【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠教授團隊和前沿交叉學(xué)院朱城老師合作，在透明防結(jié)冰薄膜提高光伏在極端寒冷氣候下防結(jié)冰性能的相關(guān)研究中取得進展。相關(guān)研究成果以“Transparent Anti-Icing Moire?-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates ”為題在《Advanced Materials》上發(fā)表。
 

　　在寒冷氣候地區(qū)，冰雪覆蓋導(dǎo)致的光遮擋已成為制約光伏系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電的主要障礙之一，嚴重時可導(dǎo)致超50%的發(fā)電損失。盡管市場上已出現(xiàn)多種加熱除冰方案，但這些方案難以滿足大面積戶外光伏系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的需求。理想的光熱防冰解決方案應(yīng)具備三大特性：高光透過性(保障電池正常工作)、高光熱效率(實現(xiàn)快速除冰)、可規(guī)模化制備與長期穩(wěn)定性。但現(xiàn)有光熱薄膜在“透光發(fā)電”和“光熱除冰”之間往往難以兼顧，需要對光學(xué)設(shè)計進行調(diào)整，以在設(shè)備和光熱薄膜之間實現(xiàn)最佳的陽光吸收平衡。
 

　　要點一：本研究基于并網(wǎng)商用的光伏組件的戶外運行數(shù)據(jù)，揭示了寒冷氣候下冰雪遮擋對光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的嚴重影響，其發(fā)電量損失可達約58%。針對冰雪遮擋問題，提出了一種創(chuàng)新的透明光熱除冰薄膜設(shè)計策略。
 

圖1 極寒環(huán)境下太陽能電池的故障問題及應(yīng)對措施
 

　　要點二：通過在光熱薄膜上引入具有周期干涉效應(yīng)的莫爾結(jié)構(gòu),在不降低可見光透過率的前提下，實現(xiàn)了高達93.0%的可見光透過率和約65.8%的近紅外吸收率。我們采用了基于卷對卷工藝的納米壓印技術(shù)，以實現(xiàn)透明光熱薄膜的規(guī)模 化制造。此外，該薄膜具備出色的季節(jié)性管理，背膠的設(shè)計使得moire?-TP 薄膜可 以在夏季輕松揭下防止熱量過分積累。可擴展的制造方式與持久的粘合性相結(jié)合， 使其在各種實際應(yīng)用中更具實用性。
 

圖2 透明光熱薄膜的光學(xué)設(shè)計與可擴展制造技術(shù)
 

　　要點三：我們進一步研究了透明莫爾干涉薄膜的光熱性能，以評估其除冰能力及 工作溫度范圍。薄膜透明度與光熱轉(zhuǎn)換之間的內(nèi)在權(quán)衡，即增強防冰性能會自然 降低透明度，反之亦然。通過光強-溫度相圖和透過率-溫度相圖預(yù)測了其在不同 環(huán)境條件下的運行范圍并展示了在變化環(huán)境下除冰能力
 

圖3 透明光熱膜防冰效果展示
 

　　要點四：研究證實，該米級柔性光熱薄膜可在 −20?°C 的戶外環(huán)境下保持光伏組件表面無冰覆蓋。應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池的日夜循環(huán)測試進一步驗證了其穩(wěn)定的除冰性能和出色的能量恢復(fù)能力，冬季單日發(fā)電量提升近7.5倍。此外，該薄膜在弱光環(huán)境下亦展現(xiàn)出良好的光熱響應(yīng)和長期穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣泛的實際應(yīng)用潛力。
 

圖4 透明光熱膜應(yīng)用于鈣鈦礦電池上的性能
 

　　該團隊揭示了在寒冷氣候條件下，光伏系統(tǒng)由于冰雪的遮擋作用會出現(xiàn)嚴重的電力輸出損失(約占總電量的 58%)。為了避免犧牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可見光透射率的同時，利用其moiré結(jié)構(gòu)增強了近紅外光的吸收(約 65%)，從而有助于高效光熱轉(zhuǎn)換和防冰功能。就鈣鈦礦電池的防冰性能而言，它證實了可靠的防冰功能，能夠保持最大功率點運行 8 小時，并在七次循環(huán)中保持持續(xù)的冰融化效果。這種薄膜有效地保護了鈣鈦礦器件免受冰雪造成的遮擋影響，使得冬季的每日電力輸出幾乎增加了7.5倍。米級規(guī)模的制造過程證實了其在商業(yè)化方面的可行性，而我們的模擬結(jié)果也表明其在全球各地區(qū)用于防冰應(yīng)用方面具有實用性。