基于光谱分离技术的光伏农业系统研究

发布时间：2020-07-16 01:46

【摘要】：随着化石能源储量的消耗和环境问题的日益严重,太阳能因为其可再生性得到广泛的研究和应用。光伏农业是一种将光伏发电和农业结合的方式。目前光伏农业因为普通光伏板会遮挡所有太阳光,将导致光伏系统下土地的太阳光照射变弱。会减少种植的面积和作物的产量,有时也会限制系统下的作物种类。本文提出了一种利用光学干涉膜对太阳光进行光谱分离,将与植物光合作用有关的太阳光透过用于植物生长,其余波长的光反射用于光伏发电。不仅可以解决目前光伏农业的农作物光照需求与光伏发电争光的矛盾问题,还对植物生长有一定的促进作用。本文对光学干涉薄膜透过光谱对太阳光的能量分离比例和光伏电池功率损失进行了计算;对光学干涉膜的膜系结构进行了设计;设计了光伏系统的电池组件,反射槽尺寸等,进行了相应的模拟和实验设计;对温室内的光伏系统和露天光伏系统进行了测试;对植物在光学薄膜下的形态、品质和生理指标的影响进行了测试,验证了系统的可行性。具体工作如下:1.对基于普朗克黑体辐射公式的太阳光光谱和AM1.5太阳光光谱两种情况下,计算了透过光学干涉薄膜的太阳光辐照度通量随着光学干涉薄膜的透过峰的带宽变化。并且根据植物的光合作用吸收光谱,对450 nm中心波长的蓝光透过峰和660 nm中心波长的红光透过峰的带宽与太阳光辐照度通量进行了线性拟合,以此可以根据植物所需要的光通量作为光学干涉薄膜设计的参考。同时根据晶硅光伏电池的光谱响应,计算了因为光学干涉薄膜透过峰造成的光伏电池功率损失比例。并且对基于普朗克黑体辐射公式的太阳光光谱和AM1.5太阳光光谱下,方波型的带宽和高斯峰型的半高宽与光伏电池功率损失比例进行了线性拟合,作为光伏发电效率的参考。2.根据光学干涉薄膜的工作原理,对光学干涉薄膜膜系进行了设计。以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)和PTFE(聚四氟乙烯)为原料,通过截止波长为690 nm的短波通干涉薄膜和截止波长为420nm的长波通干涉薄膜叠加的方式获得了宽带宽的带通滤光薄膜。再通过与具有480 nm～610 nm的带阻滤光薄膜叠加,获得了具有420 nm-480 nm的蓝光透过峰和610 nm～690 nm红光透过峰的光学干涉滤光膜。使用现有的3M公司的两种薄膜组合得到了可以使用的光学干涉膜。并且对薄膜的斜入射进行了模拟和实验,同时对薄膜在高湿热和紫外照射情况下的可靠性进行了实验,为系统的可行性提供了依据。3.对光伏电池组件进行了设计,在光伏电池片并联了二极管,并且对两种阴影遮蔽的情况进行了实验,验证了当阴影遮蔽时,旁路二极管工作良好。对抛物线反射槽的尺寸进行了模拟,参考光学干涉膜对入射角度的要求,综合考虑薄膜入射角的需求和光伏系统的机械可靠性等原因,确定了抛物线反射槽的尺寸。利用Tracepro软件,对不同位置上的光伏电池组件表面的光强分布进行了模拟。同时利用设计好的光伏电池组件测量了在不同位置的最大功率点,得到了最佳的光伏电池组件的位置。根据太阳光入射角度的变化规律,利用GZW-1光电传感器和西门子S7-200型号PLC设计了时间-光电混合跟踪方式。4.对光伏农业系统在温室中全天的发电情况进行了两次测量。对全天的系统发电效率进行了讨论,并且对不同温度条件下的结果进行了对比。同时也对露天的光伏农业系统的全天发电功率进行了测量。得到了全天平均发电效率为6.80%,系统平均效率为8.37%。对有薄膜覆盖和无薄膜覆盖的生菜,空心菜,黄瓜三种植物的形态指标,光合指标和品质指标进行了测量和比对。有薄膜覆盖的植物的指标要普遍优于无薄膜覆盖的植物,证明了光伏农业系统的可行性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S123
【图文】：

伏产业的背景和意义逡逑人类社会的发展和对化石能源等资源的快速消耗，能源问题逐焦点问题。我国幅员辽阔，人口众多，对传统化石能源消耗巨１０年成为世界第一大能源消费国，能源消耗量占世界总消耗量同时，我国化石能源储量偏低，例如：我国煤炭人均储量只有／２【１１，己探明的石油和天然气储量更是不足全球产量的２％，人人均占有量的１０％和１５％。伴随着经济的快速发展，我国的年递增。２００５年到２０１５年的十年间，我国能源对外依存度从６．３％。其中煤炭从２００５年的－１．９％上升到了邋２０１５年的４．９％，邋２０１３值。天然气从２００５年的－６．４％上升至３１．８９％。石油最为严重，油对外依存度突破了邋６０°／Ｊ２＿５ｌ。此外，化石能源的使用是造成要原因之一。综上所述，改善能源结构，大力发展清洁可再生能重要任务之一。逡逑

（Ｌｏｗ）逦＾逦｜邋？

本文编号：2757324