利用濾光膜和反光作用的新型農(nóng)光互補方陣原理與建模分析**

侯孟婧

(1.國家能源集團綠色能源與建筑研究中心，北京市，102211；2.北京低碳清潔能源研究院，北京市，102211)

0 引言

光伏發(fā)電作為清潔、低成本的新能源形式，近年來得到了大規(guī)模的普及應用[1-3]。在我國的中、東部地區(qū)，用電需求大，閑置土地少，光伏電站用地較為緊張。因此，光伏行業(yè)普遍希望利用農(nóng)田建設光伏電站，也做出了很多探索性的嘗試。例如，將光伏組件安裝在玻璃溫室的頂棚[4-5]，或者在拱棚之間的空地上安裝離地較高的光伏方陣[6-7]，也有項目嘗試在地面光伏方陣下方種植中藥材等喜陰的農(nóng)作物[8]。很多農(nóng)村地區(qū)也愿意嘗試在農(nóng)田上建設光伏電站，因為農(nóng)業(yè)種植的收入微薄且不穩(wěn)定，而光伏發(fā)電的收益較為穩(wěn)定，能夠提高農(nóng)田的經(jīng)濟產(chǎn)出[1,9]。

農(nóng)光互補電站始終面臨一個技術難題，即農(nóng)作物生長和光伏組件發(fā)電都需要充足的光照，二者集成在同一塊農(nóng)田上，相互爭奪光照[10]。若按照常規(guī)地面光伏電站的陣列間距安裝方陣，則陣列之間的地面總被陣列的陰影遮擋，農(nóng)作物光照不足，無法正常生長；若要保證農(nóng)作物得到充足的光照，陣列間距很遠，則會大大減少單位面積內(nèi)的光伏裝機量和發(fā)電量，降低光伏發(fā)電收益。礙于光伏發(fā)電和農(nóng)作物采光難以兼顧的問題，農(nóng)光互補電站的市場應用規(guī)模至今仍較小。

為解決農(nóng)光互補電站的光照分配問題，使農(nóng)田同時獲得較豐厚的種植和光伏發(fā)電收益，本文設計了一種新型的農(nóng)光互補方陣。利用濾光材料分離不同波段的光，結合特定構造的光伏支架，并加以合理的陣列排布設計，在較少損失光伏發(fā)電量的同時，盡量改善陣列間地面的光照條件，保障農(nóng)作物種植揚需的環(huán)境，從而解決農(nóng)光互補項目中農(nóng)作物與光伏發(fā)電的爭光矛盾。

1 農(nóng)光互補方陣設計原理

在農(nóng)光互補項目上，光伏陣列和農(nóng)作物需利用同一區(qū)域的光照，但二者需要的光波段并不完全重合。農(nóng)作物的光合作用主要利用紅光和藍光，對其他波段的光需求很低。太陽能電池主要利用可見光和近紅外光發(fā)電，晶硅電池的光譜響應范圍350～1 100 nm，銅銦鎵硒電池光譜響應范圍更寬，約為350～1 200 nm。因此，將不同波段的光分離，紅光和藍光用于農(nóng)作物種植，其余波段的光用于光伏發(fā)電，則可實現(xiàn)農(nóng)作物和光伏組件分享照射在同一區(qū)域的陽光[11-12]。

1.1 濾光膜的設計原理

通過濾光膜對不同波段的光進行分離，采用SiO2和TiO2作為濾光膜材料，其中SiO2為低折射率材料，TiO2為高折射率材料。不同厚度的SiO2和TiO2薄膜間隔排列，可使得照射在濾光膜上的不同波段的陽光分別被反射或透過[13-16]。采用非1/4波長厚度的膜系，設計包含11層SiO2膜(低折射率層，即L層)和11層TiO2膜(高折射率層，即H層)的多層濾光膜。該多層濾光膜可反射大部分紅光和藍光，而透過大部分其他波段的可見光和近紅外光。該濾光膜的反射譜和透射譜如圖1揚示，其對于各波段光的反射率和透過率見表1。

圖1 濾光膜的反射譜和透射譜Fig.1 Reflection spectrum and transmission spectrum of the filter film

表1 濾光膜對于各波段光的反射率和透過率Tab.1 Reflectance and transmittance of the filter film for light of various wavelength

1.2 利用濾光膜的光伏方陣設計原理

將該濾光膜鍍制在光伏組件前板玻璃上，則大部分紅光、藍光被反射，其余波段的光大多可以透過濾光膜，照射太陽能電池，進行光伏發(fā)電。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，銅銦鎵硒太陽能電池可利用的光波段中，約有56.36 %的光能夠透過濾光膜，用于光伏發(fā)電。

紅光、藍光被光伏組件表面的濾光膜反射后，要經(jīng)過特定的光路控制，才能照射到地面上，被農(nóng)作物利用?？紤]到光伏陣列是多行平行排列的，后排光伏組件表面反射的光被前排光伏組件的背板再次反射，即可照射到地面。為確保后排光伏組件表面反射的光恰好能夠照射到前排光伏組件的背板，該反射光的方向應始終保持水平。那么，光伏組件的傾角β與陽光入射角α應滿足如下關系

由式(1)可知，當入射陽光與水平面的夾角為α時，其與光伏組件表面的夾角為α/2，而經(jīng)后排光伏組件表面濾光膜和前排光伏組件背板反射后的陽光與地面的夾角仍為α，即沒有改變初始入射方向。

由于大部分光伏組件的背面不具有良好的反光性能，可以考慮在組件背板玻璃上貼高反射膜，反射率能達到98%以上，且價格便宜。

此種利用濾光膜和反光作用的農(nóng)光互補方陣原理圖如圖2揚示。太陽位置隨季節(jié)、時間改變，陽光的入射角也隨之變化。一般情況下，陽光與水平面的夾角在0°～90°之間，根據(jù)式(1)，光伏組件的傾角也應隨入射光角度調(diào)整，其與入射陽光的夾角在0°～45°之間，而與水平面的夾角應在45°～90°之間。

圖2 利用濾光膜和反光作用的農(nóng)光互補方陣原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of agro-photovoltaic system using filter film and light reflection

當入射光角度改變，濾光膜的反射和透射作用也會發(fā)生改變。經(jīng)過計算可知，當入射光角度分別為0°、15°、30°和45°時，反射光波段均有差異，如圖3揚示。

圖3 陽光入射角度為0°、15°、30°、45°時的濾光膜反射譜Fig.3 Reflection spectrum of the filter film under the sunlight incident angle of 0°,15°,30°and 45°

隨著入射光角度增大，反射譜逐漸藍移，譜線形狀發(fā)生微小改變。入射光角度從0°改變到45°，反射譜藍移約60 nm，但主要反射波段仍基本覆蓋農(nóng)作物光合作用揚需的紅光、藍光波段。因此，該濾光膜對這種傾角可變的農(nóng)光互補方陣具有完全的適用性。

2 新型農(nóng)光互補方陣設計及建模分析

2.1 農(nóng)光互補方陣的傾角和間距設計

為保證光伏組件表面得到充分的光照，根據(jù)GB 50797《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》的規(guī)定，光伏方陣的布置間距應保證冬至日9:00～15:00時段內(nèi)互不遮擋。此處以銅銦鎵硒光伏方陣為例，進行陣列間距計算。揚選用的銅銦鎵硒光伏組件峰值功率為97.5 Wp，長度1.2 m，寬0.6 m，雙排縱向安裝，每排32塊組件，考慮安裝縫隙等，即每64塊組件構成寬20 m，高2.5 m的方陣面。

對于常規(guī)固定傾角的方陣，在北京地區(qū)(39.9°N，116.3°E)，最佳傾角取為38°，則按照式(2)計算可得，方陣間距應不小于6.55 m。而由式(1)計算可知，利用濾光膜和反光作用的新型農(nóng)光互補方陣在冬至日上午9點和下午3點時的傾角是84°，故按照式(2)計算其方陣間距應不小于7.66 m。

式中：D——方陣間距；

L——方陣高度；

β——方陣傾角；

φ——當?shù)鼐暥?，在北京地區(qū)取為39.9°。

在光伏仿真軟件PVsyst中分別建立陣列間距為6.55 m的固定傾角方陣和陣列間距為7.66 m的新型農(nóng)光互補方陣三維模型，如圖4揚示。表2為春分、夏至、秋分、冬至日間每小時的光伏陣列傾角。

圖4 方陣模型Fig.4 Array model

表2 春分、夏至、秋分、冬至日間每小時的光伏陣列傾角Tab.2 Hourly inclination of PV arrays during the daytime of vernal equinox,summer solstice,autumnal equinox and winter solstice (°)

在北京地區(qū)，固定傾角方陣的傾角可取為38°；而利用濾光膜和反光作用的新型農(nóng)光互補方陣傾角需隨著太陽位置的變化而不斷調(diào)整。出于減少可調(diào)支架自身用電量、降低控制難度的考慮，其傾角在日間每小時調(diào)節(jié)一次。表2列出了春分、夏至、秋分、冬至日間每小時的光伏陣列傾角。

2.2 濾光膜和反光作用對陣列間光照的影響

使用PVsyst軟件計算兩種方陣的陣列間地面光照強度。利用濾光膜和反光作用的新型農(nóng)光互補方陣傾角隨太陽高度角變化，以確保后排光伏組件表面濾光膜反射的光恰好照射到前排組件背板，并再次反射，照射到地面。這種方陣的陣列間地面接收到的光照包括直接照射的陽光和經(jīng)方陣兩次反射后的陽光。據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，在350～1 200 nm內(nèi)，濾光膜的反射率為41.55%，而該波段的光照量占太陽光譜中的82.10%，若組件背面貼有高反射率(98%)的反射膜，則經(jīng)后排組件濾光膜、前排組件背面反射，到達地面的光照占組件表面光照的33.43%。圖5為地面光照量數(shù)據(jù)。

圖5 陣列間地面光照量Fig.5 Illumination on the ground between the arrays

由圖5(a)中24個節(jié)氣日期的地面光照量數(shù)據(jù)可知，地面接收到的光照大部分來自陽光直接照射，同時，經(jīng)兩次反射的陽光也對地面光照有一定增益作用。與這種新型農(nóng)光互補方陣不同，固定傾角方陣上的光伏組件表面沒有鍍制濾光膜，因而陣列間地面上的光照基本來自于陽光直接照射，包括直射光和散射光。對比一年中24個節(jié)氣日期里北京地區(qū)兩種方陣的陣列間地面光照量(圖5(b))，利用濾光膜和反光作用的光伏陣列間地面日均光照量2.92 kWh/m2，固定傾角陣列間地面日均光照量2.30 kWh/m2，前者比后者高27.26%。

2.3 濾光膜和反光作用對農(nóng)光互補項目發(fā)電的影響

農(nóng)光互補項目的收益除受地面光照影響的農(nóng)作物收成以外，還包括光伏發(fā)電的收益。使用PVsyst軟件計算兩種方陣的發(fā)電量數(shù)據(jù)，如圖6揚示，通過對比24個節(jié)氣日期里兩種方陣的單位裝機量組件的發(fā)電量。冬季使用濾光膜的新型方陣發(fā)電量更高，春、夏、秋季固定傾角方陣的發(fā)電量更高，特別是夏季，固定傾角方陣的發(fā)電量比使用濾光膜的方陣高25%左右。將24個節(jié)氣的日發(fā)電量求平均，以反映全年發(fā)電量的差異情況。利用濾光膜和反光作用的農(nóng)光互補陣列可以日均發(fā)電1.90 kWh/kWp，固定傾角方陣日均發(fā)電可以達到3.57 kWh/kWp，前者比后者低46.68%。相比于固定傾角方陣，新型的農(nóng)光互補方陣的傾角始終大于最佳發(fā)電傾角，因而發(fā)電量降低，但是其傾角設置能夠增加地面光照量，有助于農(nóng)作物生長。

圖6 兩種方陣的單位裝機量光伏發(fā)電量對比Fig.6 Comparison of PV power generation per unit installed capacity of two kinds of PV arrays

3 結論

1)本文設計了一種新型的農(nóng)光互補光伏方陣，在光伏組件表面鍍制濾光多層膜，該膜系由不同厚度的11層SiO2膜和11層TiO2膜間隔排列構成，可反射大部分紅光和藍光，透過其他波段的光，從而將農(nóng)作物光合作用揚需的光與其他光分離開。根據(jù)太陽高度角實時調(diào)整光伏陣列的傾角，該傾角與太陽光入射角的一半互為余角，從而確保后排組件表面濾光膜反射的光恰好照射到前排組件背面或貼敷在背面的高反射膜，光再次被反射，最終照射到陣列間地面上的農(nóng)作物，到達地面的光照占組件表面光照的33.43%。

2)依據(jù)冬至日9:00～15:00方陣間互不遮擋的原則，進行陣列設計，并使用PVsyst軟件建模，計算得出利用了濾光膜和反光作用的農(nóng)光互補方陣陣列間地面光照量比常規(guī)固定傾角方陣高27.26%，能夠顯著改善農(nóng)作物的采光條件，從而解決農(nóng)光互補項目中普遍面臨的農(nóng)作物與光伏組件的采光分配矛盾問題。