有用的熱能和淡水輸出。PV葉片沒(méi)有復(fù)雜的熱交換器、隔膜、泵和控制系統(tǒng)。論證結(jié)果表明，在1000W/m2的太陽(yáng)輻照度下，PV葉片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的仿生蒸騰結(jié)構(gòu)可以從PV電池中去除~590W/m2的熱量，使PV電池的溫度降低~26°C，并使其輸出功率顯著提高~14%。與以前的蒸騰冷卻研究相比，本研究中的解決方案不需要泵、控制單元、昂貴的多孔材料，并且能夠?qū)⒛繕?biāo)表面冷卻到顯著較低的溫度，這適用于多代應(yīng)用以及PV電池的熱管理應(yīng)用。室內(nèi)和室外測(cè)試表明，PV葉片可以被動(dòng)地控制其蒸騰速率，以適應(yīng)不同的環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射。PV葉片在利用海水作為其工作流體方面表現(xiàn)出了很強(qiáng)的兼容性，海水遠(yuǎn)遠(yuǎn)比淡水豐富得多，而不會(huì)顯著影響其熱管理性能。與樹木的蒸騰作用類似，PV葉片能夠被動(dòng)地控制蒸騰速率，以響應(yīng)其內(nèi)部條件和環(huán)境溫度的變化。模擬結(jié)果表明，PV葉片在高溫干燥氣候條件下具有較好的蒸騰性能。在1000W/m2的太陽(yáng)輻照度下，PV葉片還可以協(xié)同產(chǎn)生1.1W L/h/m2的淡水，同時(shí)將設(shè)備的電效率提高~10%，并從太陽(yáng)能電池回收的熱量中產(chǎn)生相當(dāng)多的額外有用熱能。假設(shè)PV發(fā)電效率為20%，一年中有100個(gè)相當(dāng)于晴天的日子，如果PV電池板采用PV葉片結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)2050年安裝的8.5萬(wàn)億兆瓦PV電池板每年將產(chǎn)生超過(guò)400億立方米的淡水，大大緩解全球水資源短缺的壓力。該研究采用廣泛可用的、低成本和環(huán)保的材料和組件來(lái)制造PV葉片的關(guān)鍵組件，避免了復(fù)雜和昂貴的定制，這有助于確保額外的發(fā)電量具有比額外材料和組件的成本更高的價(jià)值，并且超過(guò)補(bǔ)償。具體地說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)有的散裝價(jià)格，相對(duì)于傳統(tǒng)的獨(dú)立PV面板，PV葉片的額外蒸騰組件(水凝膠、纖維束、支撐網(wǎng)和管道)的資本成本估計(jì)為約1.1美元/平方米，僅為商業(yè)PV面板價(jià)格(~55美元/平方米)的約2%。因此，額外組件的回收期不到半年。根據(jù)目前的預(yù)測(cè)，到2050年，全球PV裝機(jī)容量將達(dá)到22TW以上，并假設(shè)30%的PV電池板可以獲得水資源作為冷卻劑，PV葉片設(shè)計(jì)有望在全球范圍內(nèi)額外產(chǎn)生約650千兆瓦的電力，接近目前全球PV裝機(jī)容量。作為這項(xiàng)工作主要范圍之外的未來(lái)視角，PV葉片的概念可以升級(jí)到更大規(guī)模的收集器，在此之后，商業(yè)規(guī)模的更大的太陽(yáng)能發(fā)電廠可以被分成幾個(gè)小區(qū)域，分配給獨(dú)立的、相互連接的PV葉片。希望這項(xiàng)工作有助于推動(dòng)對(duì)商業(yè)相關(guān)的PV面板冷卻設(shè)計(jì)以及其他系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，這些系統(tǒng)可能受益于仿生蒸騰冷卻?？傮w而言，受生物啟發(fā)的高效低成本混合動(dòng)力PV葉片顯示出極大的潛力，可以顯著提高太陽(yáng)能裝置的容量，而不需要依賴復(fù)雜而昂貴的傳熱元件和其他組件，從而有可能同時(shí)解決能源需求增加和淡水短缺的全球挑戰(zhàn)，并加速實(shí)現(xiàn)凈零。

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