大气水为光伏及更多领域降温

      联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯警告说：“气候变化的速度比我们快。”事实上，我们没有走上实现《联合国气候变化框架公约》（《巴黎协定》）将全球平均气温控制在比工业化前水平高1.5℃以内的目标的轨道。实现这一目标需要到2030年将人为二氧化碳排放量减少45%，到2050年减少100%（即净零）。极有可能比工业化前水平升温2°C，预计将导致世界上最脆弱的生态系统遭受不可逆转的损失，并加剧极端天气引发的危机

      为了追求低碳能源，我们已经转向天然气和核能。因为这些类型的能源是不可再生的，它们只能被视为过渡性的解决方案。在水电、太阳能、风能三大可再生能源中，太阳能是其他两种可再生能源的来源，具有最高的自然丰度和最低的地理限制。因此，太阳能必须成为全球应对气候变化的核心。

      欧盟（EU）《光伏产业现状报告》预测，到 2025 年，全球光伏（PV）装机容量将增至 1500 吉瓦（GW），到 2030 年则将超过 3000 吉瓦（GW）。鉴于装机容量的这一快速增长态势，光伏产业的发电量极有可能在 2024 年超过水电，届时也将助力太阳能在可再生能源体系中占据应有的顶尖地位。

      太阳能光伏（PV）的快速发展可谓及时且令人鼓舞，其全生命周期碳足迹仅为 3.5-12 克二氧化碳当量 / 千瓦时，在所有发电方式中处于最低水平之列 —— 就连核能的碳足迹（40 克二氧化碳当量 / 千瓦时）也高于它。此外，光伏产业的准入门槛较低，且其单价持续下降。这些优势使光伏成为一种切实可行且颇具吸引力的选择，尤其适用于离网发电、用户侧发电场景；同时，它也是实现联合国第七项可持续发展目标（到 2030 年为全球所有人提供负担得起、可靠、可持续的现代能源）的经济高效捷径。

      然而，光伏面板在日间会面临过热问题，在太阳辐射较强的干旱及半干旱地区，这一问题尤为突出。夏季，这些地区的光伏面板温度可能比环境空气温度高出 40 摄氏度。如此高的温度会导致系统的能量转换效率下降，有研究表明，温度每升高 1 摄氏度，能量效率就会降低 0.4%-0.5%。

      此外，高温还会缩短光伏面板的使用寿命。迄今为止，光伏冷却一直是一个传统难题；随着光伏装机容量的快速增长，该问题的解决已迫在眉睫。在所有常温液体中，水的汽化潜热最高（即 2.3 千焦 / 克）。而且，水蒸发从表面带走热量的速度，比热量被动散发到空气中的速度更快，从理论上讲，水是一种高效且清洁的冷却剂。但在实际应用中，目前尚无简便方法能持续为光伏面板冷却提供淡水供应。

      在我们搭建的首个原型中，我们将一种水凝胶基大气水吸附（AWH）剂直接粘贴在光伏面板背面。该吸附剂在夜间吸附水蒸气、日间利用光伏热量驱动水分蒸发的日间循环，能够实现有效的光伏冷却。在实验室条件下，当太阳辐射强度为 1.0 千瓦 / 平方米时，该原型装置的平均冷却功率达 295 瓦 / 平方米，且能将光伏面板温度至少降低 10 摄氏度。在沙特阿拉伯开展的冬季与夏季户外实地测试中，该装置使商用光伏面板的发电量提升了 13%-19%。我们倍感振奋的是，我们设计的首个原型成功验证了这一构想。

      当我们关于 “利用大气水循环实现光伏面板冷却” 的论文处于审稿阶段，并为发表于《自然・可持续发展》（Nature Sustainability）进行修改时，其他期刊（《先进材料》Advanced Materials、《焦耳》Joule、《科学・机器人学》Science Robotics）已发表了三篇关于 “大气水吸附（AWH）辅助冷却在不同领域应用” 的论文。再结合日益普及的间接蒸发冷却与吸附冷却技术来看，近期基于水的冷却技术研究热潮有力地证明：在全球变暖威胁不断加剧的背景下，水正重新成为一种重要的冷却剂。

      诚然，目前广泛使用的商用冷却剂多为氢氟碳化合物（HFCs），这类物质是臭名昭著的含氯氟烃（CFCs，俗称 “氟利昂”）的替代品，其臭氧消耗潜能值极低，但本身却是强效温室气体 —— 其 20 年尺度的平均全球变暖潜能值（GWP）为 4582，100 年尺度则为 2362（作为参照，二氧化碳的全球变暖潜能值被设定为 1）。然而，商用冷却剂这一惊人的全球变暖潜能值，尚未得到应有的高度关注。简而言之，它们并非我们曾经认为的那般清洁。当然，水作为冷却剂也存在诸多自身缺陷，目前其应用范围似乎仍有限。但只要能尽可能将水用作低碳冷却剂，我们就无疑向实现联合国可持续发展目标又迈进了一步。鉴于我们能免费且不受限制地获取空气中的水分，在缺乏大型水源的场景下，大气水吸附（AWH）辅助冷却技术独具优势，可提供清洁且可持续的冷却效果。我对 “大气水基冷却技术实现环保应用” 的前景持谨慎乐观态度。

      注释

1. 本研究成果已发表于《自然・可持续发展》（Nature Sustainability），论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41893-020-0535-4；仅在线浏览版 PDF 链接为：https://rdcu.be/b35YE。

2. 该团队的另一项相关研究利用光伏废热驱动海水淡化，成果发表于《自然・通讯》（Nature Communication），可通过以下链接免费获取：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10817-6。

3. 封面图为阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）校园的航拍图，图中学术建筑屋顶装有光伏面板。

      致谢

     王鹏（Peng Wang）感谢弗吉尼亚・昂克弗（Virginia Unkefer）对本文的编辑协助，同时感谢卡罗琳・昂克（Carolyn Unck）、卡门・登曼（Carmen Denman）及李仁远（Renyuan Li）在图片相关工作中提供的帮助。

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