第一作者：毛正义 香港城市大学博士后研究员
通讯作者：杨洪兴 香港理工大学教授； 王其梁 英国诺丁汉大学欧盟“玛丽·居里”学者；吕坚 香港城市大学讲席教授
引言
光伏发电在全球可再生能源占比巨大。但光伏板过热问题不仅严重损害光伏发电效率还会损害光伏板使用寿命。港城大吕坚院士/港理工杨洪兴教授/诺丁汉王其梁博士合作，在前期Nat. Water, 2024, 2, 93-100工作的基础上，提出了一种被动冷却策略，使用超冷却贴片（UCP），能够有效降低光伏面板的温度，实现近700 W m⁻²的卓越冷却能力，并回收超过70%的废热用于淡水生产。UCP的灵活性和粘附特性使其能够与各种光伏配置（包括柔性面板）轻松集成。此外，UCP还可以重构为各种散热结构，从而调整热传导路径。这种被动式设计增强了光伏面板的散热性能，进一步提升了冷却效果。因此，光伏面板的温度降低了29℃，从而使最大功率密度显著提高。此外，对约1 m²光伏面板的户外实验验证了其冷却性能和实际应用性。这项研究提供了一种具有商业潜力的解决方案，以应对能源与水资源危机，因其高效率、可扩展性和成本效益。
图1. UCP结构示意图。
UCP由三层结构组成：大气水收集器（AWH）、热调节层和粘合层（见图1a）。AWH采用具有对齐通道和相互连接孔隙的水凝胶制成。经过吸湿材料的加载，AWH能够通过这些低曲折度通道快速吸收空气中的水分。热调节层负责调整快速热传导路径。底部的粘合层使UCP能够紧密可逆地附着在各种基材上。其灵活性和粘合特性显著简化了UCP的安装，使其能够应用于柔性光伏材料（见图1b）。此外，UCP还可以重新塑造成鳍片状几何形状，以扩大界面面积，并进一步调节热传导路径，从而增强被动散热（见图1c）。
图2. 制备和表征。
竖直互联孔结构实现了高效传质，利于快速空气取水与蒸发散热。黏附层表现出优异和可重复的粘附性能。
图3. UCP的被动冷却性能。
通过对照组设计，证明冷却贴片对光伏板良好的降温效果，实现了长久有效的被动光伏热管理，显著提高了光伏板的产电性能。
图4. 重构UCP增强换热实现高效光伏降温增产
利用冷却贴片的柔性与粘附性，重构冷却贴片结构，实现了被动增强的热交换。重构结构增加了散热与传热面积，热调节层快速传热，被动提高了冷却贴片的散热性能，进一步增强了光伏的产电表现。
图5. 光伏冷却贴片的户外测评
对冷却贴片进行放大与户外实验测试。结果表明，该冷却贴片在实际应用中对光伏板具有良好的降温增产效果，同时可以有效收集淡水。基于上述优势，该技术正在进行大面积，在高效光伏热管理领域展现出良好的应用前景。尽管该研究带来一定进展，但实际应用中还需考虑更多的因素，例如产电-产水性能的权衡、材料成本和应用场景（温度、湿度）等的影响。
香港研究资助局（RGC）策略专题研究（STG）（STG2/P-705/24-R）为第一支持项目，该成果还受到香港创新HTH官网地址 署（ITS/199/23）、中科院香港联合实验室（JLFS/E-102/24）和广东省HTH官网地址 合作项目（2023B1212120008）等的基金支持。
文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202505002
通讯作者简介：
吕坚院士：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，西安交通大学、东北大学、北京HTH官网地址 大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程HTH官网地址 奖。已取得84项欧、美（50项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry, Nature Water， Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials, JACS, Angew. Chem. JMPS， Acta Materialia 等专业杂志上发表论文580余篇，引用五万余次。个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian
王其梁博士，2019年博士毕业于中国科学技术大学，曾任香港理工大学研究助理教授，现为英国诺丁汉大学欧盟“玛丽·居里”学者, 入选国家高层次青年人才和中科院青年人才计划。主要从事太阳能高效转换利用、太阳能海水淡化、太阳能建筑等领域的研究工作，在国际知名能源期刊发表学术论文80余篇，其中已第一/通讯作者在Nat. Water、Nat. Cities、Adv. Mat.、ACS Nano、Innovation Energ.、Adv. Sci.、Appl. Energy等能源权威期刊发表论文40余篇，授权中国和美国专利共18项。获国际可持续能源技术协会创新奖(WSSET Innovation Award)、日内瓦国际发明展特别金奖、中科院院长特别奖、Sustainable Building Energy Engineering先锋青年科学家奖、全国大学生年度人物提名奖等荣誉；目前担任Appl. Energy、Innovation、Nexus、Carbon Neutrality、Int. J. Photoenergy等国际期刊编委或青年编委职务。
杨洪兴教授，香港理工大学建筑环境与能源工程学系教授，博士生导师，国际期刊《Applied Energy》的高级编辑和香港工程师学会的资深会员。主要从事可再生能源利用和建筑节能的教学和前沿课题研发，包括城市供水网络微水电技术，建筑管道发电技术，太阳能光伏一体化技术，太阳能空调技术，风能开发技术，风光互补蓄能技术，地源热泵空调技术和间接蒸发冷却技术等。作为课题主要负责人完成了60多个研发项目，获得超过4000万港币资助，包括国家和香港特区政府及工业界的研究经费资助，如香港研究资助局、香港创新HTH官网地址 署、香港建造业议会、国家自然科学基金、国家科委、香港学者协会等。与工业界及政府部门有紧密的研发合作，包括新鸿基、信和、中电、港灯、大族激光、中建、日新HTH官网地址 、机电工程署、水务署、渠务署和房屋署等。发表著作7部，论文500多篇，包括300多篇SCI期刊论文，是2016—2020年科睿唯安高被引学者，也是今年斯坦福大学透过Scopus公布的“能源”领域“全球前 2% 頂尖科學家”学者之一。荣获国家教育部科学技术二等奖和多个日内瓦发明金奖。
