密歇根大学研发廉价涂层，让太阳能板冰雪覆盖率降至28%

随着技术的发展和人类环保意识的深入，光伏发电作为绿色能源的一部分，开始得到越来越多的应用。然而，在寒冷的北方气候下，频繁的降雪往往会对太阳能电池板的正常运转造成极大的影响。

“太阳能电池板在冬天可能会失去80%或90%的发电能力。因此，找到一种让它们全年继续发电的方法是一项令人兴奋的挑战。”密歇根大学材料科学与工程教授阿尼什·图特哈（Anish Tuteja）表示。

为了解决这个问题，密歇根大学团队研发了一种廉价的透明涂层，可以大幅度减少太阳能电池板上的冰雪堆积，从而显著提高寒冷气候下太阳能电池板的生产效率。

相关研究发表在Advanced Materials Technology期刊，该论文以《使用具有低界面韧性的疏冰表面降低场内太阳能阵列的大规模积雪》（Facilitating Large-Scale Snow Shedding from In-Field Solar Arrays using Icephobic Surfaces with Low-Interfacial Toughness）为题，图特哈担任通讯作者。

对于太阳能来说，虽然积雪并不会对组件造成破坏，但却会把电池板完全覆盖，光照很难穿透厚厚的积雪，这也是光伏组件在冬季面临的巨大困境。

另一方面，当前的太阳能板清扫装置技术并不成熟，甚至很多时候不得不依靠人工来对积雪进行处理，耗时耗力不说，还极易对太阳能板造成损害。

此前，有研究团队内设计了一种附带除雪装置的清扫机器人，能够自主清理太阳能板上覆盖的积雪。但该机器人行走轨迹的精确度却很难掌握，再加上昂贵的造价，因此并不具备普适性。

而此次，图特哈团队研发的涂层，主要由聚氯乙烯（PVC）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）塑料和硅油或植物油制成，成本低廉。太阳能板在喷刷该涂层后，其面板上的冰雪上会更容易脱落，有效维持的时间甚至长达一年。

据了解，图特哈曾在麻省理工学院攻读化学工程，后加入密歇根大学，研究的重点是使用聚合物来解决可再生能源和环境科学领域的一些关键挑战，如超疏油表面、超疏水表面、防冰表面、膜、聚合物纳米复合材料等。

在图特哈看来，设计一种可以被动除雪的涂层是一项特殊的挑战，即使此前他在此方面已有丰富的经验。

“冰相对致密和沉重，我们以前的涂层会利用其自身的重量来让它自行脱落。但是雪的密度可能比冰小10倍，所以我们完全不确定我们在冰上使用的技巧可以成功转化。”图特哈解释道。

为了寻找到一种最契合的涂层，图特哈和他的团队从过去发明的冰脱落涂层中获得了灵感，开始关注“低界面韧性”和“低粘附强度”这两种特性。

低粘附强度一般依靠的是光滑的表面，换句话说，即太阳能板越光滑，附着力越小，积雪越容易自行脱落。但单独依靠滑度在小面积上效果很好，如果表面很大，则需要非常大的力才能将冰雪滑下。

对于较大的区域，需要一种方法来打破冰雪的粘连，这时，低界面韧性就发挥了作用。

低界面韧性会在冰和面板之间产生裂缝。无论面板的大小如何，它都会沿着面板传播，从而完全打破冰雪之间的粘附力。这种概念在断裂力学领域运用比较广泛，但直到现在，它还没有被尝试用于除雪。

基于这两种特性，该团队确定了研发方向，开始致力于在低粘附强度和低界面韧性之间取得平衡。

他们首先从PVC塑料开始测试，因为它非常坚硬，界面韧性足够低，在少量植物油的作用下，其表面附着力也降到一个可观的程度。

除此之外，他们还寻找到了PVC塑料和植物油的替代材料，即PDMS塑料和硅油，可发挥和其一样的功效。

通过与阿拉斯加大学的合作，该团队得以在在阿拉斯加费尔班克斯的太阳能场上测试该涂层材料。测试表明，“涂层板在整个冬季的平均冰雪覆盖率约为28%，而未涂层板的平均冰雪覆盖率约为59%。”

图特哈说，“如果我们能够证明其长期功效，那么防雪涂层将使多雪地区的太阳能更加可靠和负担得起，从而有助于加速向以太阳能为主导的能源经济的过渡。”

值得注意的是，除了太阳能行业，其它包括汽车挡风玻璃、自动驾驶汽车的激光雷达罩和寒冷气候光学传感器等，都可部署该涂层。

不过，该团队并不打算立即就将该材料应用于涂层迭代。据悉，他们计划进一步调整它，目的是开发一种可以使用至少五年的涂层。