一種勻光型光伏農業系統的實驗與研究

張放心，孟守東，李 明,鄭佳楠，劉文俊，劉 文,

(1.中國科學技術大學物理學院，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學公共事務學院，安徽 合肥 230026；3.中國科學技術大學先進技術研究院，安徽 合肥 230088)

引言

從全球光伏產業鏈視角來看，中國已經牢牢占據光伏產業鏈龍頭地位。2019 年，中國硅料、硅片、電池片、組件占全球的產量占比分別為67%、98%、83%和77%[1]。但太陽能作為新能源在我們總發電量的占比不高，仍有很大的發展空間。光伏平價上網項目越來越多，光伏經濟性逐步凸顯，但是光伏與農業生態的結合，發展還嚴重滯后。光伏農業的發展往往更注重經濟性較好的發電部分，農業部分發展比較緩慢。光伏農業的發展，在經濟性和創新技術還有待突破，但在光伏遮陰的情況也有很多團隊在研究不同品種尤其喜陰品種的應用[2，3]；未來隨著光伏產業的發展，光伏農業照明也有很大的發展空間。

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電[6-8]。理論上，被認為是終極的解決方案。團隊正通過自己設計和探索低成本的分光膜，未來很有希望。同時，也有團隊在常規光伏板下，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]。本文針對農作物的生長，進一步提出提高光強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和均勻性的勻光型光伏農業系統。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被組件遮擋的陰影區域，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作物的品種可選擇性更多，促進農作物的品質和產量，形成光伏下農業生態的協調發展。

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域，勻光散光板的尺寸、紋路和凹槽周期，需要根據光伏板的架設高度設有不同的槽形角度。該光伏農業系統需采用較高的安裝平面，既可以保證底部土地正常機械化生產；又可以增大植物接受到散射太陽光，高效的利用太陽光，實現真正意義的農業光伏系統。

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太陽能晶硅板中間插入一個壓槽玻璃板，實現對光的分束(圖2)，一方面保證太陽能光伏板組件下部的農作物都有足夠的光強進行光合作用，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構可以實現對不同高度的不同寬度的分束功能，散光板的結構可以設計成任何傾角、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。考慮到實驗設施的搭建和后續的推廣應用，散光板的整體大小要考慮常規光伏板尺寸和架設的高度。一般光伏板的長和寬為1 960 mm×992 mm或者1 650 mm×992 mm兩種規格，架設的中心高度約為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構(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，和光伏板架設的高度H以及勻光板兩邊光伏所遮擋的長度L相關；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%，預計光伏板下的太陽光達到40%。

圖3 勻光散光板結構圖Fig.3 Structure of uniform astigmatism plate

1.3 勻光光伏系統搭建

項目組已于安徽阜陽潁東區示范基地(N32°53′, E115°48′)(圖4)和安徽宿州國家農業示范園(N36°60′, E117°03′)(圖5)，分別搭建了兩處勻光型光伏農業的實驗基地。選取常規電站建設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，基本尺寸根據設計要求聯系廠家進行了裁切。光伏的基本裝機容量分別是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 結果

2.1 光伏陰影部分光強的測試

在阜陽市潁東區光伏示范基地，搭建35 kW勻光型光伏農業實驗基地(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 勻光后光強測試現場圖 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制，光伏板2和3陰影處的光強顯著提升，光強的測量結果如表1所示。

表1 勻光光伏底部光強分布

區域5的光照強度，我們選取了同一地區的已建成協鑫公司的光伏農業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分布

通過實際測試結果，協鑫光伏電站下，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后光伏板下平均光強達到30%。光伏板下光強提升了約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

我們根據項目所在地的氣候條件和季節，選取了不同的農作物，分別在勻光光伏板下和相鄰露天土地上在相同農業種植管理條件下進行了種植驗證。于2019至2020年度在阜陽實驗區種植了洋姜和蠶豆，在宿州實驗區種植了土豆。

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

在阜陽實驗區，洋姜(圖8)和蠶豆的種植密度分別為50 mm×50 mm和30 mm×mm，在同樣農業管理的條件下，露天畝產分別為1960.75 kg和380.46 kg，而勻光光伏下的畝產分別為2415.00 kg和359.45 kg。在宿州實驗區，同樣的條件下露天土豆畝產1220.61kg，而勻光光伏下土豆畝產達到1447.39 kg。

2.3 光伏發電情況

宿州勻光型光伏農業40 kW的實驗基地，初步建成于2019年3月，從3月日開始發電，截止至2019年12月底的每個月的發電量數據如表3所示。

表3 勻光光伏示范基地月發電量(2019.3—2019.12)(kWh)

本光伏農業系統，選取當前市場主流規格的多晶硅光伏板，統計顯示平均每個月的發電量為4 227 kWh，發電量與預期保持一致。

3 總結與展望

本課題組為了進一步提升光伏農業的農業效果和經濟適應性，提出了基于勻光散光板的勻光型光伏農業系統。該系統相對傳統的架高型光伏農業，光照提升了約2倍，擴展了光伏板下種植品質的選擇。本項技術改進并不會對光伏組件產生直接影響，整體發電量的收益是基本得到保障的。由于增加勻光散光板和分攤光伏支架帶來成本增加，和晶硅組件相比，從發電的角度系統總成本提升約15%，但會帶來更多土地上農作物的經濟效益和生態效益。

本次選取了三種農作物，洋姜和土豆產量，相對露天分別提升了23%和19%，而蠶豆的產量卻降低了6%。但比較傳統光伏的種植效果，產生的效果是明顯的。該方案對于作物產量，有的提升，有的降低，提升的均為果實在土地下的作物，后續有待更多的實驗和分析。本次實驗搭建的實驗基地，對后續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務費專項資金，阜陽市政府-阜陽師范學院橫向項目(編號:XDHX201724)和宿州市科技局對本項目研究的大力支持。