基于植物光合作用的太阳光谱分离技术进展

张昕昱，张智深，张放心，李 明，刘 文

(中国科学技术大学物理学院，安徽合肥 230026)

引言

能源是人类社会的重要资源之一。随着人类社会的发展和对化石能源等资源的快速消耗，能源问题逐渐成为人类面临的焦点问题。传统化石能源是生物在长时间的地质变化中形成的，属于不可再生能源。同时，由于对化石能源的低水平使用导致了很多的环境问题，因此，发展清洁能源来取代化石能源成为了亟待推进的任务[1,2]。另一方面，我国太阳能资源十分丰富，每年接受的太阳能能量相当于24 000亿吨标准煤[3]。全国大部分区域全年平均辐照值在1 500 kW·h/m2，且多数区域每年日照可在2 000 h以上，发展潜力十分巨大。近几年我国光伏产业发展迅速。根据国家能源局公布的数据，2017年光伏发电新增装机5 306万kW，截至2017年12月底全国光伏发电装机达到1.3亿kW。但由于集中式光伏电站大部分都在人口稀少的地区，放弃电力的情况时有发生。而分布式光伏成为我国光伏市场发展的一大亮点[4]。国家能源局公布的数据显示,2017年分布式光伏新增装机达到1 944万kW。国家能源局在《能源发展十三五规划》和《可再生能源十三五规划》中也鼓励全面参与分布式光伏投资建设。相较于传统屋顶光伏受限制于有限的屋顶数量的问题，面向农村的分布式发电可以免去这些烦恼。然而，我国仍面临着人均耕地面积短缺的问题。所以，如何解决光伏发电与农业种植的土地矛盾成为光伏农业中一个亟待突破的问题[5]。

1 光伏农业的发展现状与存在的问题

2014年国家能源局发布的《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》中提到，因地制宜利用废弃土地、荒山荒坡、农业大棚、滩涂、鱼塘、湖泊等建设就地消纳的分布式光伏电站[6]。光伏产业的回暖也和国家扶持政策息息相关。虽然光伏农业行业目前发展迅速，但是仍然面临着很多挑战。光伏农业的发展的初衷是在不影响植物生长的情况下发展光伏产业，实现太阳光的高效利用[7]。目前，现有的光伏农业系统在太阳光的处理方式上大致可以分为几何分光和强度分光两种[8]。

第一种是采用几何分光的光伏农业系统，这是现在光伏农业中较为常用的分光方式。在这种系统中，晶硅电池板在农田面积上有一定占空比，但问题是这样安排的电池板下部会存在没有光照或者光照不均匀的情况，这将导致部分农作物实际光照时间往往缩短很多，进而使得农作物的产量和品质受到很大的影响(图1)。光伏农业系统工程的建设，不仅是中国在积极推进，而且在日本、意大利和德国等发达国家也都有小规模示范应用[9，10]。但与此同时暴露的问题也越来越突出,主要是发现对农作物的生长实际上有严重影响。

图1 采用几何分光的光伏农业项目Fig.1 A photovoltaic agricultural project with geometric splitter

第二种是用强度分光的光伏农业系统。在这种系统中，光伏电池采用半透明的薄膜太阳能电池，例如铜铟硒电池、碲化镉电池等[11](图2)。这些电池看起来是半透光的，但常见的薄膜太阳能电池在植物的光合有效辐射波段都有较高的吸收率，而且基本都覆盖植物光合作用吸收谱中的红光吸收峰。所以透过薄膜太阳能电池的太阳光质量较差，对于植物的光合作用贡献不够。

图2 采用强度分光的光伏农业项目Fig.2 A photovoltaic agricultural project with intensity splitter

现代植物学研究表明，植物对太阳能的吸收不到1%，因此光伏农业并不是一个“伪命题”。实际上对大部分植物来说，叶绿素吸收进行光合作用需要的光波长都是相近的，而由于太阳光谱很宽，并不是所有太阳光谱成分都对植物生长有益，我们可以将植物所需特定波长的光分离出来，把太阳光10%左右的光谱选择出来用于农作物生长就足够了，其他多余的光能再用作光伏发电。

光伏电池对不同波长的光子吸收范围是由光伏电池材料的带隙宽度决定的，因此不同的光伏电池的吸收光谱会覆盖不同波长范围。然而到目前为止，还没有一种材料的光伏电池可以覆盖从近紫外到近红外的太阳光主要功率范围(380～1 200 nm)。因此可以通过光谱分离的办法将太阳光进行分光，将对应不同光伏电池的光进行光谱分离照射到相应的光伏电池片上，以此来提高光伏系统的系统效率。

2006年荷兰瓦赫宁根大学的Sonneveld等[12]将光谱分离技术应用于光伏农业的研究，提出可以将光谱分离应用于光伏农业系统，并在2008年建设了带有光谱分离的光伏发电系统屋顶的温室[13](图3)。该光伏发电系统采用聚光跟踪方式发电。他们使用的涂层可以对800～1 200 nm的近红外光进行反射[14]。同时，温室的屋顶被做成抛物线型阵列以作为光伏系统的反射槽，反射槽槽面上涂有一层可以对800～1 200 nm的近红外光进行反射的涂层，该涂层可以将近红外光反射会聚到电池组件上。

2008—2009年，Sonneveld等[15]对系统进行了测试，该系统全年光伏发电电量达到20 kW·h/m2。但受到涂层反射谱的限制和聚光跟踪系统的损耗，整个光伏系统效率仅有3%，效率很低，难以进行实际应用，而且槽面透过的光谱也没有针对植物光合作用的光谱进行优化，不能实现精准分光。

2 太阳光谱分离技术解决方案及进展

太阳光98%的能量集中在150 nm的紫外光到4 000 nm的红外光之间，植物光合作用只能利用其中很小的一部分。植物中虽然含有很多种色素，例如叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶黄素、花青素等，但是参与吸收光子过程的色素主要为叶绿素a和叶绿素b。叶绿素a的蓝光吸收峰为430 nm，红光吸收峰为660 nm；叶绿素b的蓝光吸收峰为435 nm，红光吸收峰为643 nm[13]。值得注意的是，包括紫外光和远红光在内的其他波长的光也是植物生长所必需的，但所需的数量很少，在新型的基于聚光光伏技术的农业光伏系统中这部分光将通过散射的太阳光来提供。地面上太阳光通常分为二部分——直射光和漫散射光，后者约占15%～20%。所以对太阳光进行光谱分离，将植物光合作用大量吸收的红蓝光透过，其它部分光用于发电具有理论上的可行性(图4)。

图4 干涉膜透过谱与太阳光谱和晶硅电池吸收曲线对比Fig.4 Comparison of the transmittance spectrum between the interference film and the solar spectrum and the absorption curve of the crystalline silicon cell

为此，我们团队提出了如下解决方案：基于植物光合作用吸收谱的光谱分光光伏农业方案，利用光学干涉膜，通过将干涉膜的透过谱与植物光合作用吸收谱所匹配，将其余波长的光反射用于发电，达到把太阳光最大化利用的目的。干涉膜利用光的干涉效应，由折射率不同的材料间隔排列成折射率周期性变化结构的薄膜。光在每一层薄膜结构的上表面和下表面分别发生反射，并叠加在一起。受每层薄膜材料的厚度，折射率等因素影响，只有特定波长的反射光会相干相消。这样就可以通过设计干涉膜的结构得到特定透过谱和反射谱的干涉膜。

目前该项目组已经实现了具有450±20 nm的蓝光透过峰和660±20 nm的红光透过峰的膜层结构设计。由于实验条件和成本控制等因素，我们用现有的成品塑料膜进行了实验(图5)。

图5 基于光谱分离的新型光伏农业系统模型Fig.5 A new photovoltaic agriculture system model based on spectral separation

实验装置为槽型聚光系统，塑料干涉膜被贴于抛物线槽上(图6)。397～492 nm的蓝光和604～852 nm的红光和近红外光被塑料干涉膜透过照射在下方植物上，其余波段的光被塑料干涉膜反射聚焦在抛物线槽焦点处的晶硅电池片组件用于发电。经过测量，该系统全天最高发光效率为8.84%，全天平均发电效率为8.37%，接近现有的光伏大棚总发电效率(图7)。干涉膜的膜系结构和透过光谱可以进一步改进，系统发电效率还有望提高一半，接近现有的专用光伏电站发电效率。同时透过塑料干涉膜的红蓝光，不仅没有影响作物的生长，还提高了作物的品质和产量[18]。通过对生菜、空心菜、黄瓜等三种植物的培养和观察，可以得到处于贴有塑料干涉膜下的植株无论是产量，品质还是光合指标均要好于无膜的对照组植株。相比于现有的光伏温室对作物有一定的影响，该方案显示出了对农业生产有益的优点。

图6 项目组2018年7月完成的基于光谱分离技术的光伏农业示范项目照片Fig.6 Photovoltaic agriculture demonstration project completed by project team based on spectral separation technology

图7 光伏农业示范装置的发电效率测试Fig.7 Test of generating efficiency of photovoltaic agricultural demonstration device

3 结束语

村级光伏电站已逐渐成为农村光伏扶贫电站的主要形式，光伏农业前途光明，有望引领一次工业农业融合创新的潮流[16，17]。为解决目前存在的问题，我们提出了采用全新的采用光谱分离技术的聚光光伏解决方案，以及采用传统光伏板与压槽玻璃结合的解决方案，通过充分的理论计算和实际种植验证，它们均被证明有极高的可行性。与常规的对植物产生遮挡的光伏板方案相比，这些系统能够在利用农田的基础上，生产具价格具有竞争力的电能。通过对本文提出的第一种方案的示范装置的测量，它的平均发电效率约为8.37%。目前PCV型薄膜的反射光谱面积约为500～600 nm和850～1 100 nm。如果我们改进了用于光谱分离的膜并采用多结太阳能电池，这种系统的光电转换效率仍然具有巨大的增长潜力。采用常规硅太阳能电池板下，该系统效率预计能达到16%，采用多结GaAs/Ge基太阳能电池后系统效率预计能达到30%[18]以上。因此通过与新型农业光伏技术的结合，聚光光伏技术可能获得新的“动能”，再次进入一个新的发展时期。对于使用压槽玻璃板的光伏农业装置，我们可以根据植物的光照需求非常灵活地调整光照，可操作性极强，这种系统装置光照强度可调，属于村级光伏农业电站的中间解决方案，而第一种方案的聚光光伏(CPV)农业系统实现了精准的光谱分离，这种分离光谱与植物光合作用吻合技术路线有望成为光伏农业产业的最终解决方案[19]。