仿生霧收集-溫敏水凝膠協同光伏自主蒸發冷卻

論文信息：Liu Y, Qin G, Zheng X. Autonomous Evaporative Cooling of Solar Photovoltaics Panels Achieved by a Bio-Inspired Fog-Harvesting Composite for Arid Regions. Small. 2026 Jun 26:e74349.

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.74349

研究背景

在全球能源轉型背景下，太陽能光伏已成為可持續發電的支柱技術，干旱半干旱地區因日照充沛、土地廣闊被視為大型光伏電站的理想部署地。然而這類區域同時面臨極端高溫挑戰——強太陽輻照與光伏本征光熱轉換可使組件溫度較氣溫抬升 20–40°C，而晶硅電池在 STC（25°C）之上每升高 1°C 功率轉化率下跌約 0.4%–0.5%。長期過熱還會加速封裝黃變、脫層與焊帶疲勞，抬高平準化度電成本。

現有 PV 冷卻策略在干旱區各有掣肘：主動式風冷/液冷雖降溫強（液冷可達 ~29°C、效率增益 >10%），但寄生能耗高、需泵閥管路，且液冷耗水在沙漠屬稀缺資源；被動式輻射冷卻、相變材料（PCM）、導熱翅片等雖免運維能耗，但峰值冷卻功率有限，且多數難以將組件溫度壓至環境溫度以下——而這正是效率大幅躍升的關鍵。蒸發冷卻借助水的高汽化潛熱效能突出，但傳統方案依賴外供水，干旱區先天不成立。

研究內容

仿甲蟲親疏水圖案化集霧網（CuO@PTFE）：集霧單元以銅網為基底，經 420°C 煅燒 6 h 原位生長 CuO 納米顆粒與 ~5 μm Cu?O 納米線（SEM 可見），表面能從 Cu 的金屬態抬升至 CuO/Cu?O 的極性態，水接觸角由原始 Cu 網的 111.6° 降至近 0°（超親水）。隨后在背面浸涂 PTFE 分散液，160°C 固化后 PTFE 側 WCA 達 134.0°，形成"CuO 親水捕獲區 + PTFE 疏水輸運區"的圖案化對比潤濕表面。PTFE 層由 ~200 nm 直徑、~400 nm 長的纖維棒狀網絡構成，利于困氣減粘，使捕捉的霧滴在重力下快速合并、滑移、脫落。

定制霧發生系統（300 mL/h）測試 5 min 冷凝形貌：純 Cu 網（疏水）僅掛零星小滴；純 CuO 網（超親水）雖捕得多但強黏附難脫落；CuO@PTFE 網兼顧捕獲與脫附，集霧速率達 83.06 mg·cm?2·h?1，較純 CuO 網（40.31）提升逾一倍，且 10 次循環、力學承重測試后性能無明顯衰減。制備僅需"煅燒+浸涂"兩步，較梯度潤濕仙人掌刺、周期性凸起的蜘蛛絲等仿生策略更易放大
圖1示意圖說明了自持FC-HECPV冷卻系統的工作原理，該系統結合了仿生霧收集和temperature-triggered蒸發冷卻。該系統通過圖案化的hydrophilic-hydrophobic網捕獲大氣水分，并通過集成在PV背面的熱響應水凝膠層調節水釋放，從而實現連續冷卻，無需外部水或能量輸入。

圖2（a）Cu、CuO和CuO@PTFE網格的宏觀表面照片和相應的WCA測量值。（b）揭示每種網格類型的表面微觀結構的SEM圖像。（c）識別Cu和CuO網格結晶相的XRD圖譜。（d）以300毫升/小時的速度噴霧后5分鐘在三個網格表面捕獲的水滴聚集的形態。（e）在300毫升/小時的霧噴霧下，每個網格收集的累積水團。（f）網格的水收集率作為霧噴霧強度的函數。

溫敏吸濕水凝膠（HPC-PVA-CNT-LiCl）：水凝膠層貼附 PV 背板，承擔"儲水-按需放水-蒸發冷卻"三重功能。配方設計：羥丙基纖維素（HPC）為溫敏基體（LCST 型，低溫親水、高溫疏水），聚乙烯醇（PVA）為親水改性劑兼交聯增強，碳納米管（CNT）提導熱，LiCl 晶體為強吸濕鹽。HPC 在 25°C 的 WCA 僅 51.8°，50°C 升至 130.5°（跨越低臨界溶解溫度 LCST）；摻 50 wt% PVA 后 25°C WCA 壓至近 0°，50°C 回落至 82.2°——即室溫超親水利于吸濕、高溫仍保有明顯親-疏轉變，實現溫度自適應水管理。FTIR 中 -OH 伸縮峰由 HPC 的 3452 cm?1 移至復合物的 3303 cm?1，證實 HPC-PVA 間氫鍵交聯。

SEM 顯示 HPC-PVA 呈 ~100 μm 孔徑的多孔架構，LiCl 晶體彌散分布于孔內（孔內晶體因潮解呈圓潤狀，孔外保留棱角）。Raman 探針 -OH 伸縮區分三類水：結合水（BW）、中間水（IW）、自由水（FW）。25°C（低于 LCST）下 IW 與 FW 并存，HPC 羥基與水強氫鍵→高吸附；50°C（高于 LCST）下 HPC 鏈間氫鍵斷裂、甲基等疏水基團外露→IW 銳減、FW 增多，對應脫附/放水。7 次吸-脫附循環無鹽析、無 LiCl 遷移，22% RH 下吸濕量穩定于 ~21 wt%。

水凝膠厚度定為 8 mm——過薄儲水不足以支撐全日蒸發，過厚增重且熱阻拖累響應速度，8 mm 為儲水/熱阻/重量的折中。

圖3（a）制備的水凝膠涂層的物理外觀。（b）水凝膠涂層與PV基材結合的粘附強度測試。（c）揭示水凝膠內部微觀結構和孔隙率的SEM圖像。（d）在具有不同PVA含量的水凝膠上測量的WCA，在25℃和50℃下進行評估，以評估temperature-dependent潤濕性。（e）水凝膠在不同溫度下的拉曼光譜分析，突出水狀態和分子相互作用的變化。（f）在22%RH下評估的水凝膠涂層的循環吸附-解吸性能（8小時吸附，4小時解吸）。（g）FC-HEC系統在不同霧噴霧速率（0-300 mL/h）下的吸水能力22%RH。（h）環境相對濕度（22-40%RH）對300 mL/h噴霧后吸水性能的影響。（i）FC-HEC系統與文獻報道的其他吸濕材料的吸濕性能比較。

實驗室性能驗證在1-sun輻照下，FC-HEC系統展現出顯著冷卻效果：無霧條件下因儲水有限，4 h后冷卻失效；霧通量300 mL/h時，峰值降溫達20.4°C，穩態降溫16.8°C，冷卻功率達591.5 W·m?2。電性能測試表明，系統使PV最大輸出功率提升7.58%。水賬核算證實，日間蒸發耗水可由夜間集霧完全補償，實現閉環自治。

圖4集成PV冷卻系統的實驗特征：（a）完全組裝裝置的照片；（b）顯示連續輻照下未涂層聚乙烯板表面溫度變化的熱成像序列；（c）在300毫升/小時霧噴霧速率下用混合系統冷卻的面板的相應紅外圖像；（d）不同操作條件下PV面板的溫度分布，以及輻照8小時后拍攝的熱圖像；冷卻溫度是不同噴霧速率下輻照持續時間的函數；測試場景下PV面板的電力輸出；在一定范圍內評估的穩態冷卻性能摘要——包括冷卻溫度、冷卻功率和PV功率增強噴霧速率和濕度水平；（h）基于實際冷卻溫度和冷卻功率的文獻蒸發冷卻技術的比較分析。

野外十日實地測試：在中國吐魯番、鄂爾多斯、赤峰三個典型干旱區開展10天連續戶外測試。結果顯示，系統運行穩定，86.6%的測試日平均晝降溫超過7.0°C，整體平均晝降溫 >8.0°C。以吐魯番為例，峰值日裸PV表面溫度達73.9°C，FC-HEC組僅為58.1°C，9:00–16:00峰值時段效率提升6.35%。系統適用邊界為：最低RH ~22%，最佳霧通量 ≥300 mL/h。 技術特征對比：六維雷達圖對比顯示，FC-HEC系統兼具被動冷卻的低能耗、免維護優勢與接近主動冷卻的高效能，突破了傳統蒸發冷卻在干旱區的應用瓶頸。雖初始成本略高于純被動翅片，但憑借顯著的發電增益，投資回收期較短。

圖5（a）在吐魯番、鄂爾多斯和赤峰進行了10天的室外測試，連續記錄了太陽能強度和相應的冷卻溫度。（b）平均日冷卻性能的統計分布（箱圖），說明了三個地理位置的一致性。（c）評估不同PV冷卻技術在冷卻效果、成本和用水量等六個關鍵性能指標方面的比較雷達圖。

結論與展望

本研究開發的FC-HEC系統成功將仿生集霧與溫敏水凝膠技術融合，實現了干旱區PV在無外水源條件下的自主高效冷卻。實驗室峰值降溫20.4°C，野外平均降溫超8.0°C，功率提升約7%。該技術為干旱區光伏電站提供了一種零耗水、免維護的熱管理新范式。未來工作將聚焦于超干旱環境適應性優化、大面積制備工藝開發（如刮涂法、網版拼接）及長期戶外耐久性驗證，以推動其工程化應用。