邹武威博士生Energ. Convers. Manage.: 增强水凝胶的内部导热性以实现有效的光伏板被动散热

2024年4月15日，《Energy Conversion and Management》（中科院1区, IF: 9.9）杂志刊登了课题组邹武威博士生的最新成果：Enhancing the internal thermal conductivity of hydrogel for efficient passive heat dissipation: Experimental study of a surface simulating a cooled photovoltaic panel.
(https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118328）

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

光伏组件吸收的太阳能中，超过75%的能量以热能形式耗散，导致光伏组件运行温度显著升高。过高的温度会对光伏组件的转换效率及其使用寿命产生不利影响。因此，开发高效的冷却技术对于提高光伏组件的性能和稳定性至关重要。本研究提出了一种基于蒸发冷却的被动冷却强化策略，旨在解决光伏组件的热管理问题。该策略设计了一种由金属肋片和吸湿性水凝胶组成的复合散热结构，该结构能够有效强化水凝胶内部的传热，进而促进水分蒸发，提升冷却效果。吸湿性水凝胶通过从周围环境中吸收水分，实现自我再生，从而确保冷却系统的持续有效运行。

【核心内容】

(1) 肋片-吸湿性水凝胶复合结构的制备和测试装置

图1展示了氯化锂-聚丙烯酰胺(Li-PAM)吸湿水凝胶和肋片-氯化锂-聚丙烯酰胺(Fin-Li-PAM)复合结构的制备方法。水凝胶通过原位自由基聚合的方法进行制备（其中丙烯酰胺(AM)作为聚合单体，过硫酸钾(KPS)作为引发剂，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)作为交联剂，四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂）。
在Fin-Li-PAM冷却效果测试的实验中，采用了加热片用于模拟光伏组件，能够提供超过1000 W m^-2的热流；热像仪用于记录Fin-Li-PAM的表面温度；热电偶用于监测加热片背面温度。同时，也对比了Fin-Li-PAM与其他三种散热结构的冷却效果。

(2) Li-PAM水凝胶性能表征

水凝胶的微观和宏观结构如图2所示。PAM水凝胶具有多孔结构，这不仅促进了水分的吸收与扩散，也有利于功能性材料的负载，从而实现水凝胶性能的改善与优化。溶胀后的PAM水凝胶呈透明状，具有良好的机械性能。负载LiCl后，水凝胶的透明度下降，同时吸湿性能得到了提升。从图中可以看到，金属肋片具有密集排列的齿状肋片，Li-PAM水凝胶填充在肋片周围的空隙中，这极大地强化了水凝胶内部的传热。

图2. Li-PAM水凝胶的表征。(a) PAM水凝胶的SEM图像。(b) 溶胀后的PAM水凝胶。(c) 浸泡30wt%LiCl溶液48小时后的Li-PAM水凝胶。(d) 金属肋片结构。(e) Fin-Li-PAM复合结构。

研究了Li-PAM水凝胶的吸附动力学。通过对比不同浓度的Li-PAM水凝胶，分析LiCl负载量对于水凝胶溶胀、吸附和脱附性能的影响，并得到LiCl溶液的最优浓度。如图3所示，由于盐析效应，PAM水凝胶的溶胀率随着LiCl浓度的增加而下降，而其保水能力相应提升。Li-PAM的吸湿能力随着LiCl浓度的增加而上升，但过量的LiCl导致水凝胶溶胀率的下降，进而削弱了其吸湿能力。因此，30wt%的LiCl溶液被认为是PAM水凝胶负载LiCl的最优浓度。此外，经过7次脱附/吸附循环实验后，Li-PAM仍然表现出良好的脱附、吸附性能，具有良好的耐久性。

图3. Li-PAM水凝胶的吸附动力学。(a) PAM水凝胶在不同浓度LiCl溶液中的溶胀率。(b-c) 脱附性能。(d-e) 吸附性能。(f) 循环脱附/吸附测试。

(3) Fin-Li-PAM复合结构冷却性能实测

比较了裸露加热片、肋片-加热片、水凝胶-加热片以及肋片水凝胶-加热片四种结构的冷却效果。图4显示了在1000 W m^-2的热流下，四种散热结构表面的温度变化。相比于裸露加热片和肋片表面温度的迅速升高，两种水凝胶结构的表面温度变化较为平缓。此外，得益于良好的内部传热，Fin-Li-PAM复合结构的表面温度低于Li-PAM水凝胶，这表明前者具有更强的散热效果。

四种结构中，Fin-Li-PAM复合结构凭借高效的蒸发冷却，具有最优的散热效果（如图5所示）。在一小时的散热测试中，采用Fin-Li-PAM复合结构的加热片背面温度最低，相较于裸露加热片，实现了∼23°C的温降。同时，Fin-Li-PAM表面与加热片背面的温差仅为∼1°C，而Li-PAM结构则超过了10°C，这表明肋片显著提高了水凝胶的内部传热，有效强化了从热源到水凝胶表面的热传递，进而促进了水分的蒸发。在长期散热测试中，Fin-Li-PAM表现出持久有效的冷却效果，即使在十小时散热后，仍然实现了∼16°C的温降。Fin-Li-PAM的蒸发冷却功率在首小时达到峰值400 W m^-2，十小时平均冷却功率为185 W m^-2。再生实验表明，脱水后的Fin-Li-PAM在经过14小时吸湿后可以完全再生。

图5. 冷却性能实测。(a) 四种散热结构冷却效果对比。(b) Fin-Li-PAM复合结构十小时散热测试。(c) Fin-Li-PAM逐时蒸发水量及蒸发冷却功率。(d) Fin-Li-PAM脱水后的再生实验 (26 °C，∼80 % RH)。

【成果小结】

本研究提出了一种基于高效蒸发冷却的光伏热管理策略。通过将吸湿性水凝胶与金属肋片结合，强化了水凝胶的内部传热，促进了水分蒸发，提高了蒸发冷却效果。不同浓度的Li-PAM水凝胶吸附动力学实验表明，30wt%的LiCl溶液能够最有效地提高其吸湿性。进一步的冷却测试表明，Fin-Li-PAM复合结构不仅展现出高效、持久的冷却效果，同时还具备良好的循环再生性能，提高了其在实际应用中的持续性。本研究不仅为光伏热管理提供了新的解决方案，而且对于促进清洁能源生产和应对气候变化具有重要意义。

【作者介绍】

邹武威：清华大学建筑技术科学系博士生

该论文的第1作者是清华大学建筑技术科学系博士生邹武威，他致力于水凝胶吸湿及其相关能源管理研究，已在Engineering（中国工程院院刊），Energy Conversion and Management发表第一作者论文2篇，申请发明专利1项。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉。韩闯博士后（现在松山湖材料实验室从事研究工作）、田恩泽博士（现为松山湖材料实验室副研究员）参与了这项工作。

本文引用格式

Zou, W., Ji, M., Han, C., Tian, E., Mo, J. Enhancing the internal thermal conductivity of hydrogel for efficient passive heat dissipation: Experimental study of a surface simulating a cooled photovoltaic panel. Energy Conversion and Management, 2024, 306, 118328.

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52078269, 52325801）资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118328

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