技术原理及工艺路线

针对苏丹及其他阿拉伯国家电力供应不足、日照强度大、干旱缺水等生态问题，推广使用利用匀光玻璃板的固定式光伏农业系统和基于带通滤光膜的聚光式追日型光伏农业系统可以综合利用光谱分离、光照度调控、水环境平衡等技术解决农作物生长、光伏发电和生态平衡间的矛盾，形成种植、发电和水平衡调控互补的良好光伏农业生态系统，实现恶劣生态环境改善。新型光伏农业系统集合高效的农业生产与光伏发电于一体，符合生物链关系和生物最佳生产原料能量系统要求、遵循农产品生产规律并创新物质和能量转换技术，以达到智能补光、减少土壤水分蒸发、补水及调温的目的，而其产出的农产品将比现有方式生产的产品更安全、更营养、更多产。其中，利用匀光玻璃板的固定式光伏农业系统是通过间隙式在两块常规太阳能光伏板中间插入一个压槽玻璃板，实现对光的分束。一方面将光伏板可拦截的太阳光用于发电，另一方面保证太阳能光伏板组件下部的农作物都有足够的光强进行光合作用 （左/右光伏板底部阴影光强等于分光板底部阴影光强)，同时使得压槽玻璃分光板下面的直射阳光减弱，适合喜阴农作物的生长。因为苏丹全境受太阳直射，干旱炎热，太阳辐射资源丰富，但不利于农作物生长。该通过调控压槽玻璃板面积控制透射光强度及均匀性的技术，可以保证光伏板下方的作物接受足够光强进行光合作用，使不同的喜阴作物都能处于适宜的生长条件下。该设计成本增加不到 15%，但是可以有效提升苏丹光伏农业综合效益。

图 1 用匀光玻璃板的固定式光伏农业系统工艺原理及阜阳示范基地                  

基于带通滤光膜的聚光式追日型光伏农业系统是基于多路复用技术的思想，将太阳光谱中适合植物生长的窄带蓝、窄带红、远红光透射，而其余光谱反射用于发电。因为植物生长主要受蓝光、红光、远红光波段驱动（蓝光 450±30nm、红光 650±30nm 和远红光735±30nm），通滤光膜会将太阳光中蓝光、红光和远红光选择性透射，其他部分植物难以利用的部分（包括 60%可见光、红外、紫外部分）进行反射用于光伏板发电，从而将太阳光光源充分利用。其工艺重点是将不同材质的多层薄膜制备和掺杂，利用等分与非等分倍增技术，在双向拉伸前形成多个周期的多层堆叠结构，实现多通道滤波效果；基于项目组已建立的农作物生长和发电实验系统实验数据，所设计光学膜层数和厚度可调控，优化农作物辐射光谱和能量分配，提高光合产量和发电效率。通过在安徽地区基地的种植试验，预计可将苏丹境内农地土壤水蒸发量减少 50%以上并将光伏发电效率提升到 14%，同时聚合物微纳多层光学膜具有滤光选择性好，成本低的优点，适合大面积推广。

图 2 多通道滤光膜光照调控原理示意图                  

两项新型光伏农业系统的技术特点包括:（1）具有实现不同农作物处于最佳生长光照条件的光照强度调控技术和压槽玻璃板等的匀光技术；（2）制备实现农作物辐射光谱和能量分配优化的低成本多通道滤光聚合物微纳多层光学膜；（3）可以通过研究光谱和辐射调控对土壤水蒸发的影响，建立降水、水汽蒸发物理分析模型，从而可发展一种降低水蒸发的技术并推广应用；（4）可以根据当地不同光照气候条件建立光伏生态系统，实现适合当地的农作物筛选和培育，形成完善的光伏生态农业。

提供技术单位

中国科学技术大学先进技术研究院

技术适应性分析

该两项新型光伏农业系统适用于太阳能资源较好的无电或少电地区居民及远离电网的用户。建设地的气候条件和原始农业种植情况决定了该系统是否具有建设的价值。而政策影响主要体现在政府对光伏电站的支持和规划上，一套完整的政策支持和长远的战略规划是此新型光伏农业系统建设和运行的保障。例如苏丹等地纬度位置较低，全境受太阳直射，具有丰富的太阳能资源，并且苏丹政府近年来提出大力促进农业发展，将其作为国民经济的支柱，制定了农业振兴计划，出台一系列促农、惠农举措，对内加强农业市场建设，对外积极吸引农业投资。综合来看，该项新型光伏农业系统受地域、环境、规模、资源能源条件影响较小，非常适合在苏丹等地进行建设与推广。

技术稳定性分析

光伏板组件、分光玻璃和聚合物光学膜在工程运行过程均能保持稳定，很少受环境及技术参数干扰。仅需要对其进行定期清洁以防止雨雪天气或风沙等对光伏板发电效率，玻璃和光学膜透光率的负面影响。

技术安全性分析

常规光伏发电系统已经是技术成熟的清洁能源发电系统，基于常规光伏系统改良的利用匀光玻璃板的固定式光伏农业系统和基于带通滤光膜的聚光式追日型光伏农业系统在成果转化和产业化过程中具备较强的实用性，配套设施完善，由于其安装简便，运行维护简单，运行过程中无污染、无排放，具备较高的市场接受度。