一种匀光型光伏农业系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种匀光型光伏农业系统，该系统在不影响农地上植被的生长情况下的同时进行光伏发电，解决植物与光伏板争光的难题。匀光型光伏农业系统包括支架，第一太阳能光伏板、第二太阳能光伏板和压槽分光玻璃板，所述第一太阳能光伏板、第二太阳能光伏板和压槽分光玻璃板自上而下依次并列安装在支架上，所述第二太阳能光伏板与所述压槽分光玻璃板以及第一太阳能光伏板之间存在间隙。所述压槽分光玻璃板上表面为一平面，下表面开有压槽阵列，所述压槽阵列经特定自由曲面分割平移得到，当太阳光先后通过所述压槽分光玻璃板的上下表面后，光线均匀照射到所述第一太阳能光伏板、第二太阳能光伏板和压槽分光玻璃板下沿光线照射方向的投影区域。线照射方向的投影区域。线照射方向的投影区域。

【技术实现步骤摘要】
一种匀光型光伏农业系统


[0001]本技术涉及太阳能光伏发电与农业的交叉
，具体涉及一种匀光型光伏农业系统。

技术介绍

[0002]我国的人均耕农地积只有1.38亩，不到世界平均水平的40％。如何高效的利用宝贵的耕地资源来给人们带来更多的收益，对于拉动农村经济发展，增加农民收入，实现贫困人口脱贫有着重要的意义。近年来，随着太阳能光伏板发电效率的增加，兼容“种地+发电”的光伏农业系统为我们高效利用耕地资源提供了全新技术路线。
[0003]在一年四季中，地球任意一点的太阳高度角不断变化，夏季太阳高度角高，冬季太阳高度角低。目前，光伏农业系统主要存在着的问题是：1、太阳能光伏板遮挡阳光，导致其底部投影区域的农作物因光强未达到光合作用补偿点不足而，无法正常生长，这种设计在夏季将使农田产生阴阳交错的区域，导致农作物长势不均；2、为防止低太阳高度角下光伏板产生的投影对后排遮挡，需要将太阳能光伏板阵列的行间距设置较大，从而限制了每亩土地上的发电总量。
[0004]过去国内外的光伏农业系统有通过在太阳能光伏板中间添加分光板来改善农作物照明情况。然而，这种方法无法解决上述太阳能光伏板阵列行间距较大的问题。

技术实现思路

[0005]本技术提出了一种匀光型光伏农业系统，通过“压槽分光玻璃板
‑
第一太阳能光伏板
‑
第二太阳能光伏板”形成该结构单元。此装置主要解决以下两大问题：一方面光伏板下的农作物被光伏板的阴影遮盖，无法良好生长；另一方面当季节处于冬季时，太阳能光伏板组件受到光照后，其阴影区域会覆盖在后面的太阳能光伏板组件上，影响了太阳能光伏板的发电量。
[0006]本技术采用的技术方案为：一种匀光型光伏农业系统，包括支架，太阳能光伏板组件，所述太阳能光伏板组件由第一太阳能光伏板、第二太阳能光伏板和压槽分光玻璃板组成，所述第一太阳能光伏板、第二太阳能光伏板和压槽分光玻璃板自上而下依次并列安装在支架上。
[0007]进一步地，所述第一太阳能光伏板、第二太阳能光伏板和压槽分光玻璃板的面积比为1：1：X，X＝0.5～1.5，首选X＝1。
[0008]进一步地，所述第二太阳能光伏板与所述第一太阳能光伏板以及所述压槽分光玻璃板之间分别形成具有一定宽度的间隙，且两个间隙的宽度相等。
[0009]进一步地，所述压槽分光玻璃板由高透过率的玻璃材质制成，压槽分光玻璃板上表面为一平面，下表面开有压槽阵列。
[0010]进一步地，所述压槽的截面由一个平面和一个分段式自由曲面组成。
[0011]进一步地，所述压槽的平面宽度为a，且垂直于所述压槽分光玻璃板上表面，相邻
两个所述压槽的间隔为0。
[0012]进一步地，所述压槽阵列由一个特定自由曲面分割平移形成，所述特定自由曲面为满足均匀分光要求的压槽分光玻璃板下表面的一个初始面型。
[0013]进一步地，所述压槽阵列的数学模型为：
[0014][0015]其中，为此特定自由曲面上入射光线的单位矢量，为此特定自由曲面上出射光线的单位矢量，为此特定自由曲面上光线入射点处的法线矢量，k
i
为矢量的斜率大小；M
i
为太阳光与特定自由曲面的交点，M
i
的坐标为M
i
(Mx
i
,My
i
)，且Mx
i
＝i(i＝0、1、2
…
)，My0＝0；N
i
为光线与农地的交点，N
i
的坐标为N
i
(Nx
i
,Ny
i
)，且M
i
′
为光线与所述压槽阵列的交点，M
i
′
的坐标为M
′
i
(Mx
i
,My
′
i
)；θ为压槽分光玻璃板相对农地的倾角，h为压槽分光玻璃板相对农地的高度，n0为空气的折射率，n1为玻璃介质的折射率；“[]”为取整数符号。
[0016]这种压槽分光玻璃板将太阳光均匀的照射在农地上的原理简述如下：太阳光可以被视为均匀分布的平行光，因为光线是垂直入射在压槽分光玻璃板上表面，所以当光线通过压槽分光玻璃板上表面后，其光线的传播路径并未改变。当光线传播到压槽分光玻璃板的下表面时，根据斯涅耳定律：n1*sinθ1＝n2*sinθ2(n1为分光玻璃板的折射率，θ1为光线在界面上的入射角，n2为空气的折射率，θ2为光线在界面上的出射角)，其光线的传播路径会发生变化，可以将光折射到太阳能光伏板组件下方的投影区域。当确定入射光线与压槽分光玻璃板下表面的夹角后，可以准确的计算出出射光线与压槽分光玻璃板下表面的夹角。当已知太阳能光伏板组件相对于农地的倾角，太阳能光伏板组件在农地上的投影区域大小以及太阳能光伏板组件相对农地的高度时，便可准确的得到出射光线与农地的交点位置。因此，通过设计压槽分光玻璃板下表面每一处的面型参数，即可改变光线与农地的交点位置，从而使得太阳光均匀分布在农地上。
[0017]我们国家绝大部分陆地地区处于北回归线以北的地区，各个地区全年太阳高度角的最大值随着纬度的升高而降低；而且全年太阳的高度角一直在变化，冬季时的太阳高度角低，夏季时的太阳高度角高。为了使太阳能光伏全年产电量基本不受到太阳高度角变化的影响，此匀光型光伏农业系统可以满足以下条件：在冬至节气时，对于北半球地区来说，太阳的高度角最低。此时前一个匀光型光伏农业系统受到光照所产生的阴影区域完全覆盖在压槽分光玻璃板上且不覆盖在第一太阳能光伏板和第二太阳能光伏板上。通过设定特定
的太阳能光伏板组件倾角以及每组匀光型光伏农业系统的间距可以实现上述条件。以河北雄安地区为例,当地的光伏板相对于水平面的最佳倾角为32
°
，太阳能光伏板的尺寸为1622mm*1068mm*35mm，当满足光伏板的发电量全年都不受影响，此匀光型光伏农业系统前后最小间距约为1.18m，每亩的装机量106套，每亩全年能够实现的发电量约为8.1万度电(在河北省雄安地区的光照条件下)；而原分光式匀光型光伏农业系统每亩地的装机量最大为69套，每亩全年能够实现的发电量约为5.3万度电。相较而言，新式的匀光型光伏农业系统每亩地的全年发电量比原先的分光式匀光型光伏农业系统每亩地的全年发电量提高了2.8万度电。
[0018]此匀光型光伏农业系统可以保证太阳能光伏板下的农作物的全年产量不会受到较大的影响。由于太阳能光伏板组件的倾角值固定，太阳能光伏板组件下的光斑会随着太阳高度角的变化发生移动。当太阳光垂直入射太阳能光伏板组件时，农地上不存在阴影区域。当太阳光斜入射太阳能光伏板组件时，农地上的整个光斑也会随之向南或者向北移动，使得农作物的光合作用基本上不会受到太大影响。在冬天时，由于天气寒冷大部分农作物处于休眠或者非耕作期，使得农地上接受不到太阳光也不会对农作物的全年产量产生较大影响，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
为空气的折射率，n1为玻璃(4)介质的折...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈方才，刘文，张昕昱，郑佳楠，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：