基于柑橘种植的分布式光伏板发电场景设计

麻学琛，王腾飞，李庆庆，罗 奕，肖浩彬

（1.广西玉柴新能源有限公司，广西 玉林 537000；2.桂林电子科技大学，广西 桂林 541000；3.桂林智工科技有限责任公司，广西 桂林 541000）

0 引言

我国作为全球第一大分布式光伏发电市场，分布式发电应用模式不断创新，已在多个应用领域进行了深度探索并取得了新成果。广西、福建、湖南和江西等地是我国的主要柑橘产区，产区内多山地、光照时间强且光照强度大，年日照时数约为1000～2000 h[1]，而柑橘的生长周期内，一般以年日照时数1200～1500 h最适宜，因此会存在日照时长富余情况，存在分布式发电潜力。此外，柑橘为耐荫作物，散射光有利于柑橘的光合作用，而直射光过强、往往不利于柑橘生产，易引起果实和枝叶灼伤，因此在柑橘生长所需的年日照时数内，存在光能过剩的情况[2]。综上所述，在我国柑橘产区内，存在较大的分布式光伏发展潜力，但分布式光伏在光能资源充足的柑橘产区内鲜有应用。

中国科学技术大学刘文教授提出基于植物光合作用的分光光伏，兼顾了植物生长和分布式光伏发电，能够最大程度上利用太阳能[3]。本文以此为设计出发点，通过在产区内设置兼具转光作用和发电作用的补光发电板，将自然光转换为红光和蓝紫光，对板下植株进行光合作用增益[4]，通过最小的透光部分，使得板下的光照效果达到植株光合作用所需的光饱和点，并将富余的太阳能通过分布式光伏板进行发电储备，探究了分布式光伏在柑橘产区内应用的新模式。

1 方案与整体模型

利用稀土转光膜来提升板下柑橘种植所需红光或蓝紫光强度的设计方案是将设置有转光膜的透光板与光伏板依次间隔组装后（图1），得到补光发电板，并斜向设置在柑橘树体上方，如图2 所示，自然光通过稀土转光膜将不利于柑橘光合作用的光波或不被柑橘光合作用的光波转换为蓝紫光光波和红光光波，板下区域内的红光和蓝紫光在满足柑橘光合作用需要的同时，能最大限度增大光伏板面积，进而最大限度利用太阳光能，实现光伏发电与柑橘种植协调发展。通过将光伏板设置在柑橘树体上方，能够避免阳光直射和落霜，防止柑橘果实表面出现灼伤和冻斑，同时，将光伏板斜向设置在柑橘植株上方，能够在雨季将雨水引导至排水沟渠内，防止出现洪涝。

图1 光伏板安装

图2 光伏板安装及柑橘种植

1.1 补光发电板的补光原理

设置在透光板上的转光膜掺杂Mn4+、氧化合物、氟化物等转光剂，其中氧化合物、氟化物为红色发光材料，Mn4+为激活剂，激活剂中不稳定的离子或者Π电子吸收光子能量后跃迁到不稳定的激发态，然后通过将能量传递给中心离子，处于不稳定激发态的离子跃迁回到稳定的基态。该传递过程中能量会以光或热形式释放出来，由于全过程中吸收的光子能量大于辐射的光子能量，表现为与激发光谱相比，转光剂的发射光谱向低能量方向移动一定的距离，即将500 ～580 nm 的黄绿光和290 ～400 nm 的紫外光转换为400 ～480 nm 的蓝紫光和600 ～680 nm 的红光[5]，红光光波和蓝紫光光波增多，光波转换示意图如图3 示。

图3 光波转换

1.2 补光发电板设计

补光发电板尺寸为2.0 m × 0.8 m，每片补光发电板包括：10 个0.1 m × 0.8 m 光伏板和10 个0.1 m ×0.8 m 转光板；光伏板和转光板依次间隔(图4)，侧边夹持固定。其中，转光板包括散光玻璃板和转光膜，散光玻璃板的光线照射侧为平面，光线照射侧贴合所状转光膜；散光玻璃板的散光侧设置棱台状凸起，如图5 所示，自然白光透过转光膜进行光波转换后，通过散光侧的棱台状凸起进行分散均匀化[6，7]，使板下的红光和蓝紫光以散光的方式照射在柑橘植株上。

图4 光伏板和转光板安装位置

图5 散光玻璃板棱台

1.3 系统搭建

本文提供的光伏农业模型于广西桂平市的某柑橘产区内搭建试验，以一亩产区为搭建单位，搭建系统包括安装架体和补光发电板。

将两个补光发电板长边贴合，搭建4 m2补光发电板，在种植区内呈35° ～40°角度安装在柑橘植株南侧上方[8]。为保证植株间通风，斜向设置补光发电板高端离地高度3.0 m，低端为1.5 m。补光发电板低端对应排水沟渠。

板间距设计：保证在9：00～16：00 时间内，具有良好透光性，最小间距为：

其中，L表示光伏板倾斜面长度，为2.0 m；β表示光伏板倾斜角度，取40°；φ表示当地纬度，为北纬24°[9]。

在产区试验田内以60 株/亩种植密度为宜[10，11]，光伏板排间距为0.35 m，列间间距2.0 m。

2 实验结果与分析

为验证所提供方法的正确性与可行性，于产区试验田内设计并搭建3 组对照组，在所述对照组中，转光板的线照射侧不贴合转光膜，为常规散光玻璃板，3组对照组中散光玻璃板宽度依次为：0.10 m、0.15 m和0.20 m；将实验组与对照组同纬度地区设置，且安装角度一致。

2.1 柑橘果实产量

由于转光膜将不利于光合作用或不被光合作用吸收的光波转换为蓝紫光和红光，实验结果通过亩产量表示实验组和对照组中柑橘光合作用结果，进而表征转光膜对柑橘光合作用的增益情况，柑橘亩产量统计见表1。

表1 柑橘亩产量

表1 数据显示：宽度0.1 m 有膜转光板与0.1 m宽的光伏板依次间隔组装得到的补光发电板，实现柑橘果实亩产量最大化同时，补光发电板上透光部分缩小了33%，实现光伏板占比最大化。

2.2 柑橘果实质量

在阳光照射比较强烈或紫外线较强产区内，柑橘果实会出现日灼病，日灼病致使柑橘果实出现病斑进而导致柑橘局病斑部停止生长，果实出现表皮粗糙，果型不均匀，影响果实品质和售卖[12，13]。

柑橘果实质量用于考量转光膜对于果实质量的影响，本实验中将果实质量分为三个等级：单个果实质量大于80 g 且表皮无灼伤，为A 等级；单个质量大于80 g 但表皮灼伤或表皮无灼伤但单个质量小于80 g，为B 等级；单个质量小于80 g 且表皮灼伤为C 等级。柑橘质量等级统计见表2。

表2 柑橘质量等级统计结果

据表2 数据显示，宽度0.1 m 有膜转光板与0.1 m宽的光伏板依次间隔组装得到的补光发电板，能够最大程度上防治有害光灼烧果实表面，同时提高果实单个重量和品质。

2.3 光伏发电情况

4 月-11 月为柑橘果实的生长周期，实验组和对照组中补光发电板在8 个月的生产周期内发电情况见表3。

表3 光伏发电情况

据表3 数据显示，在光伏板面基占比最大的情况下，补光发电板的发电量最大。结合表1 和表2 提供的数据，宽度为0.1 m 的有膜转光板与0.1 m 宽的光伏板依次间隔组装得到的补光发电板，能够达到柑橘亩产量和亩产发电量最大值。

3 结语

通过将转光膜与透光板结合构成转光板，并与光伏板依次间隔组装，在满足板下光照环境达到柑橘植株光合作用的光饱和点的情况下，将光伏板占比最大化设置，设计了一种基于柑橘种植的分布式光伏板发电场景。通过产区试验表明，补光发电板在对板柑橘进行转光补光的同时，能在最大程度上利用产区内富余的太阳能，兼具经济效益和生态效益。