理大科學家想出嶄新方法為過熱的太陽能板降溫,從而提升其發電量

 

太陽能板一旦過熱,其發電效率便會大幅下降。理大研究團隊經多年研究終於找到一個創新方案來解決這問題,就是在太陽能板安裝水凝膠冷卻劑,讓冷卻劑吸取空氣中的濕氣來為太陽能板降溫。冷卻劑具備吸水和「排汗」功能,令太陽能板的發電量提升近20%。

 

理大土木及環境工程學系副教授王鵬博士領導的團隊,利用由聚丙烯酰胺—碳納米管基質(polyacrylamide–carbon nanotube substrate)與氯化鈣(calcium chloride)組成的混合物製造水凝膠,將這水凝膠作為冷卻劑貼在太陽能板的背面。在黃昏和晚間,水凝膠就像太陽能板的一個「器官」般發揮作用,從大氣吸收和儲存水分,當日間陽光令太陽能板溫度升高,儲存在水凝膠中的水分便會蒸發,從而降低太陽能板的溫度,過程就像人體透過排汗來降溫一樣。

 

太陽能板的正式名稱為光伏板,多年來在全球不同地方被廣泛使用。太陽能板通過光伏效應,將太陽光的光能轉化成電能供人類使用。然而,由太陽能板吸收的太陽能,大部分均轉化為熱能,不但導致太陽能板溫度升高,同時降低其發電效率。事實上,商用太陽能板所吸收的太陽能,僅有不足25%會被轉化為電能。

 

溫度過高削弱發電效率

王博士解釋:「在夏季,安裝在乾旱及半乾旱地區的光伏板,其溫度可以比周遭空氣高出攝氏40度。光伏板溫度過高會降低太陽能發電系統的電能轉化效率。根據研究,光伏板溫度每升高一度,發電效率就會降低0.4%至0.5%。」溫度過高不僅會降低光伏板的效能,更會縮短其壽命。

 

如何解決光伏板過熱問題,一直令科學家費煞思量。傳統上,氫氟烴(HFC)和氯氟烴(CFC)曾一度為慣常用的冷卻劑。然而,氫氟烴與氯氟烴均為強力的溫室氣體,可導致溫室效應的潛力較二氧化碳高出數千倍。因此,這兩種化學品不再是製造冷卻劑的上佳選擇。

 

效率提升13%至19%

在物色新冷卻劑以取代氫氟烴與氯氟烴時,王博士發現從空氣中收集水分再讓其蒸發不失為可行辦法。其團隊於是着手在實驗室與現實環境中,測試水凝膠冷卻劑的效能。王博士稱:「在實驗室環境中,在每平方米相等於1,000瓦特的太陽光照射下,安裝了水凝膠冷卻系統的太陽能板原型,平均冷卻能力達每平方米295瓦特,相等於令太陽能板溫度降低至少攝氏10度。」王博士認為,此冷卻效能可以令光伏板的發電量提升13-19%,以業界標準來說,這已是非常顯著的進步。王博士的相關研究論文《循環吸收及蒸發大氣水分使光伏板降溫》(Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption–evaporation cycle)已在2020年8月於《自然 • 可持續發展 》(Nature Sustainability)第3卷第8期中刊登。

 

安裝了水凝膠的太陽能板 沒安裝水凝膠的太陽能板
With hydrogel 1 with hydrogel 2 without hydrogel
水凝膠於黃昏及晚間吸收並儲存大氣中的水氣。

在日間,儲存在水凝膠中的水分會蒸發,從而令太陽能板降溫,使其發電量提升13%至19%。

太陽能板在沒有水凝膠的冷卻效果下會出現過熱情況,不但會降低其發電效率,更會縮短其壽命。

 

預期太陽能將日趨重要

王鵬博士現為美國化學學會(American Chemical Society)出版的期刊《環保科學與技術》(Environmental Science & Technology)的副編輯,積極推動該項提升光伏板效能的技術。現時,全球利用太陽能產生的電力超過600吉瓦,佔全球用電量的3%。預計至2030年,太陽能發電量會達到3,000吉瓦。換言之,屆時利用太陽能發電的電力將會超出所有其他再生能源所產生的電力總和。隨着太陽能發電在未來日漸普及,改善太陽能發電系統的設計,提升其發電效率,亦越見重要。

 

儘管王博士對其團隊的創新方案充滿信心,相信它有助降低太陽能板的能源損耗,但仍尚有一些有待解決的問題。現時,水凝膠安裝在太陽能板一星期後,其吸水及儲水表現幾乎維持不變。倘若水凝膠長時間暴露於高溫下,能否繼續維持其冷卻功能,就仍須更多測試以作證明。王博士表示:「假如現有物料製造的水凝膠之冷卻功能未能維持最少兩年,我們便需要另覓材料。」

 

王博士與其團隊正合力克服種種挑戰。他相信,水凝膠冷卻劑有着收集大氣中水分的潛力,所以正是解決太陽能板過熱問題的理想方法。此外,水凝膠冷卻劑在成本效益上亦屬可行方案:「此冷卻劑的生產成本不高,而且仍有下調空間。」