理大科学家想出崭新方法为过热的太阳能板降温,从而提升其发电量

 

太阳能板一旦过热,其发电效率便会大幅下降。理大研究团队经多年研究终於找到一个创新方案来解决这问题,就是在太阳能板安装水凝胶冷却剂,让冷却剂吸取空气中的湿气来为太阳能板降温。冷却剂具备吸水和 "排汗" 功能,令太阳能板的发电量提升近20%。

 

理大土木及环境工程学系副教授王鹏博士领导的团队,利用由聚丙烯酰胺—碳纳米管基质(polyacrylamide–carbon nanotube substrate)与氯化钙(calcium chloride)组成的混合物制造水凝胶,将这水凝胶作为冷却剂贴在太阳能板的背面。在黄昏和晚间,水凝胶就像太阳能板的一个「器官」般发挥作用,从大气吸收和储存水分,当日间阳光令太阳能板温度升高,储存在水凝胶中的水分便会蒸发,从而降低太阳能板的温度,过程就像人体透过排汗来降温一样。

 

太阳能板的正式名称为光伏板,多年来在全球不同地方被广泛使用。太阳能板通过光伏效应,将太阳光的光能转化成电能供人类使用。然而,由太阳能板吸收的太阳能,大部分均转化为热能,不但导致太阳能板温度升高,同时降低其发电效率。事实上,商用太阳能板所吸收的太阳能,仅有不足25%会被转化为电能。

 

温度过高削弱发电效率

王博士解释:"在夏季,安装在干旱及半干旱地区的光伏板,其温度可以比周遭空气高出摄氏40度。光伏板温度过高会降低太阳能发电系统的电能转化效率。根据研究,光伏板温度每升高一度,发电效率就会降低0.4%至0.5%。" 温度过高不仅会降低光伏板的效能,更会缩短其寿命。

 

如何解决光伏板过热问题,一直令科学家费煞思量。传统上,氢氟烃(HFC)和氯氟烃(CFC)曾一度为惯常用的冷却剂。然而,氢氟烃与氯氟烃均为强力的温室气体,可导致温室效应的潜力较二氧化碳高出数千倍。因此,这两种化学品不再是制造冷却剂的上佳选择。

 

效率提升13%至19%

在物色新冷却剂以取代氢氟烃与氯氟烃时,王博士发现从空气中收集水分再让其蒸发不失为可行办法。其团队於是着手在实验室与现实环境中,测试水凝胶冷却剂的效能。王博士称:"在实验室环境中,在每平方米相等於1,000瓦特的太阳光照射下,安装了水凝胶冷却系统的太阳能板原型,平均冷却能力达每平方米295瓦特,相等於令太阳能板温度降低至少摄氏10度。" 王博士认为,此冷却效能可以令光伏板的发电量提升13-19%,以业界标准来说,这已是非常显著的进步。王博士的相关研究论文《循环吸收及蒸发大气水分使光伏板降温》(Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption–evaporation cycle)已在2020年8月於《自然 • 可持续发展 》(Nature Sustainability)第3卷第8期中刊登。

 

安装了水凝胶的太阳能板 没安装水凝胶的太阳能板
With hydrogel 1 with hydrogel 2 without hydrogel
水凝胶於黄昏及晚间吸收并储存大气中的水气。

在日间,储存在水凝胶中的水分会蒸发,从而令太阳能板降温,使其发电量提升13%至19%。

太阳能板在没有水凝胶的冷却效果下会出现过热情况,不但会降低其发电效率,更会缩短其寿命。

 

预期太阳能将日趋重要

王鹏博士现为美国化学学会(American Chemical Society)出版的期刊《环保科学与技术》(Environmental Science & Technology)的副编辑,积极推动该项提升光伏板效能的技术。现时,全球利用太阳能产生的电力超过600吉瓦,占全球用电量的3%。预计至2030年,太阳能发电量会达到3,000吉瓦。换言之,届时利用太阳能发电的电力将会超出所有其他再生能源所产生的电力总和。随着太阳能发电在未来日渐普及,改善太阳能发电系统的设计,提升其发电效率,亦越见重要。

 

尽管王博士对其团队的创新方案充满信心,相信它有助降低太阳能板的能源损耗,但仍尚有一些有待解决的问题。现时,水凝胶安装在太阳能板一星期后,其吸水及储水表现几乎维持不变。倘若水凝胶长时间暴露於高温下,能否继续维持其冷却功能,就仍须更多测试以作证明。王博士表示:"假如现有物料制造的水凝胶之冷却功能未能维持最少两年,我们便需要另觅材料。"

 

王博士与其团队正合力克服种种挑战。他相信,水凝胶冷却剂有着收集大气中水分的潜力,所以正是解决太阳能板过热问题的理想方法。此外,水凝胶冷却剂在成本效益上亦属可行方案:"此冷却剂的生产成本不高,而且仍有下调空间。"