一种匀光型光伏农业系统的实验与研究

张放心，孟守东，李 明,郑佳楠，刘文俊，刘 文,

(1.中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学公共事务学院，安徽 合肥 230026；3.中国科学技术大学先进技术研究院，安徽 合肥 230088)

引言

从全球光伏产业链视角来看，中国已经牢牢占据光伏产业链龙头地位。2019 年，中国硅料、硅片、电池片、组件占全球的产量占比分别为67%、98%、83%和77%[1]。但太阳能作为新能源在我们总发电量的占比不高，仍有很大的发展空间。光伏平价上网项目越来越多，光伏经济性逐步凸显，但是光伏与农业生态的结合，发展还严重滞后。光伏农业的发展往往更注重经济性较好的发电部分，农业部分发展比较缓慢。光伏农业的发展，在经济性和创新技术还有待突破，但在光伏遮阴的情况也有很多团队在研究不同品种尤其喜阴品种的应用[2，3]；未来随着光伏产业的发展，光伏农业照明也有很大的发展空间。

中国科大刘文教授[4，5]提出基于植物光合作用的分光光伏，很好地兼顾了植物生长和光伏发电[6-8]。理论上，被认为是终极的解决方案。团队正通过自己设计和探索低成本的分光膜，未来很有希望。同时，也有团队在常规光伏板下，光照不足的情况实验不同种植，尤其是喜阴作物生长的情况[9，10]。本文针对农作物的生长，进一步提出提高光强和均匀性的匀光光伏照明方案。

1 材料与方案

本课题组提出一种利用匀光散光板提升光伏板下的光强和均匀性的匀光型光伏农业系统。在两块晶硅组件之间增加了锯齿形的散光板(图1)，通过散光板可以把太阳光均匀的分散至两侧被组件遮挡的阴影区域，使得光伏板下的光照得到均匀的提升，从而使得光伏板下农作物的品种可选择性更多，促进农作物的品质和产量，形成光伏下农业生态的协调发展。

图1 单元模块示意图Fig.1 Schematic diagram of unit module

为了保证太阳光能够均匀散射到被遮挡的区域，匀光散光板的尺寸、纹路和凹槽周期，需要根据光伏板的架设高度设有不同的槽形角度。该光伏农业系统需采用较高的安装平面，既可以保证底部土地正常机械化生产；又可以增大植物接受到散射太阳光，高效的利用太阳光，实现真正意义的农业光伏系统。

1.1 匀光光伏的分光原理

本课题组通过间隙式在两块常规太阳能晶硅板中间插入一个压槽玻璃板，实现对光的分束(图2)，一方面保证太阳能光伏板组件下部的农作物都有足够的光强进行光合作用，另外一方面使得压槽玻璃分光板下面的直射阳光减弱，适合喜阴农作物的生长。

图2 匀光散光板的分束匀光原理图Fig.2 Schematic diagram ofuniform light plate by beam splitting

通过改变匀光散光板的压槽结构可以实现对不同高度的不同宽度的分束功能，散光板的结构可以设计成任何倾角、间距和高度，使其能够均匀的分散光在光伏板被遮挡的区域从而能最大限度地不影响植物的生长[11]。

1.2 匀光散光板的设计与思路

匀光散光板的选择是本课题的核心，涉及到光栅型的散光板整体的大小，以及每一个凹槽的尺寸和周期。考虑到实验设施的搭建和后续的推广应用，散光板的整体大小要考虑常规光伏板尺寸和架设的高度。一般光伏板的长和宽为1 960 mm×992 mm或者1 650 mm×992 mm两种规格，架设的中心高度约为2 500 mm。散光板的宽度和长度尽可能保持和常规光伏板尺寸保持一致，选取散光板宽度为992 mm。在考虑太阳光垂直入射的情况下，每一个凹槽周期由a、b、c三段组成类似等边梯形结构(图3)。在等边梯形斜边角度合适的情况下，a+b=c时，即可实现通过分光散光板将太阳光束均匀的分成三个部分分别落于散光板和两边的光伏板下。

匀光散光板的凹槽斜边倾斜角度在如上条件下，和光伏板架设的高度H以及匀光板两边光伏所遮挡的长度L相关；匀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虑杂散光的情况下，匀光板将太阳均匀的分成三份，光伏组件由遮光提升至大约太阳光的30%。考虑太阳光中杂散光约占直射光的10%～20%以及分光散光板透射率90%，预计光伏板下的太阳光达到40%。

图3 匀光散光板结构图Fig.3 Structure of uniform astigmatism plate

1.3 匀光光伏系统搭建

项目组已于安徽阜阳颍东区示范基地(N32°53′, E115°48′)(图4)和安徽宿州国家农业示范园(N36°60′, E117°03′)(图5)，分别搭建了两处匀光型光伏农业的实验基地。选取常规电站建设通用的多晶硅电池组件，光伏板架高约为2.5 m，匀光散光板选取了压槽型的大灯芯玻璃板，基本尺寸根据设计要求联系厂家进行了裁切。光伏的基本装机容量分别是35 kW和40 kW，并在匀光光伏下开展了不同作物的种植效果对比实验。

图4 匀光光伏示范实验基地(安徽·阜阳)Fig.4 Uniform photovoltaic demonstration experimental base (Fuyang, Anhui)

图5 匀光光伏示范实验基地(安徽·宿州)Fig.5 Uniform photovoltaic demonstration experimental base (Suzhou, Anhui)

2 结果

2.1 光伏阴影部分光强的测试

在阜阳市颍东区光伏示范基地，搭建35 kW匀光型光伏农业实验基地(图6)，以此为例。

图6 阜阳示范实验基地阵列图Fig.6 Array of Fuyang demonstration experimental base

图7 匀光后光强测试现场图 Fig.7 Field diagram of light intensity test

如图7所示，匀光散光板1和光伏板2、3底部的光照分布相对均匀。区域5为光伏板下没有匀光散光板的阴影光照情况，通过匀光散光板的光调制，光伏板2和3阴影处的光强显著提升，光强的测量结果如表1所示。

表1 匀光光伏底部光强分布

区域5的光照强度，我们选取了同一地区的已建成协鑫公司的光伏农业电站的光照作为对照组，如表2所示。

表2 普通光伏板底部光强分布

通过实际测试结果，协鑫光伏电站下，虽然光伏支架也升至2 m高，但光伏板下阴影光照同期只有太阳光的14%。而通过匀光散光板干预后光伏板下平均光强达到30%。光伏板下光强提升了约1倍，整个光伏板下的均匀性也得到提升。

2.2 作物生长情况

我们根据项目所在地的气候条件和季节，选取了不同的农作物，分别在匀光光伏板下和相邻露天土地上在相同农业种植管理条件下进行了种植验证。于2019至2020年度在阜阳实验区种植了洋姜和蚕豆，在宿州实验区种植了土豆。

图8 洋姜种植Fig.8 Growth of Jerusalem artichoke

在阜阳实验区，洋姜(图8)和蚕豆的种植密度分别为50 mm×50 mm和30 mm×mm，在同样农业管理的条件下，露天亩产分别为1960.75 kg和380.46 kg，而匀光光伏下的亩产分别为2415.00 kg和359.45 kg。在宿州实验区，同样的条件下露天土豆亩产1220.61kg，而匀光光伏下土豆亩产达到1447.39 kg。

2.3 光伏发电情况

宿州匀光型光伏农业40 kW的实验基地，初步建成于2019年3月，从3月日开始发电，截止至2019年12月底的每个月的发电量数据如表3所示。

表3 匀光光伏示范基地月发电量(2019.3—2019.12)(kWh)

本光伏农业系统，选取当前市场主流规格的多晶硅光伏板，统计显示平均每个月的发电量为4 227 kWh，发电量与预期保持一致。

3 总结与展望

本课题组为了进一步提升光伏农业的农业效果和经济适应性，提出了基于匀光散光板的匀光型光伏农业系统。该系统相对传统的架高型光伏农业，光照提升了约2倍，扩展了光伏板下种植品质的选择。本项技术改进并不会对光伏组件产生直接影响，整体发电量的收益是基本得到保障的。由于增加匀光散光板和分摊光伏支架带来成本增加，和晶硅组件相比，从发电的角度系统总成本提升约15%，但会带来更多土地上农作物的经济效益和生态效益。

本次选取了三种农作物，洋姜和土豆产量，相对露天分别提升了23%和19%，而蚕豆的产量却降低了6%。但比较传统光伏的种植效果，产生的效果是明显的。该方案对于作物产量，有的提升，有的降低，提升的均为果实在土地下的作物，后续有待更多的实验和分析。本次实验搭建的实验基地，对后续实验开展和推广试点有一定的意义。

致谢：感谢中央高校基本科研业务费专项资金，阜阳市政府-阜阳师范学院横向项目(编号:XDHX201724)和宿州市科技局对本项目研究的大力支持。