基于植物光合作用的太陽光譜分離技術進展

張昕昱，張智深，張放心，李 明，劉 文

(中國科學技術大學物理學院，安徽合肥 230026)

引言

能源是人類社會的重要資源之一。隨著人類社會的發(fā)展和對化石能源等資源的快速消耗，能源問題逐漸成為人類面臨的焦點問題。傳統(tǒng)化石能源是生物在長時間的地質變化中形成的，屬于不可再生能源。同時，由于對化石能源的低水平使用導致了很多的環(huán)境問題，因此，發(fā)展清潔能源來取代化石能源成為了亟待推進的任務[1,2]。另一方面，我國太陽能資源十分豐富，每年接受的太陽能能量相當于24 000億噸標準煤[3]。全國大部分區(qū)域全年平均輻照值在1 500 kW·h/m2，且多數(shù)區(qū)域每年日照可在2 000 h以上，發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆＝鼛啄晡覈夥a(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)，2017年光伏發(fā)電新增裝機5 306萬kW，截至2017年12月底全國光伏發(fā)電裝機達到1.3億kW。但由于集中式光伏電站大部分都在人口稀少的地區(qū)，放棄電力的情況時有發(fā)生。而分布式光伏成為我國光伏市場發(fā)展的一大亮點[4]。國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示,2017年分布式光伏新增裝機達到1 944萬kW。國家能源局在《能源發(fā)展十三五規(guī)劃》和《可再生能源十三五規(guī)劃》中也鼓勵全面參與分布式光伏投資建設。相較于傳統(tǒng)屋頂光伏受限制于有限的屋頂數(shù)量的問題，面向農(nóng)村的分布式發(fā)電可以免去這些煩惱。然而，我國仍面臨著人均耕地面積短缺的問題。所以，如何解決光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植的土地矛盾成為光伏農(nóng)業(yè)中一個亟待突破的問題[5]。

1 光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題

2014年國家能源局發(fā)布的《關于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關政策的通知》中提到，因地制宜利用廢棄土地、荒山荒坡、農(nóng)業(yè)大棚、灘涂、魚塘、湖泊等建設就地消納的分布式光伏電站[6]。光伏產(chǎn)業(yè)的回暖也和國家扶持政策息息相關。雖然光伏農(nóng)業(yè)行業(yè)目前發(fā)展迅速，但是仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展的初衷是在不影響植物生長的情況下發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)太陽光的高效利用[7]。目前，現(xiàn)有的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在太陽光的處理方式上大致可以分為幾何分光和強度分光兩種[8]。

第一種是采用幾何分光的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，這是現(xiàn)在光伏農(nóng)業(yè)中較為常用的分光方式。在這種系統(tǒng)中，晶硅電池板在農(nóng)田面積上有一定占空比，但問題是這樣安排的電池板下部會存在沒有光照或者光照不均勻的情況，這將導致部分農(nóng)作物實際光照時間往往縮短很多，進而使得農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質受到很大的影響(圖1)。光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程的建設，不僅是中國在積極推進，而且在日本、意大利和德國等發(fā)達國家也都有小規(guī)模示范應用[9，10]。但與此同時暴露的問題也越來越突出,主要是發(fā)現(xiàn)對農(nóng)作物的生長實際上有嚴重影響。

圖1 采用幾何分光的光伏農(nóng)業(yè)項目Fig.1 A photovoltaic agricultural project with geometric splitter

第二種是用強度分光的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，光伏電池采用半透明的薄膜太陽能電池，例如銅銦硒電池、碲化鎘電池等[11](圖2)。這些電池看起來是半透光的，但常見的薄膜太陽能電池在植物的光合有效輻射波段都有較高的吸收率，而且基本都覆蓋植物光合作用吸收譜中的紅光吸收峰。所以透過薄膜太陽能電池的太陽光質量較差，對于植物的光合作用貢獻不夠。

圖2 采用強度分光的光伏農(nóng)業(yè)項目Fig.2 A photovoltaic agricultural project with intensity splitter

現(xiàn)代植物學研究表明，植物對太陽能的吸收不到1%，因此光伏農(nóng)業(yè)并不是一個“偽命題”。實際上對大部分植物來說，葉綠素吸收進行光合作用需要的光波長都是相近的，而由于太陽光譜很寬，并不是所有太陽光譜成分都對植物生長有益，我們可以將植物所需特定波長的光分離出來，把太陽光10%左右的光譜選擇出來用于農(nóng)作物生長就足夠了，其他多余的光能再用作光伏發(fā)電。

光伏電池對不同波長的光子吸收范圍是由光伏電池材料的帶隙寬度決定的，因此不同的光伏電池的吸收光譜會覆蓋不同波長范圍。然而到目前為止，還沒有一種材料的光伏電池可以覆蓋從近紫外到近紅外的太陽光主要功率范圍(380～1 200 nm)。因此可以通過光譜分離的辦法將太陽光進行分光，將對應不同光伏電池的光進行光譜分離照射到相應的光伏電池片上，以此來提高光伏系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。

2006年荷蘭瓦赫寧根大學的Sonneveld等[12]將光譜分離技術應用于光伏農(nóng)業(yè)的研究，提出可以將光譜分離應用于光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，并在2008年建設了帶有光譜分離的光伏發(fā)電系統(tǒng)屋頂?shù)臏厥襕13](圖3)。該光伏發(fā)電系統(tǒng)采用聚光跟蹤方式發(fā)電。他們使用的涂層可以對800～1 200 nm的近紅外光進行反射[14]。同時，溫室的屋頂被做成拋物線型陣列以作為光伏系統(tǒng)的反射槽，反射槽槽面上涂有一層可以對800～1 200 nm的近紅外光進行反射的涂層，該涂層可以將近紅外光反射會聚到電池組件上。

2008—2009年，Sonneveld等[15]對系統(tǒng)進行了測試，該系統(tǒng)全年光伏發(fā)電電量達到20 kW·h/m2。但受到涂層反射譜的限制和聚光跟蹤系統(tǒng)的損耗，整個光伏系統(tǒng)效率僅有3%，效率很低，難以進行實際應用，而且槽面透過的光譜也沒有針對植物光合作用的光譜進行優(yōu)化，不能實現(xiàn)精準分光。

2 太陽光譜分離技術解決方案及進展

太陽光98%的能量集中在150 nm的紫外光到4 000 nm的紅外光之間，植物光合作用只能利用其中很小的一部分。植物中雖然含有很多種色素，例如葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉黃素、花青素等，但是參與吸收光子過程的色素主要為葉綠素a和葉綠素b。葉綠素a的藍光吸收峰為430 nm，紅光吸收峰為660 nm；葉綠素b的藍光吸收峰為435 nm，紅光吸收峰為643 nm[13]。值得注意的是，包括紫外光和遠紅光在內的其他波長的光也是植物生長所必需的，但所需的數(shù)量很少，在新型的基于聚光光伏技術的農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)中這部分光將通過散射的太陽光來提供。地面上太陽光通常分為二部分——直射光和漫散射光，后者約占15%～20%。所以對太陽光進行光譜分離，將植物光合作用大量吸收的紅藍光透過，其它部分光用于發(fā)電具有理論上的可行性(圖4)。

圖4 干涉膜透過譜與太陽光譜和晶硅電池吸收曲線對比Fig.4 Comparison of the transmittance spectrum between the interference film and the solar spectrum and the absorption curve of the crystalline silicon cell

為此，我們團隊提出了如下解決方案：基于植物光合作用吸收譜的光譜分光光伏農(nóng)業(yè)方案，利用光學干涉膜，通過將干涉膜的透過譜與植物光合作用吸收譜所匹配，將其余波長的光反射用于發(fā)電，達到把太陽光最大化利用的目的。干涉膜利用光的干涉效應，由折射率不同的材料間隔排列成折射率周期性變化結構的薄膜。光在每一層薄膜結構的上表面和下表面分別發(fā)生反射，并疊加在一起。受每層薄膜材料的厚度，折射率等因素影響，只有特定波長的反射光會相干相消。這樣就可以通過設計干涉膜的結構得到特定透過譜和反射譜的干涉膜。

目前該項目組已經(jīng)實現(xiàn)了具有450±20 nm的藍光透過峰和660±20 nm的紅光透過峰的膜層結構設計。由于實驗條件和成本控制等因素，我們用現(xiàn)有的成品塑料膜進行了實驗(圖5)。

圖5 基于光譜分離的新型光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型Fig.5 A new photovoltaic agriculture system model based on spectral separation

實驗裝置為槽型聚光系統(tǒng)，塑料干涉膜被貼于拋物線槽上(圖6)。397～492 nm的藍光和604～852 nm的紅光和近紅外光被塑料干涉膜透過照射在下方植物上，其余波段的光被塑料干涉膜反射聚焦在拋物線槽焦點處的晶硅電池片組件用于發(fā)電。經(jīng)過測量，該系統(tǒng)全天最高發(fā)光效率為8.84%，全天平均發(fā)電效率為8.37%，接近現(xiàn)有的光伏大棚總發(fā)電效率(圖7)。干涉膜的膜系結構和透過光譜可以進一步改進，系統(tǒng)發(fā)電效率還有望提高一半，接近現(xiàn)有的專用光伏電站發(fā)電效率。同時透過塑料干涉膜的紅藍光，不僅沒有影響作物的生長，還提高了作物的品質和產(chǎn)量[18]。通過對生菜、空心菜、黃瓜等三種植物的培養(yǎng)和觀察，可以得到處于貼有塑料干涉膜下的植株無論是產(chǎn)量，品質還是光合指標均要好于無膜的對照組植株。相比于現(xiàn)有的光伏溫室對作物有一定的影響，該方案顯示出了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益的優(yōu)點。

圖6 項目組2018年7月完成的基于光譜分離技術的光伏農(nóng)業(yè)示范項目照片F(xiàn)ig.6 Photovoltaic agriculture demonstration project completed by project team based on spectral separation technology

圖7 光伏農(nóng)業(yè)示范裝置的發(fā)電效率測試Fig.7 Test of generating efficiency of photovoltaic agricultural demonstration device

3 結束語

村級光伏電站已逐漸成為農(nóng)村光伏扶貧電站的主要形式，光伏農(nóng)業(yè)前途光明，有望引領一次工業(yè)農(nóng)業(yè)融合創(chuàng)新的潮流[16，17]。為解決目前存在的問題，我們提出了采用全新的采用光譜分離技術的聚光光伏解決方案，以及采用傳統(tǒng)光伏板與壓槽玻璃結合的解決方案，通過充分的理論計算和實際種植驗證，它們均被證明有極高的可行性。與常規(guī)的對植物產(chǎn)生遮擋的光伏板方案相比，這些系統(tǒng)能夠在利用農(nóng)田的基礎上，生產(chǎn)具價格具有競爭力的電能。通過對本文提出的第一種方案的示范裝置的測量，它的平均發(fā)電效率約為8.37%。目前PCV型薄膜的反射光譜面積約為500～600 nm和850～1 100 nm。如果我們改進了用于光譜分離的膜并采用多結太陽能電池，這種系統(tǒng)的光電轉換效率仍然具有巨大的增長潛力。采用常規(guī)硅太陽能電池板下，該系統(tǒng)效率預計能達到16%，采用多結GaAs/Ge基太陽能電池后系統(tǒng)效率預計能達到30%[18]以上。因此通過與新型農(nóng)業(yè)光伏技術的結合，聚光光伏技術可能獲得新的“動能”，再次進入一個新的發(fā)展時期。對于使用壓槽玻璃板的光伏農(nóng)業(yè)裝置，我們可以根據(jù)植物的光照需求非常靈活地調整光照，可操作性極強，這種系統(tǒng)裝置光照強度可調，屬于村級光伏農(nóng)業(yè)電站的中間解決方案，而第一種方案的聚光光伏(CPV)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)了精準的光譜分離，這種分離光譜與植物光合作用吻合技術路線有望成為光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的最終解決方案[19]。