一種勻光型光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實驗與研究

張放心，孟守東，李 明,鄭佳楠，劉文俊，劉 文,

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國科學(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，中國已經(jīng)牢牢占據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)鏈龍頭地位。2019 年，中國硅料、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。光伏平價上網(wǎng)項目越來越多，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)隊正通過自己設(shè)計和探索低成本的分光膜，未來很有希望。同時，也有團(tuán)隊在常規(guī)光伏板下，光照不足的情況實驗不同種植，尤其是喜陰作物生長的情況[9，10]。本文針對農(nóng)作物的生長，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壓槽玻璃板，實現(xiàn)對光的分束(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。

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)可以實現(xiàn)對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[11]。

1.2 勻光散光板的設(shè)計與思路

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，以及每一個凹槽的尺寸和周期?？紤]到實驗設(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，即可實現(xiàn)通過分光散光板將太陽光束均勻的分成三個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%?？紤]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)的實驗基地。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比實驗。

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

圖5 勻光光伏示范實驗基地(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)實驗基地(圖6)，以此為例。

圖6 阜陽示范實驗基地陣列圖Fig.6 Array of Fuyang demonstration experimental base

圖7 勻光后光強(qiáng)測試現(xiàn)場圖 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)電站的光照作為對照組，如表2所示。

表2 普通光伏板底部光強(qiáng)分布

通過實際測試結(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，整個光伏板下的均勻性也得到提升。

2.2 作物生長情況

我們根據(jù)項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)種植管理條件下進(jìn)行了種植驗證。于2019至2020年度在阜陽實驗區(qū)種植了洋姜和蠶豆，在宿州實驗區(qū)種植了土豆。

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

在阜陽實驗區(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。在宿州實驗區(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的實驗基地，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)前市場主流規(guī)格的多晶硅光伏板，統(tǒng)計顯示平均每個月的發(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。本項技術(shù)改進(jìn)并不會對光伏組件產(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。該方案對于作物產(chǎn)量，有的提升，有的降低，提升的均為果實在土地下的作物，后續(xù)有待更多的實驗和分析。本次實驗搭建的實驗基地，對后續(xù)實驗開展和推廣試點有一定的意義。

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