基于柑橘種植的分布式光伏板發電場景設計

麻學琛，王騰飛，李慶慶，羅 奕，肖浩彬

（1.廣西玉柴新能源有限公司，廣西 玉林 537000；2.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541000；3.桂林智工科技有限責任公司，廣西 桂林 541000）

0 引言

我國作為全球第一大分布式光伏發電市場，分布式發電應用模式不斷創新，已在多個應用領域進行了深度探索并取得了新成果。廣西、福建、湖南和江西等地是我國的主要柑橘產區，產區內多山地、光照時間強且光照強度大，年日照時數約為1000～2000 h[1]，而柑橘的生長周期內，一般以年日照時數1200～1500 h最適宜，因此會存在日照時長富余情況，存在分布式發電潛力。此外，柑橘為耐蔭作物，散射光有利于柑橘的光合作用，而直射光過強、往往不利于柑橘生產，易引起果實和枝葉灼傷，因此在柑橘生長所需的年日照時數內，存在光能過剩的情況[2]。綜上所述，在我國柑橘產區內，存在較大的分布式光伏發展潛力，但分布式光伏在光能資源充足的柑橘產區內鮮有應用。

中國科學技術大學劉文教授提出基于植物光合作用的分光光伏，兼顧了植物生長和分布式光伏發電，能夠最大程度上利用太陽能[3]。本文以此為設計出發點，通過在產區內設置兼具轉光作用和發電作用的補光發電板，將自然光轉換為紅光和藍紫光，對板下植株進行光合作用增益[4]，通過最小的透光部分，使得板下的光照效果達到植株光合作用所需的光飽和點，并將富余的太陽能通過分布式光伏板進行發電儲備，探究了分布式光伏在柑橘產區內應用的新模式。

1 方案與整體模型

利用稀土轉光膜來提升板下柑橘種植所需紅光或藍紫光強度的設計方案是將設置有轉光膜的透光板與光伏板依次間隔組裝后（圖1），得到補光發電板，并斜向設置在柑橘樹體上方，如圖2 所示，自然光通過稀土轉光膜將不利于柑橘光合作用的光波或不被柑橘光合作用的光波轉換為藍紫光光波和紅光光波，板下區域內的紅光和藍紫光在滿足柑橘光合作用需要的同時，能最大限度增大光伏板面積，進而最大限度利用太陽光能，實現光伏發電與柑橘種植協調發展。通過將光伏板設置在柑橘樹體上方，能夠避免陽光直射和落霜，防止柑橘果實表面出現灼傷和凍斑，同時，將光伏板斜向設置在柑橘植株上方，能夠在雨季將雨水引導至排水溝渠內，防止出現洪澇。

圖1 光伏板安裝

圖2 光伏板安裝及柑橘種植

1.1 補光發電板的補光原理

設置在透光板上的轉光膜摻雜Mn4+、氧化合物、氟化物等轉光劑，其中氧化合物、氟化物為紅色發光材料，Mn4+為激活劑，激活劑中不穩定的離子或者Π電子吸收光子能量后躍遷到不穩定的激發態，然后通過將能量傳遞給中心離子，處于不穩定激發態的離子躍遷回到穩定的基態。該傳遞過程中能量會以光或熱形式釋放出來，由于全過程中吸收的光子能量大于輻射的光子能量，表現為與激發光譜相比，轉光劑的發射光譜向低能量方向移動一定的距離，即將500 ～580 nm 的黃綠光和290 ～400 nm 的紫外光轉換為400 ～480 nm 的藍紫光和600 ～680 nm 的紅光[5]，紅光光波和藍紫光光波增多，光波轉換示意圖如圖3 示。

圖3 光波轉換

1.2 補光發電板設計

補光發電板尺寸為2.0 m × 0.8 m，每片補光發電板包括：10 個0.1 m × 0.8 m 光伏板和10 個0.1 m ×0.8 m 轉光板；光伏板和轉光板依次間隔(圖4)，側邊夾持固定。其中，轉光板包括散光玻璃板和轉光膜，散光玻璃板的光線照射側為平面，光線照射側貼合所狀轉光膜；散光玻璃板的散光側設置棱臺狀凸起，如圖5 所示，自然白光透過轉光膜進行光波轉換后，通過散光側的棱臺狀凸起進行分散均勻化[6，7]，使板下的紅光和藍紫光以散光的方式照射在柑橘植株上。

圖4 光伏板和轉光板安裝位置

圖5 散光玻璃板棱臺

1.3 系統搭建

本文提供的光伏農業模型于廣西桂平市的某柑橘產區內搭建試驗，以一畝產區為搭建單位，搭建系統包括安裝架體和補光發電板。

將兩個補光發電板長邊貼合，搭建4 m2補光發電板，在種植區內呈35° ～40°角度安裝在柑橘植株南側上方[8]。為保證植株間通風，斜向設置補光發電板高端離地高度3.0 m，低端為1.5 m。補光發電板低端對應排水溝渠。

板間距設計：保證在9：00～16：00 時間內，具有良好透光性，最小間距為：

其中，L表示光伏板傾斜面長度，為2.0 m；β表示光伏板傾斜角度，取40°；φ表示當地緯度，為北緯24°[9]。

在產區試驗田內以60 株/畝種植密度為宜[10，11]，光伏板排間距為0.35 m，列間間距2.0 m。

2 實驗結果與分析

為驗證所提供方法的正確性與可行性，于產區試驗田內設計并搭建3 組對照組，在所述對照組中，轉光板的線照射側不貼合轉光膜，為常規散光玻璃板，3組對照組中散光玻璃板寬度依次為：0.10 m、0.15 m和0.20 m；將實驗組與對照組同緯度地區設置，且安裝角度一致。

2.1 柑橘果實產量

由于轉光膜將不利于光合作用或不被光合作用吸收的光波轉換為藍紫光和紅光，實驗結果通過畝產量表示實驗組和對照組中柑橘光合作用結果，進而表征轉光膜對柑橘光合作用的增益情況，柑橘畝產量統計見表1。

表1 柑橘畝產量

表1 數據顯示：寬度0.1 m 有膜轉光板與0.1 m寬的光伏板依次間隔組裝得到的補光發電板，實現柑橘果實畝產量最大化同時，補光發電板上透光部分縮小了33%，實現光伏板占比最大化。

2.2 柑橘果實質量

在陽光照射比較強烈或紫外線較強產區內，柑橘果實會出現日灼病，日灼病致使柑橘果實出現病斑進而導致柑橘局病斑部停止生長，果實出現表皮粗糙，果型不均勻，影響果實品質和售賣[12，13]。

柑橘果實質量用于考量轉光膜對于果實質量的影響，本實驗中將果實質量分為三個等級：單個果實質量大于80 g 且表皮無灼傷，為A 等級；單個質量大于80 g 但表皮灼傷或表皮無灼傷但單個質量小于80 g，為B 等級；單個質量小于80 g 且表皮灼傷為C 等級。柑橘質量等級統計見表2。

表2 柑橘質量等級統計結果

據表2 數據顯示，寬度0.1 m 有膜轉光板與0.1 m寬的光伏板依次間隔組裝得到的補光發電板，能夠最大程度上防治有害光灼燒果實表面，同時提高果實單個重量和品質。

2.3 光伏發電情況

4 月-11 月為柑橘果實的生長周期，實驗組和對照組中補光發電板在8 個月的生產周期內發電情況見表3。

表3 光伏發電情況

據表3 數據顯示，在光伏板面基占比最大的情況下，補光發電板的發電量最大。結合表1 和表2 提供的數據，寬度為0.1 m 的有膜轉光板與0.1 m 寬的光伏板依次間隔組裝得到的補光發電板，能夠達到柑橘畝產量和畝產發電量最大值。

3 結語

通過將轉光膜與透光板結合構成轉光板，并與光伏板依次間隔組裝，在滿足板下光照環境達到柑橘植株光合作用的光飽和點的情況下，將光伏板占比最大化設置，設計了一種基于柑橘種植的分布式光伏板發電場景。通過產區試驗表明，補光發電板在對板柑橘進行轉光補光的同時，能在最大程度上利用產區內富余的太陽能，兼具經濟效益和生態效益。