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藉由“流汗”散热，提高太阳能电池板发电效率


一提到沙特阿拉伯 ， “石油王国”、经济富裕、旅游业发达等跃然而出 。 而换一个角度看 ， 因沙特阿拉伯境内沙漠广布 ， 其夏季最高温可达50℃以上 ， 这对长期置于户外的机电设备耐受性无疑是极大的考验 。
众所周知 ， 制约太阳能发电效率的不只有阴雨天与夜晚 ， 还有闷热、高温天气 。 因此 ， 在沙漠环境中环保地解决太阳能电池板散热问题是当务之急 ， 以免冷却所需的电力比太阳能发电量还要高 。

藉由“流汗”散热，提高太阳能电池板发电效率
本文插图

据了解 ， 太阳能电池结构基本上由P型与N型半导体结合而成 ， 这种结构称为PN接面 。 当电池吸收阳光时 ， PN接面会产生电子-电洞对（electron-hole pair） ， 在内建电场的作用下 ， 受到刺激的电子和失去电子的电洞会朝相反方向移动 ， 进而产生电流与电压；但若温度升高 ， 会加快电子-电洞对再结合速度 ， 使发电量下降 。
对此 ， 沙特阿拉伯阿布都拉国王科技大学（KAUST）认为 ， 环境因素造成的问题 ， 就用自然原理解决 。 对此 ， 他们已经为太阳能电池板研发出冷却系统 ， 成功冷却太阳能电池板并提高了19%的发电效率 。
最初 ， 他们决定用氯化钙来解决该问题 ， 但氯化钙中一半的原料为盐 ， 它极易吸湿潮解 ， 也易溶于水 。 基于此 ， 他们通过氯化钙、纳米碳管研发出新型聚合物凝胶 ， 当接触到湿气 ， 凝胶就会吸收钙盐与水分渐渐胀大 ， 而在聚合物结构中的纳米碳管不仅可以吸热 ， 还能让聚合物不断循环吸水与排水的过程 。
户外测试后 ， 他们发现这些凝胶会在闷热的夜晚中吸收水分 ， 然后在白天艳阳高照时释放水气 ， 就好像人们藉由“流汗”来散发热量一样 。 研究人员指出 ， 这种新型凝胶可以黏在各种地方 。 当把凝胶黏在太阳能电池板背面后 ， 凝胶释放储存的水分就可以帮太阳能电池面板降温10℃左右 。
值得注意的是 ， 或许是户外热传导与质量传导改善有关 ， 他们发现太阳能电池板效率提高的幅度达13%~19% 。 研究人员认为 ， 这种冷却技术应用潜力大 ， 且应用范围广泛 ， 适用于各种环境 。
藉由“流汗”散热，提高太阳能电池板发电效率
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事实上 ， 凝胶并不是新鲜事物 。 为提高温度持续攀升下太阳能发电的能量输出 ， 近年来研究人员发现了一种材料 ， 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 ， 最好的就是这种凝胶——聚合物中的碳纳米管与氯化钙盐的混合物 ， 白天凝胶从太阳能电池板中吸收热量释放水蒸气 ， 蒸发的水进而冷却太阳能电池板 。
据统计 ， 全球有超过600GW的太阳能发电能力 ， 满足了全球3%的电力需求 ， 这一产能在未来10年预计还将增长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%的太阳能转化为电能 ， 其余大部分转化成了热量 ， 可使电池板升温40℃ 。 每当温度超过25℃ ， 面板的效率就会下降 。
几十年前 ， 人们发现用水冷却太阳能电池板可以提高其转化效率 ， 但水冷系统装置需要大量的水以及储罐、管道和泵 ， 在干旱地区或缺乏基础设施的发展中国家 ， 这几乎没有可行性 。 而凝胶则是一种简单、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 。
无独有偶 ， 香港理工大学环境工程师也尝试将冷凝水用作太阳能电池板的冷却剂 ， 其基本原理与上述一致 。 此外 ， 他们发现冷却太阳板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 。 但不论哪种应用场景 ， 冷凝水式太阳能电池板的温度都下降了10℃ 。


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