随着全球光伏装机量快速增长，提升光伏组件效率至关重要。降低电池温度是提升光伏效率的有效方式，但现有冷却技术很难做到，或者结构复杂、能耗高，或者冷却能力有限，难以满足光伏系统“低成本、高效率”的实际散热需求。同时，光伏电站对周边生态环境的影响也逐渐受到关注，光伏电站是否可以改善局部气候、促进生态恢复，尚不清楚。

  针对这一问题，武汉大学刘抗教授课题组提出了一种全聚合物的水凝胶翅片结构，每根纤维由高度定向的超高分子量聚乙烯纤维（PE）和几微米厚的丙烯酰胺（PAAM）水凝胶层构成。翅片兼具超轻、耐腐蚀、高导热和大比表面积等特点。该翅片最大被动换热系数可高达1100 W/m2·K，在光伏组件上应用该翅片，可使组件温度最高降低28°C，发电功率提升20.4%。更值得关注的是，该材料还能提升周围湿度24%、降低环境温度2.6°C，显著改善局部微气候，为光伏电站带来生态修复新可能。

图1 全聚合物水凝胶翅片工作原理

  翅片的核心结构由聚乙烯（PE）基底和垂直排列的PE/水凝胶纤维组成(图2)。PE/水凝胶纤维内部为高度定向的PE纤维，外部包覆几微米厚的水凝胶壳层。定向PE纤维赋予材料优异的导热性，可高效传导并散发热量；竖直的纤维多孔结构则提供了超大蒸发面积，有利于白天的水分蒸发与夜间吸湿。水凝胶内部引入吸湿盐，根据环境温度调控吸湿，实现动态适应。

图2 全聚合物水凝胶翅片的基础性质

  制备的翅片重量十分轻，甚至可被一面悬空的树叶托起，更在单位面积上提供远超传统金属翅片的有效蒸发表面积。其成本低至每平方米3-4元，远低于铜、铝等常规材料。与此同时，纯聚合物结构赋予其出色的耐腐蚀能力，即使长期暴露于含盐环境，依然稳定如初。

图3 全聚合物水凝胶翅片的毡散热性能

  相比传统金属翅片，PE/水凝胶吸湿毡具备微观孔隙和水分蒸发两大优势，可突破传统翅片对流受限导致的散热瓶颈，最高换热系数可达1100 W/m2·K实现更高效冷却（图3）。散热能力接近水强制水冷水平。

图4 全聚合物水凝胶翅片的吸湿循环性能

  与此同时，快速再生是吸湿性蒸发冷却材料稳定运行的瓶颈难题。传统水凝胶或MOF材料在低湿环境下再生缓慢，全聚合物水凝胶翅片凭借超大蒸发表面积，可实现低温高效蒸发与快速吸水的平衡，其再生时间仅为蒸发时间的1.3倍，而传统水凝胶需4.7倍以上时间（图4）。实验显示，器件在多次循环中依然保持稳定的蒸发和吸湿性能。

  为了全聚合物水凝胶翅片的实际工作效果，团队将其应用于多晶硅太阳能电池（图5）。实验表明，翅片在室内条件下使电池温度降低28°C，效率提升20%以上；户外测试同样显示显著的降温和效率提升。更重要的是，蒸发水分提升周边湿度24%，降低环境温度2.6°C。这一显著的湿度升高和温度降低，有助于帮助沙漠植物生存率大幅提高，展现生态修复潜力。

图5 全聚合物水凝胶翅片的降温增效测试与生态修复能力

  以上相关研究成果于Advanced Materials发表。论文题目：All-polymer Polyethylene-hydrogel Felt for Efficient Evaporative Cooling and Ecological Restoration in Photovoltaic Power Plants。武汉大学2023级硕士生郑凯彬为论文第一作者，武汉大学动力与机械学院刘抗教授、资源与环境学院陈朝吉教授为通讯作者，武汉大学为论文唯一署名单位。

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202501698