光伏发电是推动能源低碳转型的重要技术之一，但在实际运行过程中，光伏组件中大量未被转化的太阳能会以热量形式耗散，导致组件温度升高，进而降低发电效率并加速材料老化。针对这一问题，水凝胶凭借优异的吸水、保水和蒸发散热能力，为光伏被动热管理提供了新的材料方案。

图1 基于水凝胶的光伏热管理概念示意图。通过“吸收—储存—蒸发”循环，水凝胶可实现被动蒸发冷却，缓解光伏组件中的热量积累，同时提高发电效率并延长使用寿命。

  2026年7月3日，天津工业大学张松楠副研究员在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为《Hydrogel-Enabled Photovoltaic Thermal Management: Materials Design, System Integration, and the Energy-Water Nexus》的综述文章，系统总结了水凝胶驱动光伏热管理的最新进展，深入探讨了其背后的物理机制、多尺度材料设计、宏观系统构型，并对未来的技术挑战与发展方向进行了全面展望。

图2 水凝胶基光伏热管理材料系统

技术演进：从传统冷却到水凝胶蒸发冷却

  该综述首先系统比较了现有光伏热管理技术的发展现状。根据是否需要外部能量输入，光伏冷却技术通常可分为主动冷却和被动冷却两大类。主动冷却主要包括风冷和液冷，其温度调控能力较强，但往往需要风扇、泵或循环管路等辅助装置，不仅增加系统能耗，也提高了安装和维护成本。相比之下，被动冷却无需额外能量输入，结构更简单，更适合大面积光伏组件的长期运行。目前常见的被动冷却策略可分为散热片冷却、辐射冷却、热管冷却、液体浸没冷却、相变材料冷却及蒸发冷却。在这些技术中，蒸发冷却因水的高汽化潜热而展现出独特优势。水分蒸发时能够吸收大量热量，因此可以在不消耗额外电能的情况下实现高效散热。

图3 光伏热管理策略及典型冷却架构概述

  早期研究中，棉芯、黏土、织物和多孔蒸发膜等材料已被用于光伏组件冷却，并取得了一定的降温效果。然而，这类传统蒸发冷却体系普遍存在保水能力不足、蒸发过程不稳定、需要持续补水以及长期循环性能较差等问题，限制了其在实际光伏场景中的应用。水凝胶的出现为解决上述问题提供了新的材料路径。与普通织物或多孔材料相比，水凝胶具有三维亲水聚合物网络，能够同时承担水分吸收、储存和蒸发功能。一方面，水凝胶可以作为稳定的“水库”，延长蒸发冷却的持续时间；另一方面，吸湿盐、导热填料和多孔结构等设计还可以进一步提高其吸湿再生能力和热传导效率。由此，光伏蒸发冷却技术逐渐从简单的水分蒸发介质，发展为可设计、可复合、可集成的水凝胶功能材料体系。

图4 基于水凝胶的蒸发冷却策略在光伏热管理中的发展历程

水凝胶：兼具“储水库”和“蒸发器”的软材料

  水凝胶是一类具有三维交联网络结构的亲水性高分子材料，能够吸收并保持大量水分。当其与光伏组件结合时，水凝胶可以在白天利用组件产生的废热驱动水分蒸发，通过相变过程带走热量；在夜间或高湿环境下，部分吸湿型水凝胶还能从空气中重新吸收水分，实现一定程度的自再生循环。

图5 用于光伏热管理的水凝胶基蒸发冷却技术机理示意图

结构调控：水凝胶光伏冷却材料的设计逻辑

  高性能的冷却系统离不开精妙的材料设计。综述将设计策略归纳为四个核心维度：（1）聚合物基质选择：采用富含羟基、羧基或酰胺基团的聚合物能够通过氢键有效锚定水分子，形成稳定的水合层，为持续的蒸发提供储水基础。（2）三维网络结构调控：通过优化交联密度并引入分级多孔结构，能够有效平衡材料的吸水与保水能力。（3）功能组件引入：掺杂吸湿盐使得凝胶能够在夜间自发从大气中捕获水分；而碳纳米管、石墨烯等高导热填料的加入，则能建立高效的热传导通路，加速脱附与再生过程。（4）宏观复合结构设计：水凝胶可与金属鳍片等导热骨架复合，形成“水凝胶蒸发冷却+骨架高效导热”的协同散热体系。这类设计能够将光伏背板产生的热量更快传递到蒸发界面，从而提高整体冷却效率。

图6 用于水凝胶光伏热管理的多层级材料设计策略

系统集成：从构型优化到水-能协同利用

  除了材料本身，水凝胶与光伏组件的集成方式也是决定光伏热管理效果的关键因素。

  紧密贴附构型是目前研究较多的一类方式，即将水凝胶直接贴附在光伏组件背面或表面。其优点是可以减少界面空气间隙，降低接触热阻，使组件产生的热量快速传递至水凝胶层，再通过蒸发带走，但其面临凝胶厚度、吸湿速率、界面粘附、干缩开裂和盐泄漏等问题。

图7 光伏热管理中的紧密贴附式水凝胶构型

  填充床构型则将水凝胶制备成微球、微珠，布置在光伏背板区域。颗粒化结构具有更大的气固接触面积和更好的水蒸气扩散通道，有助于缓解连续凝胶层中的传质限制。但由于颗粒与光伏背板之间多为点接触，界面热阻较大，长期户外运行中还可能出现颗粒沉降、堆积不均和灰尘堵塞等问题。

图8 光伏热管理中的填充床式水凝胶构型

  热沉耦合增强构型通过金属翅片等高导热框架补偿水凝胶热导率较低的短板。金属骨架主导热传输，水凝胶提供蒸发潜热，这种导热和蒸发功能的分工协同，能够满足光伏组件在高热流密度下的苛刻散热需求。

图9 光伏热管理中的热沉耦合增强式水凝胶构型

  更进一步，水凝胶光伏热管理还可以与热电器件、水伏发电、海水淡化、资源回收等过程耦合，构建“光—热—电—水”多能协同系统，使水凝胶基材料发展为能源与水资源综合利用平台。

图10 水凝胶基光伏系统中的多能联产与能量梯级利用

挑战展望：从技术突破到产业化应用

  展望未来，光伏热管理不应仅被视作应对组件过热的防御性措施，而应被重新定义为一种旨在最大化系统净电能输出并回收低品位废热的“能量增益战略”。水凝胶技术的引入，为这一战略提供了重要的材料基础。未来，该领域的研究重点需要从单一冷却性能提升，进一步转向长期运行稳定性、环境适应性和规模化制造可行性。与此同时，还需结合长期户外验证、技术经济性分析和生命周期评估，系统判断水凝胶光伏热管理技术在真实应用场景中的能量收益。随着材料技术不断突破，水凝胶基光伏热管理有望为下一代高效、低碳、可持续光伏系统提供新的解决方案。

  该论文第一作者为天津工业大学硕士研究生徐喜航，通讯作者为天津工业大学副研究员张松楠。研究团队长期致力于功能水凝胶材料的研究，在太阳能驱动界面蒸发、高效海水淡化等领域取得重要进展。近年来，围绕“水-能”纽带以及前沿热管理技术，团队在国际权威学术期刊上发表多篇高水平研究成果（Adv. Funct. Mater., 2026, 36, e26429; ACS Sustainable Chem. Eng.?, 2025, 13, 5035-5045; Chem. Eng. J., ?2025, 508, 161164.），拓展了水凝胶材料在绿色能源与水资源净化方面的应用。

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76549

  课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhangsongnan