《Nat. Commun.》: 专注结构设计！ 高效仿生混合多发电PV叶片！

研究背景

到目前为止，全球可再生能源技术的增长和新投资最高的是太阳能部门，特别是光伏(PV)系统，过去5年(2017-2021年)的平均年增长率接近24%。全球光伏装机容量在20201年超过700千兆瓦，预计在20502达到约22TW，这是到2050年实现无碳电力供应计划的一部分。PV电池通常对一部分太阳光谱(例如单结硅电池的300-1100 nm)很敏感，商业PV电池板只将入射太阳能的10%-25%转化为电能。其余不可用的太阳能，占入射能量的70%以上，在PV电池4中以余热的形式消散，导致其工作温度上升。因此，在炎热和阳光明媚的条件下，PV电池的温度可以超过65°C，导致电效率显著下降。最常见的硅基PV电池板的效率通常降低4.0-6.5%，工作温度每升高10°C，其老化速度就会翻一番。因此，由于缺乏热管理，全球超过700千兆瓦的现有PV装机容量产生额外电力的巨大潜力目前已经丧失，随着全球PV装机容量继续爆炸性增长，这种损失将进一步恶化。在这种背景下，高效率和低成本的PV电池板热管理方法具有重要意义，因为这些方法将显著提高当前全球PV安装的数十千兆瓦的发电量，并有可能减少未来安装中数百千兆瓦的损失。主动热管理方法已被证明通过使用水或气流有效地从PV组件中散热，然而，它们通常需要换热结构(例如翅片结构、金属吸热器等)和/或水力结构(如管道和泵)，这带来了设计、安装和操作的复杂性以及额外的费用，并与驱动冷却剂流动的寄生电力消耗有关。另一方面，被动热管理方法，其中最常见的依赖于自然对流冷却，通常具有较简单的结构，但也限于较低的冷却速度。另一种被动热管理方法是基于亚带隙反射，能够使硅单元冷却~4°C。近年来，先进的太阳能电池板被动热管理方法受到越来越多的关注。例如，被动辐射热管理方法采用选择性发射涂层，通过辐射将热量释放到寒冷的外层空间。这些方法在晴朗的天空下的典型制冷功率仅为40-140 W/m2，低于上述通过自然对流实现的~200-400 W/m2。辐射冷却和亚带隙反射相结合的方法可以进一步提高冷却性能。利用大气中的水，在1000 W/m2的太阳辐射下，使工作温度降低了约10℃，获得了约300 W/m2的快速被动制冷功率。

尽管最近取得了进展，但针对PV系统的更有效的热管理解决方案仍有很大的空间，如果能够通过协同利用回收的热量用于多发电目的，即提供一个或多个额外的有用能量载体，而不是将其丢弃到环境中，则会带来大量的额外好处。这对现有的PV热管理技术仍然是一个严峻的挑战，但也为从根本上提高基于PV的太阳能技术的太阳能利用效率提供了一个巨大的机遇。

研究成果

近日，英国伦敦帝国理工学院旨在执行热管理以提高PV发电性能的同时，从同一个无泵的混合太阳能集热器中联合发电、供热和清洁水。通过实施一种高效的热管理方法来实现的，该方法受到植物叶片蒸腾的启发。树木非常有效地将土壤中的水分输送到数十米(有时超过100 m)的高度进行蒸腾，以保持树叶始终凉爽，并保护它们最重要的功能，即光合作用过程。这些天然的解决方案特别有希望，因为它们能够将叶温保持在一个稳定的范围内，无论天气如何。蒸腾作用在自然界的水循环和淡水产生中也起着重要作用，特别是在热带雨林地区。在这项研究中，提出了一种受生物启发的混合多代PV叶片(PV-leaf)，其具有：(i)一种仿生蒸腾结构，具有特殊的设计和材料选择(竹纤维和堆叠式水凝胶电池)，可以被动地将水从单独的水箱流动到太阳能电池，而不需要水泵；(ii)用水覆盖整个电池区域，并在集热器内高效地蒸发水，以捕获清洁的水蒸气，并对同一组件的电能进行高效模拟加热。实验证明，PV叶片的蒸腾性能能够消除PV电池75%(590 W/m2)的热量，与独立的PV电池相比，PV电池的运行温度显著降低约26°C。研究表明，PV叶片具有被动控制能力，可适应不同的环境温度，并且对使用不同的工作液(如水和盐水)具有很强的兼容性。重要的是，PV叶片能够协同利用PV热能生产额外的淡水和热能，显著提高整体太阳能利用效率，从13.2%提高到74.5%(约为独立PV电池的5-6倍)。本文介绍了混合多代PV-leaf的概念，包括包括仿生蒸腾结构在内的概念验证PV叶片的设计细节，并报告了不同工作条件下的蒸腾性能以及PV叶片在电力、热能和清洁水联合供应方面的多代性能的室内外测试结果。仿生蒸腾结构是由负担得起的、现成的和环境友好的材料构建的，使这些系统能够大规模生产，并在经济和环境方面与现有技术竞争。该研究工作以题为“High-efficiency bio-inspired hybrid multi-generation photovoltaic leaf”的论文发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

图文速递

如图1a所示，典型的植物叶片结构包括光合作用细胞、维管束(脉)、海绵细胞和气孔、角质层和表皮。在植物内部，液态水从土壤到树叶的流动是由毛细管力和渗透压驱动的。然后，叶片维管束中的微通道负责并高效地在整个叶片中移动和分配水分。然后，在蒸腾过程中，水分在细胞表面蒸发。受天然叶片的有效蒸腾过程和结构的启发，该研究为PV叶片设计了一种仿生蒸腾结构，如图1b所示。在这个设计中，仿生蒸腾(BT)层被连接到太阳能PV电池的背面，以消除电池中产生的热量。天然竹纤维束被用来模拟维管束在细胞表面传输和分布液态水，而具有大比表面积和良好吸水性能的水凝胶单元被用来模拟海绵单元以提供有效的蒸发。图1c 显示PV叶片蒸腾结构的配置，它包括一个BT层(约1 mm厚)和一个连接到PV电池层(约150μm厚)下面的支撑网(0.5 mm厚)，有效面积为10×10 cm2。在BT层，大约30根竹子纤维束均匀地嵌入聚丙烯酸钾(PAAK)高吸水性聚合物(SAP)水凝胶单元中，将水分布在BT层覆盖的整个区域。纤维树枝的末端聚集在一起，浸泡在水中。PV叶片内部的主要能量和质量传递过程的概述如图1d所示。PV电池将电能和内(热)能转换成电能和内(热)能。然后，热量从PV电池传导到SAP水凝胶电池，该水凝胶电池紧密地附着在PV电池的背面，以促进良好的热接触。SAP水凝胶单元中的水分子获得了足够的动能来克服分子间的氢键，使它们能够蒸发，从而消除热能。在SAP聚电解质水凝胶单元形成的毛细和渗透作用的推动下，液态水从水箱持续流向SAP水凝胶单元，以补充蒸发损失的水分。如图1e所示，构建了一个概念验证的PV叶片原型，其有效PV面积为10×10 cm2，并覆盖了0.7mm厚的高透射率玻璃层。

PV叶片的蒸腾性能在太阳模拟器下进行了测试，其中G =1000 W/m2(通过日射强度计测量)，无风，然后与相同材料的独立PV电池进行比较。独立的PV电池也被0.7mm厚的高透射率玻璃层覆盖和保护。实验室测试平台的结构所示，实验室的环境温度和相对湿度分别为33.5℃和10%。如图2b所示，独立的PV电池的温度达到68.8°C，而采用仿生蒸腾冷却的PV叶片的温度仅为43.2°C，从而显著降低了工作温度(~26°C)。在毛细管驱动的液态水的持续补充下，仿生蒸腾过程稳定，在约t=1000时，PV叶片温度达到稳定值。蒸腾速率先增加，然后稳定在1.1L/h/m2左右，如图2c所示，其中蒸腾速率定义为单位收集面积的(体积)蒸腾速率(或输送液态水的流量)。值得注意的是，蒸腾速率随着PV叶片工作温度的增加而显著增加。工作温度和蒸腾速率之间的这种相互作用可以有效地控制PV叶片的温度，并有助于在短暂的瞬变后稳定这一温度。令人感兴趣的是，本研究中的实验是在无风的实验室环境中进行的，由于室外环境中的对流和风速的影响，预计PV叶片的温度将进一步降低。为了进一步了解不同实验变量(即风速、相对湿度、水箱温度和BT层厚度)的作用，开发了一个3-D模型，并与实验结果进行了验证。模拟结果表明，当风速高于1.5 m/s时，PV叶片的温度可以低于环境温度。还显示了相对湿度和水箱温度对PV叶片制冷性能的影响。当相对湿度从10%增加到100%时，温度降低(即PV叶片和独立PV电池之间的温差)几乎线性地从~26°C下降到0°C。非绝热水箱的温度接近环境温度，对制冷性能影响不大。受益于PV电池在其他类似条件下相对于独立PV电池较低的工作温度，可以从图2d中观察到PV叶片的电性能曲线趋于更高的值，具体地说，随着开路电压从0.58V增加到0.63V，填充因数从0.75增加到0.77，电效率从13.2%增加到15.0%，如图2e所示。与独立的PV电池相比，PV叶片的开路电压和电效率分别提高了8.6%和13.6%，如图2f所示，证明了PV叶片概念的显著优势。

自然叶片的蒸腾速率是被动控制的，以最小的耗水量保持叶温在一系列环境条件下的稳定。在24.1℃和33.5℃两种不同的环境温度下对PV叶片进行了测试，研究了PV叶片的被动控制效果。图3b显示了在较低的环境温度(24.1°C)下，独立光伏电池和参考独立光伏电池的性能，可以看到，在这些条件下，独立光伏电池达到61.0°C，而PV叶片仅在42.5°C下，蒸腾速率为0.8 L/h/m2。当环境温度从24.1°C增加到33.5°C时，独立光伏电池的温度从61.0°C增加到68.8°C，如图3c所示，即环境温度每升高9.4°C，独立光伏电池的温度增加7.8°C。有趣的是，当环境温度从24.1℃升高到33.5℃时，PV叶片的温度上升幅度较小，从42.5℃上升到43.2℃(增幅不到1℃)。随着环境温度的升高，PV叶片的蒸腾速率增加了37%(从0.8%增加到1.1% L/h/m2)，在较热的环境中提供了额外的制冷功率。因此，PV叶片能够在一定的环境温度范围内保持凉爽。PV叶片在两种不同环境温度下的温度和蒸腾速率如图3d所示，并与独立光伏电池的温度和蒸腾速率进行了比较。如图3e所示，当环境温度为24.1°C时，独立光伏电池和PV叶片的电效率分别为13.7%和15.1%，即由于应用了仿生蒸腾冷却，电效率提高了10.2%(相对值)。当环境温度从24.1°C升高到33.5°C时，独立光伏电池的电效率从13.7%下降到13.2%，而PV叶片的效率仅略有下降0.1%。当环境温度为33.5℃时，光伏电池的电效率比单独的光伏电池提高了13.6%。相对于独立的 PV 电池，PV 叶片的电效率的提高在较高的环境温度下更为显着。独立光伏电池和光伏叶在不同环境温度下的能量分配如图3f所示。当环境温度为24.1°C时，独立光伏电池产生的热量占入射太阳能的80%(即0.80G)，通过弱自然对流和辐射冷却向环境扩散。当环境温度为33.5°C时，独立光伏电池中也会产生类似的热量(0.81G)。因此，当环境温度从24.1°C增加到33.5°C时，独立光伏电池将提高到更高的工作温度，以便将这些热量分散到更热的环境中。当环境温度为24.1℃时，植物叶片蒸腾放热效果显著(0.44g)，占总蒸腾热量的56%。有趣的是，当环境温度从24.1℃增加到33.5℃时，光伏叶的蒸腾放热量从0.44G增加到0.59G，制冷功率达到590W/m2，当环境温度为33.5℃时，光伏叶的散热量占总热量的75%。当环境温度升高9.4℃时，光伏叶保持凉爽，温度略有增加<1°C。在伦敦一个阳光明媚的夏日，进行了一系列户外实验。这些室外测试结果还表明，PV叶片在真实的室外环境中可以被动地控制其蒸腾速率，并具有稳定的日(全天)降温性能。

PV叶片中的仿生蒸腾过程可以从光伏电池中去除590 W/m2，显著高于前沿辐射冷却方法(40-140 W/m2)、大气-水吸收-蒸发冷却(295 W/m2)和其他新兴的蒸发冷却方案(180-400 W/m2)，如图4所示。有趣的是，温度降低随着冷却功率的增加而线性增加。PV-叶片的运行点落在投影线上，该投影线也通过了同一图中先前的研究，表明但也证实了光伏叶概念的潜力。更详细地，并特别参考以前文献中报道的其他太阳能电池蒸发冷却设计：(i)本研究提出的叠层水凝胶电池的仿生蒸腾结构由于具有层次化的多孔结构而能够提供更有效的水传输，而目前文献中的太阳能电池蒸发冷却设计是基于均匀的多孔结构；堆叠式PAAK水凝胶电池。(ii)由于其三维蒸发结构(即水分蒸发发生在三维堆叠式电池表面上)而能够提供更有效的水蒸发，而目前的太阳能电池蒸发冷却设计是基于二维蒸发结构(即在平坦表面上蒸发)。

以水为冷却液时，PAAK水凝胶细胞饱满。值得注意的是，水可以通过水凝胶单元之间的微间隙(图5a中的红线)或通过水凝胶聚合物骨架(图5a中的黄线)流过多孔BT层。当盐水作为冷却剂时，PAAK水凝胶细胞收缩，这是由于阳离子渗透到聚合物骨架中，从而降低了阴离子-阴离子的静电斥力和渗透压差。尽管当使用盐水作为冷却剂时，放气的水凝胶单元内部的导水率是有限的，但水仍然可以有效地流过水凝胶单元之间的微小缝隙，如图5a右侧所示(红线)。图5b显示了以盐水溶液为工质时PV叶片的温度分布和蒸腾速率。在这项研究中，使用了浓度为3.5wt的氯化钠盐水溶液来模拟海水。有趣的是，盐水的降温性能和蒸腾速率都与淡水相似。使用盐水冷却剂的PV叶片有效而稳定地冷却到43.8℃，仅略高于使用水作为冷却剂时的43.2℃，这使得PV叶片在使用盐水作为冷却剂时具有兼容性，而不会显著影响其蒸腾冷却性能。淡水和盐水都能将光伏电池的工作温度从无蒸腾的~69°C降低到有蒸腾的~43°C，如图5c所示。结果表明，在以生理盐水为冷却剂的情况下，由叠层PAAK水凝胶电池制成的多孔BT结构可以有效地传输水分，确保高效的蒸腾冷却。

森林在调节世界温度和产生淡水流动方面非常重要。陆地上超过40%的降雨量来自蒸散，即土壤蒸发和树木蒸腾。热带雨林的蒸腾作用甚至对启动当地旱季向湿季的过渡至关重要。蒸腾作用不仅在太阳能光合作用的转换中起着重要作用，而且在自然界的淡水生产中也起着重要的作用，这强烈地启发了研究员探索PV叶的协同能水联产的潜力。PV叶片蒸腾结构已被证明在利用盐水进行蒸腾方面是有效的，以高效率发电。值得注意的是，蒸腾作用产生清洁的水蒸气，这些水蒸气可以通过冷凝进一步转化为淡水和热能。如图6a所示，BT层下方有一个蒸汽收集室，用于收集清洁的蒸汽。箱体内填充了保温层，以减少试验中对环境的热损失。一台小通风机被用来把蒸汽从房间里抽出来。通风风扇的功率可以调节，以控制PV叶片的性能。图6b显示了在通风风扇消耗60兆瓦功率的情况下，太阳辐照度为1000W/m2时PV叶片的温度分布和蒸腾速率。太阳电池的温度为49.9℃，Tvap界面上的水蒸气温度为48.5℃，小室通风口出口温度为44.0℃，蒸腾速率(即清洁水蒸气产生率)约为1.1 L/h/m2。图6c总结和比较了独立PV电池和PV叶片电池的输出。PV电池能产生额外的热量(以水蒸气计)，其效率为60%，而其电效率(14.5%)仍高于独立PV电池(13.2%)。PV电池的整体太阳能利用效率(电+热)达到74.5%，显著高于独立PV电池(只有13.2%)，这是因为独立PV电池除了发电外没有其他输出。除了电和热输出，大约1.1L/小时/平方米的盐水被蒸发以清洁PV叶片中的水蒸气。虽然通风风扇耗电60兆瓦，但这只占PV叶发电的4%左右。蒸汽的冷凝率不仅取决于冷凝器的换热效率，还取决于蒸汽的温度。通过改变通风风扇功率，可灵活调节PV叶片产生的蒸汽温度。随着通风功率的降低，从腔内排出的蒸汽的速率降低，导致蒸腾速率降低，从而使蒸汽温度升高，反之亦然。水蒸气温度Tvap可以调整到一个很大的范围，从~36°C到~64°C。在实验中，PV叶片的电效率和热效率以及蒸腾速率都随着工作温度Tvap的升高而近乎线性地下降。用户可以根据自己对电力、热能以及淡水的具体需求，灵活地选择自己想要的工作条件。低档热能可用于家庭采暖或生活热水预热。值得注意的是，低温蒸汽冷凝仍然是一个挑战。为了估计PV叶片的水分生产率，在图6e中总结了不同冷凝技术(即空气冷凝器、水冷凝器和辐射冷却冷凝器)的冷凝率(CR)的限制。图6e中的蒸腾速率曲线与蒸腾速率曲线的交叉点表示PV叶片的最大蒸腾速率(即水分生产率)，即使用水基冷凝器时的最大蒸腾速率约为1.1%L/h/m2。传统的PV热海水淡化系统还可以联产电力、热能和清洁水，通常由一个混合PV热太阳能集热器和一个单独的海水淡化模块组成。与传统的PV热海水淡化系统相比，PV叶片的海水淡化过程发生在PV电池下方，不需要单独的海水淡化模块。PV叶片的被动控制和自泵能力使其能够自动调节水质量流量，因此不需要额外的泵和控制单元。

结论与展望

该研究提出了一种受生物启发的PV叶片设计，该设计有可能满足PV电池板有效热管理的关键需求，同时提供更多有用的热能和淡水输出。PV叶片没有复杂的热交换器、隔膜、泵和控制系统。论证结果表明，在1000W/m2的太阳辐照度下，PV叶片内实现的仿生蒸腾结构可以从PV电池中去除~590W/m2的热量，使PV电池的温度降低~26°C，并使其输出功率显著提高~14%。与以前的蒸腾冷却研究相比，本研究中的解决方案不需要泵、控制单元、昂贵的多孔材料，并且能够将目标表面冷却到显著较低的温度，这适用于多代应用以及PV电池的热管理应用。室内和室外测试表明，PV叶片可以被动地控制其蒸腾速率，以适应不同的环境温度和太阳辐射。PV叶片在利用海水作为其工作流体方面表现出了很强的兼容性，海水远远比淡水丰富得多，而不会显著影响其热管理性能。与树木的蒸腾作用类似，PV叶片能够被动地控制蒸腾速率，以响应其内部条件和环境温度的变化。模拟结果表明，PV叶片在高温干燥气候条件下具有较好的蒸腾性能。在1000W/m2的太阳辐照度下，PV叶片还可以协同产生1.1W L/h/m2的淡水，同时将设备的电效率提高~10%，并从太阳能电池回收的热量中产生相当多的额外有用热能。假设PV发电效率为20%，一年中有100个相当于晴天的日子，如果PV电池板采用PV叶片结构，预计2050年安装的8.5万亿兆瓦PV电池板每年将产生超过400亿立方米的淡水，大大缓解全球水资源短缺的压力。该研究采用广泛可用的、低成本和环保的材料和组件来制造PV叶片的关键组件，避免了复杂和昂贵的定制，这有助于确保额外的发电量具有比额外材料和组件的成本更高的价值，并且超过补偿。具体地说，根据现有的散装价格，相对于传统的独立PV面板，PV叶片的额外蒸腾组件(水凝胶、纤维束、支撑网和管道)的资本成本估计为约1.1美元/平方米，仅为商业PV面板价格(~55美元/平方米)的约2%。因此，额外组件的回收期不到半年。根据目前的预测，到2050年，全球PV装机容量将达到22TW以上，并假设30%的PV电池板可以获得水资源作为冷却剂，PV叶片设计有望在全球范围内额外产生约650千兆瓦的电力，接近目前全球PV装机容量。作为这项工作主要范围之外的未来视角，PV叶片的概念可以升级到更大规模的收集器，在此之后，商业规模的更大的太阳能发电厂可以被分成几个小区域，分配给独立的、相互连接的PV叶片。希望这项工作有助于推动对商业相关的PV面板冷却设计以及其他系统的进一步研究，这些系统可能受益于仿生蒸腾冷却。总体而言，受生物启发的高效低成本混合动力PV叶片显示出极大的潜力，可以显著提高太阳能装置的容量，而不需要依赖复杂而昂贵的传热元件和其他组件，从而有可能同时解决能源需求增加和淡水短缺的全球挑战，并加速实现净零。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38984-7