張放心，孟守東，李 明,鄭佳楠，劉文俊，劉 文,

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)公共事務(wù)學(xué)院，安徽 合肥 230026；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230088)

引言

從全球光伏產(chǎn)業(yè)鏈視角來看，中國(guó)已經(jīng)牢牢占據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)鏈龍頭地位。2019 年，中國(guó)硅料、硅片、電池片、組件占全球的產(chǎn)量占比分別為67%、98%、83%和77%[1]。但太陽能作為新能源在我們總發(fā)電量的占比不高，仍有很大的發(fā)展空間。光伏平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目越來越多，光伏經(jīng)濟(jì)性逐步凸顯，但是光伏與農(nóng)業(yè)生態(tài)的結(jié)合，發(fā)展還嚴(yán)重滯后。光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展往往更注重經(jīng)濟(jì)性較好的發(fā)電部分，農(nóng)業(yè)部分發(fā)展比較緩慢。光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新技術(shù)還有待突破，但在光伏遮陰的情況也有很多團(tuán)隊(duì)在研究不同品種尤其喜陰品種的應(yīng)用[2，3]；未來隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏農(nóng)業(yè)照明也有很大的發(fā)展空間。

中國(guó)科大劉文教授[4，5]提出基于植物光合作用的分光光伏，很好地兼顧了植物生長(zhǎng)和光伏發(fā)電[6-8]。理論上，被認(rèn)為是終極的解決方案。團(tuán)隊(duì)正通過自己設(shè)計(jì)和探索低成本的分光膜，未來很有希望。同時(shí)，也有團(tuán)隊(duì)在常規(guī)光伏板下，光照不足的情況實(shí)驗(yàn)不同種植，尤其是喜陰作物生長(zhǎng)的情況[9，10]。本文針對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，進(jìn)一步提出提高光強(qiáng)和均勻性的勻光光伏照明方案。

1 材料與方案

本課題組提出一種利用勻光散光板提升光伏板下的光強(qiáng)和均勻性的勻光型光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。在兩塊晶硅組件之間增加了鋸齒形的散光板(圖1)，通過散光板可以把太陽光均勻的分散至兩側(cè)被組件遮擋的陰影區(qū)域，使得光伏板下的光照得到均勻的提升，從而使得光伏板下農(nóng)作物的品種可選擇性更多，促進(jìn)農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，形成光伏下農(nóng)業(yè)生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖1 單元模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of unit module

為了保證太陽光能夠均勻散射到被遮擋的區(qū)域，勻光散光板的尺寸、紋路和凹槽周期，需要根據(jù)光伏板的架設(shè)高度設(shè)有不同的槽形角度。該光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需采用較高的安裝平面，既可以保證底部土地正常機(jī)械化生產(chǎn)；又可以增大植物接受到散射太陽光，高效的利用太陽光，實(shí)現(xiàn)真正意義的農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)。

1.1 勻光光伏的分光原理

本課題組通過間隙式在兩塊常規(guī)太陽能晶硅板中間插入一個(gè)壓槽玻璃板，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的分束(圖2)，一方面保證太陽能光伏板組件下部的農(nóng)作物都有足夠的光強(qiáng)進(jìn)行光合作用，另外一方面使得壓槽玻璃分光板下面的直射陽光減弱，適合喜陰農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

圖2 勻光散光板的分束勻光原理圖Fig.2 Schematic diagram ofuniform light plate by beam splitting

通過改變勻光散光板的壓槽結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度的不同寬度的分束功能，散光板的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成任何傾角、間距和高度，使其能夠均勻的分散光在光伏板被遮擋的區(qū)域從而能最大限度地不影響植物的生長(zhǎng)[11]。

1.2 勻光散光板的設(shè)計(jì)與思路

勻光散光板的選擇是本課題的核心，涉及到光柵型的散光板整體的大小，以及每一個(gè)凹槽的尺寸和周期?？紤]到實(shí)驗(yàn)設(shè)施的搭建和后續(xù)的推廣應(yīng)用，散光板的整體大小要考慮常規(guī)光伏板尺寸和架設(shè)的高度。一般光伏板的長(zhǎng)和寬為1 960 mm×992 mm或者1 650 mm×992 mm兩種規(guī)格，架設(shè)的中心高度約為2 500 mm。散光板的寬度和長(zhǎng)度盡可能保持和常規(guī)光伏板尺寸保持一致，選取散光板寬度為992 mm。在考慮太陽光垂直入射的情況下，每一個(gè)凹槽周期由a、b、c三段組成類似等邊梯形結(jié)構(gòu)(圖3)。在等邊梯形斜邊角度合適的情況下，a+b=c時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)通過分光散光板將太陽光束均勻的分成三個(gè)部分分別落于散光板和兩邊的光伏板下。

勻光散光板的凹槽斜邊傾斜角度在如上條件下，和光伏板架設(shè)的高度H以及勻光板兩邊光伏所遮擋的長(zhǎng)度L相關(guān)；勻光散光板出射光的角度等于arctan(L/H)。

光伏板下的光照在不考慮雜散光的情況下，勻光板將太陽均勻的分成三份，光伏組件由遮光提升至大約太陽光的30%。考慮太陽光中雜散光約占直射光的10%～20%以及分光散光板透射率90%，預(yù)計(jì)光伏板下的太陽光達(dá)到40%。

圖3 勻光散光板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of uniform astigmatism plate

1.3 勻光光伏系統(tǒng)搭建

項(xiàng)目組已于安徽阜陽潁東區(qū)示范基地(N32°53′, E115°48′)(圖4)和安徽宿州國(guó)家農(nóng)業(yè)示范園(N36°60′, E117°03′)(圖5)，分別搭建了兩處勻光型光伏農(nóng)業(yè)的實(shí)驗(yàn)基地。選取常規(guī)電站建設(shè)通用的多晶硅電池組件，光伏板架高約為2.5 m，勻光散光板選取了壓槽型的大燈芯玻璃板，基本尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求聯(lián)系廠家進(jìn)行了裁切。光伏的基本裝機(jī)容量分別是35 kW和40 kW，并在勻光光伏下開展了不同作物的種植效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖4 勻光光伏示范實(shí)驗(yàn)基地(安徽·阜陽)Fig.4 Uniform photovoltaic demonstration experimental base (Fuyang, Anhui)

圖5 勻光光伏示范實(shí)驗(yàn)基地(安徽·宿州)Fig.5 Uniform photovoltaic demonstration experimental base (Suzhou, Anhui)

2 結(jié)果

2.1 光伏陰影部分光強(qiáng)的測(cè)試

在阜陽市潁東區(qū)光伏示范基地，搭建35 kW勻光型光伏農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)基地(圖6)，以此為例。

圖6 阜陽示范實(shí)驗(yàn)基地陣列圖Fig.6 Array of Fuyang demonstration experimental base

圖7 勻光后光強(qiáng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖 Fig.7 Field diagram of light intensity test

如圖7所示，勻光散光板1和光伏板2、3底部的光照分布相對(duì)均勻。區(qū)域5為光伏板下沒有勻光散光板的陰影光照情況，通過勻光散光板的光調(diào)制，光伏板2和3陰影處的光強(qiáng)顯著提升，光強(qiáng)的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 勻光光伏底部光強(qiáng)分布

區(qū)域5的光照強(qiáng)度，我們選取了同一地區(qū)的已建成協(xié)鑫公司的光伏農(nóng)業(yè)電站的光照作為對(duì)照組，如表2所示。

表2 普通光伏板底部光強(qiáng)分布

通過實(shí)際測(cè)試結(jié)果，協(xié)鑫光伏電站下，雖然光伏支架也升至2 m高，但光伏板下陰影光照同期只有太陽光的14%。而通過勻光散光板干預(yù)后光伏板下平均光強(qiáng)達(dá)到30%。光伏板下光強(qiáng)提升了約1倍，整個(gè)光伏板下的均勻性也得到提升。

2.2 作物生長(zhǎng)情況

我們根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候條件和季節(jié)，選取了不同的農(nóng)作物，分別在勻光光伏板下和相鄰露天土地上在相同農(nóng)業(yè)種植管理?xiàng)l件下進(jìn)行了種植驗(yàn)證。于2019至2020年度在阜陽實(shí)驗(yàn)區(qū)種植了洋姜和蠶豆，在宿州實(shí)驗(yàn)區(qū)種植了土豆。

圖8 洋姜種植Fig.8 Growth of Jerusalem artichoke

在阜陽實(shí)驗(yàn)區(qū)，洋姜(圖8)和蠶豆的種植密度分別為50 mm×50 mm和30 mm×mm，在同樣農(nóng)業(yè)管理的條件下，露天畝產(chǎn)分別為1960.75 kg和380.46 kg，而勻光光伏下的畝產(chǎn)分別為2415.00 kg和359.45 kg。在宿州實(shí)驗(yàn)區(qū)，同樣的條件下露天土豆畝產(chǎn)1220.61kg，而勻光光伏下土豆畝產(chǎn)達(dá)到1447.39 kg。

2.3 光伏發(fā)電情況

宿州勻光型光伏農(nóng)業(yè)40 kW的實(shí)驗(yàn)基地，初步建成于2019年3月，從3月日開始發(fā)電，截止至2019年12月底的每個(gè)月的發(fā)電量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 勻光光伏示范基地月發(fā)電量(2019.3—2019.12)(kWh)

本光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，選取當(dāng)前市場(chǎng)主流規(guī)格的多晶硅光伏板，統(tǒng)計(jì)顯示平均每個(gè)月的發(fā)電量為4 227 kWh，發(fā)電量與預(yù)期保持一致。

3 總結(jié)與展望

本課題組為了進(jìn)一步提升光伏農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)效果和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性，提出了基于勻光散光板的勻光型光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的架高型光伏農(nóng)業(yè)，光照提升了約2倍，擴(kuò)展了光伏板下種植品質(zhì)的選擇。本項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)并不會(huì)對(duì)光伏組件產(chǎn)生直接影響，整體發(fā)電量的收益是基本得到保障的。由于增加勻光散光板和分?jǐn)偣夥Ъ軒沓杀驹黾?，和晶硅組件相比，從發(fā)電的角度系統(tǒng)總成本提升約15%，但會(huì)帶來更多土地上農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

本次選取了三種農(nóng)作物，洋姜和土豆產(chǎn)量，相對(duì)露天分別提升了23%和19%，而蠶豆的產(chǎn)量卻降低了6%。但比較傳統(tǒng)光伏的種植效果，產(chǎn)生的效果是明顯的。該方案對(duì)于作物產(chǎn)量，有的提升，有的降低，提升的均為果實(shí)在土地下的作物，后續(xù)有待更多的實(shí)驗(yàn)和分析。本次實(shí)驗(yàn)搭建的實(shí)驗(yàn)基地，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)開展和推廣試點(diǎn)有一定的意義。

致謝：感謝中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金，阜陽市政府-阜陽師范學(xué)院橫向項(xiàng)目(編號(hào):XDHX201724)和宿州市科技局對(duì)本項(xiàng)目研究的大力支持。