利用滤光膜和反光作用的新型农光互补方阵原理与建模分析**

侯孟婧

(1.国家能源集团绿色能源与建筑研究中心，北京市，102211；2.北京低碳清洁能源研究院，北京市，102211)

0 引言

光伏发电作为清洁、低成本的新能源形式，近年来得到了大规模的普及应用[1-3]。在我国的中、东部地区，用电需求大，闲置土地少，光伏电站用地较为紧张。因此，光伏行业普遍希望利用农田建设光伏电站，也做出了很多探索性的尝试。例如，将光伏组件安装在玻璃温室的顶棚[4-5]，或者在拱棚之间的空地上安装离地较高的光伏方阵[6-7]，也有项目尝试在地面光伏方阵下方种植中药材等喜阴的农作物[8]。很多农村地区也愿意尝试在农田上建设光伏电站，因为农业种植的收入微薄且不稳定，而光伏发电的收益较为稳定，能够提高农田的经济产出[1,9]。

农光互补电站始终面临一个技术难题，即农作物生长和光伏组件发电都需要充足的光照，二者集成在同一块农田上，相互争夺光照[10]。若按照常规地面光伏电站的阵列间距安装方阵，则阵列之间的地面总被阵列的阴影遮挡，农作物光照不足，无法正常生长；若要保证农作物得到充足的光照，阵列间距很远，则会大大减少单位面积内的光伏装机量和发电量，降低光伏发电收益。碍于光伏发电和农作物采光难以兼顾的问题，农光互补电站的市场应用规模至今仍较小。

为解决农光互补电站的光照分配问题，使农田同时获得较丰厚的种植和光伏发电收益，本文设计了一种新型的农光互补方阵。利用滤光材料分离不同波段的光，结合特定构造的光伏支架，并加以合理的阵列排布设计，在较少损失光伏发电量的同时，尽量改善阵列间地面的光照条件，保障农作物种植扬需的环境，从而解决农光互补项目中农作物与光伏发电的争光矛盾。

1 农光互补方阵设计原理

在农光互补项目上，光伏阵列和农作物需利用同一区域的光照，但二者需要的光波段并不完全重合。农作物的光合作用主要利用红光和蓝光，对其他波段的光需求很低。太阳能电池主要利用可见光和近红外光发电，晶硅电池的光谱响应范围350～1 100 nm，铜铟镓硒电池光谱响应范围更宽，约为350～1 200 nm。因此，将不同波段的光分离，红光和蓝光用于农作物种植，其余波段的光用于光伏发电，则可实现农作物和光伏组件分享照射在同一区域的阳光[11-12]。

1.1 滤光膜的设计原理

通过滤光膜对不同波段的光进行分离，采用SiO2和TiO2作为滤光膜材料，其中SiO2为低折射率材料，TiO2为高折射率材料。不同厚度的SiO2和TiO2薄膜间隔排列，可使得照射在滤光膜上的不同波段的阳光分别被反射或透过[13-16]。采用非1/4波长厚度的膜系，设计包含11层SiO2膜(低折射率层，即L层)和11层TiO2膜(高折射率层，即H层)的多层滤光膜。该多层滤光膜可反射大部分红光和蓝光，而透过大部分其他波段的可见光和近红外光。该滤光膜的反射谱和透射谱如图1扬示，其对于各波段光的反射率和透过率见表1。

图1 滤光膜的反射谱和透射谱Fig.1 Reflection spectrum and transmission spectrum of the filter film

表1 滤光膜对于各波段光的反射率和透过率Tab.1 Reflectance and transmittance of the filter film for light of various wavelength

1.2 利用滤光膜的光伏方阵设计原理

将该滤光膜镀制在光伏组件前板玻璃上，则大部分红光、蓝光被反射，其余波段的光大多可以透过滤光膜，照射太阳能电池，进行光伏发电。根据表1中的数据，铜铟镓硒太阳能电池可利用的光波段中，约有56.36 %的光能够透过滤光膜，用于光伏发电。

红光、蓝光被光伏组件表面的滤光膜反射后，要经过特定的光路控制，才能照射到地面上，被农作物利用。考虑到光伏阵列是多行平行排列的，后排光伏组件表面反射的光被前排光伏组件的背板再次反射，即可照射到地面。为确保后排光伏组件表面反射的光恰好能够照射到前排光伏组件的背板，该反射光的方向应始终保持水平。那么，光伏组件的倾角β与阳光入射角α应满足如下关系

由式(1)可知，当入射阳光与水平面的夹角为α时，其与光伏组件表面的夹角为α/2，而经后排光伏组件表面滤光膜和前排光伏组件背板反射后的阳光与地面的夹角仍为α，即没有改变初始入射方向。

由于大部分光伏组件的背面不具有良好的反光性能，可以考虑在组件背板玻璃上贴高反射膜，反射率能达到98%以上，且价格便宜。

此种利用滤光膜和反光作用的农光互补方阵原理图如图2扬示。太阳位置随季节、时间改变，阳光的入射角也随之变化。一般情况下，阳光与水平面的夹角在0°～90°之间，根据式(1)，光伏组件的倾角也应随入射光角度调整，其与入射阳光的夹角在0°～45°之间，而与水平面的夹角应在45°～90°之间。

图2 利用滤光膜和反光作用的农光互补方阵原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of agro-photovoltaic system using filter film and light reflection

当入射光角度改变，滤光膜的反射和透射作用也会发生改变。经过计算可知，当入射光角度分别为0°、15°、30°和45°时，反射光波段均有差异，如图3扬示。

图3 阳光入射角度为0°、15°、30°、45°时的滤光膜反射谱Fig.3 Reflection spectrum of the filter film under the sunlight incident angle of 0°,15°,30°and 45°

随着入射光角度增大，反射谱逐渐蓝移，谱线形状发生微小改变。入射光角度从0°改变到45°，反射谱蓝移约60 nm，但主要反射波段仍基本覆盖农作物光合作用扬需的红光、蓝光波段。因此，该滤光膜对这种倾角可变的农光互补方阵具有完全的适用性。

2 新型农光互补方阵设计及建模分析

2.1 农光互补方阵的倾角和间距设计

为保证光伏组件表面得到充分的光照，根据GB 50797《光伏发电站设计规范》的规定，光伏方阵的布置间距应保证冬至日9:00～15:00时段内互不遮挡。此处以铜铟镓硒光伏方阵为例，进行阵列间距计算。扬选用的铜铟镓硒光伏组件峰值功率为97.5 Wp，长度1.2 m，宽0.6 m，双排纵向安装，每排32块组件，考虑安装缝隙等，即每64块组件构成宽20 m，高2.5 m的方阵面。

对于常规固定倾角的方阵，在北京地区(39.9°N，116.3°E)，最佳倾角取为38°，则按照式(2)计算可得，方阵间距应不小于6.55 m。而由式(1)计算可知，利用滤光膜和反光作用的新型农光互补方阵在冬至日上午9点和下午3点时的倾角是84°，故按照式(2)计算其方阵间距应不小于7.66 m。

式中：D——方阵间距；

L——方阵高度；

β——方阵倾角；

φ——当地纬度，在北京地区取为39.9°。

在光伏仿真软件PVsyst中分别建立阵列间距为6.55 m的固定倾角方阵和阵列间距为7.66 m的新型农光互补方阵三维模型，如图4扬示。表2为春分、夏至、秋分、冬至日间每小时的光伏阵列倾角。

图4 方阵模型Fig.4 Array model

表2 春分、夏至、秋分、冬至日间每小时的光伏阵列倾角Tab.2 Hourly inclination of PV arrays during the daytime of vernal equinox,summer solstice,autumnal equinox and winter solstice (°)

在北京地区，固定倾角方阵的倾角可取为38°；而利用滤光膜和反光作用的新型农光互补方阵倾角需随着太阳位置的变化而不断调整。出于减少可调支架自身用电量、降低控制难度的考虑，其倾角在日间每小时调节一次。表2列出了春分、夏至、秋分、冬至日间每小时的光伏阵列倾角。

2.2 滤光膜和反光作用对阵列间光照的影响

使用PVsyst软件计算两种方阵的阵列间地面光照强度。利用滤光膜和反光作用的新型农光互补方阵倾角随太阳高度角变化，以确保后排光伏组件表面滤光膜反射的光恰好照射到前排组件背板，并再次反射，照射到地面。这种方阵的阵列间地面接收到的光照包括直接照射的阳光和经方阵两次反射后的阳光。据表1中的数据，在350～1 200 nm内，滤光膜的反射率为41.55%，而该波段的光照量占太阳光谱中的82.10%，若组件背面贴有高反射率(98%)的反射膜，则经后排组件滤光膜、前排组件背面反射，到达地面的光照占组件表面光照的33.43%。图5为地面光照量数据。

图5 阵列间地面光照量Fig.5 Illumination on the ground between the arrays

由图5(a)中24个节气日期的地面光照量数据可知，地面接收到的光照大部分来自阳光直接照射，同时，经两次反射的阳光也对地面光照有一定增益作用。与这种新型农光互补方阵不同，固定倾角方阵上的光伏组件表面没有镀制滤光膜，因而阵列间地面上的光照基本来自于阳光直接照射，包括直射光和散射光。对比一年中24个节气日期里北京地区两种方阵的阵列间地面光照量(图5(b))，利用滤光膜和反光作用的光伏阵列间地面日均光照量2.92 kWh/m2，固定倾角阵列间地面日均光照量2.30 kWh/m2，前者比后者高27.26%。

2.3 滤光膜和反光作用对农光互补项目发电的影响

农光互补项目的收益除受地面光照影响的农作物收成以外，还包括光伏发电的收益。使用PVsyst软件计算两种方阵的发电量数据，如图6扬示，通过对比24个节气日期里两种方阵的单位装机量组件的发电量。冬季使用滤光膜的新型方阵发电量更高，春、夏、秋季固定倾角方阵的发电量更高，特别是夏季，固定倾角方阵的发电量比使用滤光膜的方阵高25%左右。将24个节气的日发电量求平均，以反映全年发电量的差异情况。利用滤光膜和反光作用的农光互补阵列可以日均发电1.90 kWh/kWp，固定倾角方阵日均发电可以达到3.57 kWh/kWp，前者比后者低46.68%。相比于固定倾角方阵，新型的农光互补方阵的倾角始终大于最佳发电倾角，因而发电量降低，但是其倾角设置能够增加地面光照量，有助于农作物生长。

图6 两种方阵的单位装机量光伏发电量对比Fig.6 Comparison of PV power generation per unit installed capacity of two kinds of PV arrays

3 结论

1)本文设计了一种新型的农光互补光伏方阵，在光伏组件表面镀制滤光多层膜，该膜系由不同厚度的11层SiO2膜和11层TiO2膜间隔排列构成，可反射大部分红光和蓝光，透过其他波段的光，从而将农作物光合作用扬需的光与其他光分离开。根据太阳高度角实时调整光伏阵列的倾角，该倾角与太阳光入射角的一半互为余角，从而确保后排组件表面滤光膜反射的光恰好照射到前排组件背面或贴敷在背面的高反射膜，光再次被反射，最终照射到阵列间地面上的农作物，到达地面的光照占组件表面光照的33.43%。

2)依据冬至日9:00～15:00方阵间互不遮挡的原则，进行阵列设计，并使用PVsyst软件建模，计算得出利用了滤光膜和反光作用的农光互补方阵阵列间地面光照量比常规固定倾角方阵高27.26%，能够显著改善农作物的采光条件，从而解决农光互补项目中普遍面临的农作物与光伏组件的采光分配矛盾问题。