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如何同時提高太陽能電池板的發電效率和散熱

鉅大LARGE  |  點擊量:41次  |  2020年09月01日  

摘要
隨著社會的進步,科技的發展,人們對能源的需求越來越大,而現有的能源有限,需要人們不斷發展新能源,而太陽能就是一個不錯的選擇,人們開始大力發展太陽能能發電。一提到沙特阿拉伯,“石油王國”、經濟富裕、旅游

隨著社會的進步,科技的發展,人們對能源的需求越來越大,而現有的能源有限,要人們不斷發展新能源,而太陽能就是一個不錯的選擇,人們開始大力發展太陽能能發電。一提到沙特阿拉伯,“石油王國”、經濟富裕、旅游業發達等躍然而出。而換一個角度看,因沙特阿拉伯境內沙漠廣布,其夏季最高溫可達50℃以上,這對長期置于戶外的機電設備耐受性無疑是極大的考驗。


眾所周知,制約太陽能發電效率的不只有陰雨天與夜晚,還有悶熱、高溫天氣。因此,在沙漠環境中環保地解決太陽能電池板散熱問題是當務之急,以免冷卻所需的電力比太陽能發電量還要高。


據了解,太陽能電池結構基本上由p型與N型半導體結合而成,這種結構稱為pN接面。當電池吸收陽光時,pN接面會出現電子-電洞對(electron-holepair),在內建電場的用途下,受到刺激的電子和失去電子的電洞會朝相反方向移動,進而出現電流與電壓;但若溫度升高,會加快電子-電洞對再結合速度,使發電量下降。


對此,沙特阿拉伯阿布都拉國王科技大學(KAUST)認為,環境因素造成的問題,就用自然原理解決。對此,他們已經為太陽能電池板研發出冷卻系統,成功冷卻太陽能電池板并提高了19%的發電效率。


最初,他們決定用氯化鈣來解決該問題,但氯化鈣中一半的原料為鹽,它極易吸濕潮解,也易溶于水?;诖?,他們通過氯化鈣、納米碳管研發出新型聚合物凝膠,當接觸到濕氣,凝膠就會吸收鈣鹽與水分漸漸脹大,而在聚合物結構中的納米碳管不僅可以吸熱,還能讓聚合物不斷循環吸水與排水的過程。


戶外測試后,他們發現這些凝膠會在悶熱的夜晚中吸收水分,然后在白天艷陽高照時釋放水氣,就好像人們藉由“流汗”來散發熱量相同。研究人員指出,這種新型凝膠可以黏在各種地方。當把凝膠黏在太陽能電池板背面后,凝膠釋放儲存的水分就可以幫太陽能電池面板降溫10℃左右。


值得注意的是,或許是戶外熱傳導與質量傳導改善有關,他們發現太陽能電池板效率提高的幅度達13%~19%。研究人員認為,這種冷卻技術應用潛力大,且應用范圍廣泛,適用于各種環境。


事實上,凝膠并不是新鮮事物。為提高溫度持續攀升下太陽能發電的能量輸出,近年來研究人員發現了一種材料,它可以從空氣中吸收水蒸氣,并將其凝結成供飲用的液態水。其中,最好的就是這種凝膠——聚合物中的碳納米管與氯化鈣鹽的混合物,白天凝膠從太陽能電池板中吸收熱量釋放水蒸氣,蒸發的水進而冷卻太陽能電池板。


據統計,全球有超過600GW的太陽能發電能力,滿足了全球3%的電力需求,這一產量在未來10年預計還將上升5倍。大多數太陽能發電板利用硅將光能轉化為電能,但傳統的硅電池只能將20%的太陽能轉化為電能,其余大部分轉化成了熱量,可使電池板升溫40℃。每當溫度超過25℃,面板的效率就會下降。


幾十年前,人們發現用水冷卻太陽能電池板可以提高其轉化效率,但水冷系統裝置要大量的水以及儲罐、管道和泵,在干旱地區或缺乏基礎設施的發展我國家,這幾乎沒有可行性。而凝膠則是一種簡單、有效的對現有太陽能電池板進行改造的方法,可以立即提高效率。


無獨有偶,香港理工大學環境工程師也嘗試將冷凝水用作太陽能電池板的冷卻劑,其基本原理與上述一致。此外,他們發現冷卻太陽板所需的凝膠量重要取決于環境濕度:在濕度為35%的沙漠環境中,每平方米太陽能電池板要1公斤凝膠來冷卻;而在濕度為80%的悶熱地區,每平方米電池板冷卻只要0.3公斤凝膠。但不論哪種應用場景,冷凝水式太陽能電池板的溫度都下降了10℃。


在戶外測試中,通過該方法改進后的太陽能電池板發電量平均新增了15%,最高新增了19%,他們認為風力可能會增強冷卻效果。針對雨水會溶解凝膠中的氯化鈣鹽,削弱其吸水性能的問題,該研究團隊目前正在研發第二代凝膠,據稱這種凝膠即使遇水也不會降解。而他們的另一個設計方法,是在水蒸發后設置一個收集和再冷凝水的裝置,這些水可用來清潔太陽能電池板上積聚的灰塵,或者可以儲存起來供飲用,解決干旱地區的用水需求。目前太陽能還未能更好被人類利用,要科研人員不斷努力,研究出更高效地產品,這樣才能保證我們人類的能源夠人類發展所需。


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