光伏面板自清洁DLIP激光处理方案每分钟可清洁3㎡表面

  近年来，光伏（PV）在全世界内已成为最具成本和环境效益的发电方案之一。有必要注意一下的是，很大一部分太阳能电板安装在阳光充足的沙漠地区，太阳能组件或镜面“积灰”、“积垢”成为了一个不可避免的问题。

  更无奈的是，灰尘积聚可能会在短短一个月内就使光伏组件的性能（能量输出、能源效率）降低30％。而如果通过快速激光解决方案和具有自清洁特性的仿生学方法来解决这类问题，每年将有望节省数十亿升水，带来的环保和资源节约效益是很明显的。

  当前，全球太阳能系统集光面面积已超过3000平方公里。仅在2021年一年，光伏发电量增加了创纪录的179太瓦时（＋22％），达到约1000太瓦时。到2030年，太阳能预计将占全球发电量的33％，其中大部分可能安装在阳光充足的干旱地区。

  对于太阳能面板保护而言，空气中的灰尘浓度被认为是污染的主要决定因素，但鸟类粪便、细菌生物膜、藻类、植物碎片或花粉、发动机尾气和工业排放也必须被考虑在内。

  据麻省理工学院的说法，光伏电池板的污染会导致在灰尘积聚过程的早期能量输出急剧下降。在没有清洁的情况下，仅仅一个月这种性能的降低轻松就能达到30％。同时据估计，对于一个150兆瓦的太阳能装置来说，即使能源输出减少1％，也会导致每年损失20万美元的收入。按此计算，光伏系统产出减少3％－4％，将导致全球损失33亿－55亿美元。

  在这些影响因素面前，定期清洁光伏装置成为了必不可少的一环，特别是对那些用于工业光伏发电的装置而言。这类清洁能够最终靠干洗技术实现——干洗技术主要使用在于缺水地区（如沙漠环境），而湿式清洗技术通常是其他安装地区的首选，因为它提高了清洁效率，降低了潜在的破坏影响。

  据估计，清洁太阳能电池板和反射表面（如镜子、定日镜和光伏电池板）消耗水量和发电量之间的比率大约为75．71升／兆瓦时。截至2021年，每年的清洁用水量为757．1亿升水，足以为约1．38亿人每人每天提供1．5升水，持续一年。在耗水量净零增长的情况下，到2030年，光伏水清洁将扩大到约5600亿升水，相当于为约10亿人每人每天提供1．5升水，持续一年。这表明，光伏的发展与水资源的可持续利用密切相关。

  到目前为止，还没有一点一种通过表面涂层的被动防脏技术能避免对太阳能电池板清洁的需求。而幸运的是，使用激光技术的表面功能化提供了一种替代工业功能涂料的解决方案。

  Fusion Bionic是德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所（Fraunhofer IWS）旗下的一个衍生初创公司，主体业务是开发和销售激光技术，将纳米和微结构应用于材料表面。该公司使用激光表面纹理处理工艺打造出特殊的功能表面，从而能够达到让清洁太阳能电池板的效果。以荷叶或蛾眼等为仿生设计灵感来源，利用专有的直接激光干涉成型（DLIP）激光技术，研究人员打造出了高性能的“自清洁”表面，能轻松实现减少摩擦、提高接触性能等一系列功能，从而赋予光伏太阳能电池板以自清洁、抗反射特性等新颖表面功能。

  Fusion Bionic开发的这种基于DLIP技术的专利激光工艺能轻松实现仿生型微纳米结构，以显著减少玻璃表面灰尘和污垢的污染。该团队所使用的激光纹理工艺不需要任何额外的涂层，也不可能影响玻璃的透明度。

  该工艺的独特之处在于，在某些测试条件下，无需用水来清洗玻璃基板上的污染物。这使得该方法成为替代目前常用的被动型防污染光伏解决方案的理想选择。据介绍，这种工艺只有将玻璃表面倾斜到25°角才可以做到清洁效果。

  DLIP工艺的工作原理是将一束激光分裂成多束激光光束。为了将图案应用于表面，这些多束激光束以受控方式叠加，以创建所谓的干涉图案。然后，该图案可以分布在更大的区域，从而能够快速处理大面积的表面。最终，这种激光材料加工方法会将精细图案直接蚀刻到金属表面——高能激光会熔化并烧蚀明亮区域的材料，同时确保黑暗区域的材料不受影响。

  研究团队分别在撒哈拉沙漠、鲁卜哈利沙漠、纳米布沙漠和卡拉哈里沙漠对这种激光自清洁方案进行了实验。第一次试验表明，与粉尘实验相比，所有沙漠中的沙子都表现出类似的行为，这在某种程度上预示着该方法很适合在真实条件场景下进行进一步的应用试验。

  作为这一进程的一部分，进一步升级的大面积处理技术正在进行中。Fusion Bionic能够证明其激光纹理平台的速度可扩展到3平方米／分钟的总体可行性，这一水平的处理速度对于满足光伏板大面积处理的需求也是非常必要的。