武汉理工大学柔性光伏高效收集水下太阳能 推动海洋可持续能源发展

近日，武汉理工大学吕松研究团队提出用于水下环境的柔性光伏技术，最大限度地提高水下能量收集效率，为智能海洋装备可再生能源供应自主化提供全新解决方案。相关研究成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），武汉理工大学为唯一署名单位，吕松研究员为通讯作者。

随着国家“海洋强国”战略不断推进，智能化、电动化、无污染化、无噪音化的水下航行器/装备/物联网器件在资源探测、生态监测、海洋安防等领域扮演着日益重要的角色，对其作业时间与能源自主性提出了更高要求。海洋表层区域具有稳定且可再生的太阳能资源，使得水下光伏发电成为水下自主供能的理想选择。传统光伏器件的光谱响应主要针对陆地太阳光谱，难以适应水体对光的选择性吸收特性，导致其在水下的能量转换效率显著下降；同时其刚性结构易受水动力干扰，存在形变风险，限制了其在复杂海况下的应用稳定性。因此，结合柔性光伏技术开展面向水下应用的光谱响应优化与结构适配性设计，已成为提升水下能源系统性能、实现海洋装备持续自主运行的重要技术突破口。

研究团队提出了水下柔性光伏器件优化策略，结合详细平衡计算与室外测试，分析不同类型太阳能电池在特定水深下的最佳带隙及其理论极限，并构建了柔性光伏的光学模型以优化其结构。优化后的柔性太阳能电池在2~50m深度的全天发电量比传统平面太阳能电池多9.4%~15.9%。其中，柔性a-Si太阳能电池在水下2米处的最大效率达到了59.7%，该理论极限超越了水下太阳能收集的基本限制，优于现有水下光伏解决方案。

图1水下环境下最优光伏技术探索

在此基础上，研究团队将优化后的CIGS与a-Si光伏电池分别集成于UUV与水下LED光信标系统中，验证了柔性光伏在水下设备中的应用潜力。研究显示，随着深度增加，柔性结构的光学增益优势有所下降，但在浅海区域仍具备显著优势。此外，研究团队基于卫星数据与水体数据的水下发电潜力模型，评估了典型水深下的全天发电量，确定了随季节变化的最佳运行范围，在全球海洋环境中展示了柔性水下PV的发电潜力和操作范围，为实际应用提供了有价值的指导。未来，水下柔性光伏的持续发展将为智能化、电动化、无污染化、无噪音化的水下航行器/装备/物联网器件提供广泛的应用。本研究获得了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等项目的资助。

图2.水下光伏发电的全球潜力分析