CN116369083A

CN116369083A - 一种激光光伏种植方法

Info

Publication number: CN116369083A
Application number: CN202310644903.2A
Authority: CN
Inventors: 杨明来; 王英; 卞婷; 王辉; 马强; 李成龙; 杜如愿; 柏金勇; 刘志伟; 谢剑材; 王轩
Original assignee: Zhejiang Changxin Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Changxin Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2023-06-02
Filing date: 2023-06-02
Publication date: 2023-07-04

Abstract

本发明提供一种激光光伏种植方法，其为在光伏板下种植作物，以激光作为补充光源，在光伏板下构建激光光场，改变光伏下植物生长光环境，并通过调控激光光质、光强及光周期，形成植物正常生长光照条件；其中激光光源用于照射作物，设置在光伏板与作物之间；所述激光光源为半导体激光光源，光场的激光光强为0.05～5μmol·m^‑2·s^‑1，通过特定的波长配合和光强比配合，满足各种板下作物正常生长，打破光伏板下只能种耐阴植物的限制，满足喜阳和喜阴不同作物对光的需求，实现光伏发电及作物种植协同发展，提高经济效益，满足国家新能源及农业发展需要。

Description

一种激光光伏种植方法

技术领域

本发明属于种植技术领域，尤其涉及一种激光光伏种植方法。

背景技术

作为可再生能源主要的技术应用之一的光伏产业已经开始了其规模化应用的时代。但近年来，近负荷地区的传统光伏电站建设面临着建设用地不足的情况。这为光伏产业和农业种植的跨界融合提供了机会。光伏发电与高效农业相结合，实现光伏与农业跨界融合，光伏农业应运而生。

作为一种新型跨界经营模式，光伏农业采用不同透光性的光伏电板或错位铺设、扩大光伏板安装部署间隙等方式，满足不同植物光合作用对阳光的需求，以实现“棚顶发电、棚下种植”双收益。通过土地流转等方式，规模化集聚土地资源，在不改变土地性质和使用属性的情况下，光伏电站与农业实现设施共享、成本共摊、增产增效的多赢局面，既可以解决光伏发电用地不足难题，也可以破解农业占地问题，使得光伏发电在我国人口密集地区规模化发展成为可能。

然而，在光伏农业存在显而易见的优势的同时，问题也很明显，最核心的问题就是光伏板的遮光问题，现有光伏板普遍遮光30%-90%，导致光伏板下作物光合效率不足。严重缺光时，即使是耐阴作物也无法健康生长，而对于喜光植物更需要生长过程中有效的促进光合作用的光照。尽管通过光伏板的错位铺设或加大间距等方式可以改善作物的光照，但光伏电站的装机容量会大大下降。因此，改善光伏板下的光照情况，提高作物的光合效率是提高光伏农业发展的关键。

经过试验验证，采用人工光源补光照射是解决光伏板下缺光的重要手段，但是目前市场所存在的led灯，白炽灯，荧光灯，高压卤素灯均存在光合效率低、耗电量大、安装数量多，使用场景受限等问题，且采用以上灯源设备势必大量挤占光伏发电的电量，与建设光伏板解决能源消耗的初衷违背。

激光是20世纪以来人类重大发明之一，是人工光源中唯一与太阳光具有平行光特性的光源，同时激光具有相干性好、单色性好、方向性好、光电转换效率高、节能等特性，对促进植物光合作用有非常显著效应，并且节能效果显著，同样功率下，达到同样促进植物生长状况，激光能耗是LED光源的1/30，给光伏下补光带来了福音，特别是近年来随着半导体激光技术的发展，半导体激光器价格越来越便宜，为光伏下补光提供了高性价比的解决方案。

为此，本发明研究人员旨在开发一种以激光光源替代现有常规补光光源，促使光伏农业种植形成正常光生长条件，在不影响光伏电站装机容量的前提下，打破光伏板下只能种耐阴植物的限制，满足喜阳和喜阴不同作物对光的需求，达到能源+农业二者相配合的协同发展。

发明内容

本专利为了克服现有农光互补技术中存在的两个难题，利用激光特性，通过技术手段加以解决。光伏农光互补种植过程中局限性主要表现在以下两个方面：

光伏板透光率低，实测晶硅面板透光率10-15%，薄膜光伏透光率40-60%，常规作物无法正常生长，普遍减产和绝收。因此只能选择中草药等喜阴作物，且生长依旧受限；

如果扩大作物品种，必须进行补充光照，而常规LED、钠灯、节能灯、白炽灯仅仅是补充光照，简单提升光伏下光照强度。上述光源植物光合效率低、能耗高、安装数量多，高度及空间受限，挤占光伏发电的电量，为了不降低农作物产量，消耗能源占光伏发电1/3以上，影响光伏发电效能。

上述两大问题已经成为农光互补的难题，因此亟需找到既能解决光伏板下缺光影响作物生长，又能降低能耗不影响发电效率的新方法。

本专利针对上述难题，充分发掘并应用激光物理特性，在大量研究基础上，找到了激光促进光合作用的方法，通过不同波长激光的调控，可以改善光伏下光照条件，促进作物光合作用效能提升，降低光合作用补偿点。同时通过光强、光周期调节，达到光伏下光场匹配作物光需求，相比LED等传统光源，能耗仅为1/30，节能效果非常显著。

作为本申请的一个方面，本申请提供一种激光光伏种植方法，其为：以激光作为补充光源，在光伏板下构建激光光场，改变光伏下植物生长光环境，形成植物正常生长光照条件，并通过调控激光光质、光强及光周期，进而影响光伏下作物的生长趋势；其中激光光源用于照射作物，设置在光伏板与作物之间。

优选的，所述的光伏板为太阳能发电电池板或者太阳能发电薄膜。

优选的，所述的激光光源为半导体激光光源。相较于其余的固体激光、气体激光而言，半导体激光具有体积小、能耗低、方便可调的特点，且能够更加有效且稳定的保持光源强度，避免光强过量导致植物损伤。所述激光光场由若干半导体激光光源构成。

优选的，所述激光光源设置在光伏板与作物之间，覆盖被光伏板遮挡的区域，促进作物生长。

优选的，所述作物不限制只为耐阴作物。

优选的，所述激光光场可根据光照需求设定，亦可根据作物生长过程调控，可调控的激光光质为中心波长425～465 nm的蓝光激光，和/或中心波长525~575nm的绿光激光，和/或中心波长620～735 nm的红光激光。

优选的，所述激光光场的光量子密度为0.05～5.0 μmol·m^-2·s^-1。

优选的，所述激光，其中光质红绿比为1:1-6:1，红蓝比为1:2-10:1。

激光光源辐照强度是根据作物生长阶段光需求设定，从作物苗期、营养生长期、花期、果期等生长阶段确定激光动态范围，通常0.05～5.0μmol·m^-2·s^-1，并通过光源配置，实现有效光场覆盖，即可满足作物栽培场景光照需求。

优选的，所述激光其照射时间周期为0.5-24小时，可连续照射或间歇式照射。

优选的，所述激光距地面不小于1米，采用水平照射、倾斜或垂直方式，有效照射距离可达15米。

本发明的有益效果如下：

1）本发明为光伏农业种植提供一种新型光照解决方案，为新能源+农业的新型模式开辟新的方式，为农业耕地保护，农业增产提供新型模式。

2）本发明通过激光替代常见的LED光源和/或白炽光源等常见现有的补光光源，降低了能耗比、提高了光利用率，对于光伏农光互补种植领域，不改变现有光伏部署方式，不挤占现有光伏发电量。

3）本发明利用了激光促进光合作用特殊效应，不同于传统光源，通过特定的波长配合和光强比配合，满足各种板下作物正常生长，并可提升作物产量，提高经济效益，达到光伏发电及作物种植协同发展，满足国家发展需要。

附图说明

图1为本发明实施例1中光伏板下直接种植现场图；

图2为本发明实施例2的连栋屋脊型光伏大棚现场图；

图3为本发明实施例2的连栋屋脊型光伏大棚安装部署示意图；

图4为本发明实施例2的连栋屋脊型光伏大棚激光现场效果图；

图5为本发明实施例3的连栋圆拱形光伏大棚现场图；

图6为本发明实施例3的连栋圆拱形光伏大棚安装部署示意图；

图7为本发明实施例3的连栋圆拱形光伏大棚夜晚现场图；

图8为实施例1中作物种植效果图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。

实施例1

本实施例标记为BG1，提供的一种激光光伏种植方法，包括以下步骤，

（1）光伏板下直接种植为：不做任何改动，在现有光伏板部署方式下种植作物，激光光源直接固定在光伏板支撑立柱上（如图1）；所有光源灯组距地面1米，采用水平照射方式，每台灯照射角度120°，有效照射距离15米，覆盖面积可达200平米。多个光源形成交叉覆盖，满足种植光照需要。

（2）上海青播种后，行距20*25cm，选用中心波长450nm的蓝光激光光源，启动激光光源，从早上8:00-8:30，共0.5小时，激光初始光强5μmol·m^-2·s^-1，直至3-7天出苗；

（3）出苗后直至采摘，选用波长425nm的蓝光、波长660nm的红光，激光光强设置于光场各处保持均匀0.05μmol·m^-2·s^-1，每天补光12小时，光周期4:00~12:00，14:00~18:00；调节红蓝光强配比为1：2。

以上步骤2,3过程中，水肥管理，除草，除虫等正常进行管理。正常生长直到达到品质要求采收。

对比例1：作为CK1，其中步骤1）至步骤3）以自然光替代，不进行补光处理，其他条件均参照实施例1。

对BG1和CK1组的上海青采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

通过上述对比可以看出，通过本发明技术方案进行有效合理的激光补光后，光伏板下补光的上海青形态发生显著的改变，尤其在株高、叶片数、产量方面，使得秧苗显著变壮，产生了促进生长的效果。另外，亩产作为蔬菜最为直观的重要指标，其增长率达到了18.9 %，接近19%，表明在光伏板下缺乏光照的条件下，BG1组产量要远远优于CK1组。

实施例2

本实施例中，鹿舌菜组标记为BG2，明月草组标记为BG3，紫背天葵组标记为BG4，提供的一种激光光伏种植方法，包括以下步骤：

（1）连栋屋脊型光伏温室，主体结构采用铝合金和镀锌钢材为主，透明材料以薄膜、太阳板或玻璃为主，建造外形依据光伏板南北布设朝向，依次连接每排光伏，光伏板成一边坡面，另一坡面采用棚架结构，搭建组成形成屋脊型，其建造面积相当于多个独栋温室的结合，双坡不等宽结构，可降低温室的高度，减小了屋顶的风载，提高抗风能力，通风效果俱佳。

（2）激光光源固定于光伏板底部（如图2），光伏板每一排是长40m×宽3.6m（连栋棚长、宽），每4米一组光伏板，20米处留有4m宽过道，过道两侧种植面积分别为20m×3.6m，16m×3.6m，垄宽1.8m，各垄间隔0.8米（如图3）；所有光源灯组距地面3.5米，垂直照射，每台灯横向覆盖7.2米，纵向6.4米，为覆盖所有作物，过道两侧分别安装3个激光光源（如图3）。

（3）典型作物鹿舌菜、明月草、紫背天葵根据垄排布，鹿舌菜行距4*4cm进行播种、明月草行距15*20cm、紫背天葵根行距10*10cm，出苗后选用波长465nm的蓝光、525nm绿光及波长735nm的红光激光光源辐照，加速生长。分别达到三叶一心标准后移栽。作物移栽5-7天后，度过缓苗期，再启动激光光源，以弱光照射每天10小时，光周期为6:00~12:00，14:00~18:00；激光初始光强0.5μmol·m^-2·s^-1，调节红绿蓝比为1：1：2，即其各自光强为0.125μmol·m^-2·s^-1，0.125μmol·m^-2·s^-1和0.25μmol·m^-2·s^-1，促进作物正常生长，连续7天；

（3）生长旺盛期及结果期直至采摘时，选用波长455nm的蓝光、575nm绿光及波长620nm的红光激光光源，激光光强设置于3μmol·m^-2·s^-1，每天补光16小时，光周期为4:00~12:00,14:00~22:00；调节红绿蓝比为9：2：3，直到作物达到采收标准。

以上步骤2,3过程中，水肥管理，除草，除虫等正常进行管理。

对比例2：

本实施例中鹿舌菜组标记为CK2，明月草组标记为CK3，紫背天葵组标记为CK4，参照实施例2，其中步骤1）至步骤3）以自然光替代，不进行补光处理。

对BG2和CK2组的鹿舌菜采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

对BG3和CK3组的明月草采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

对BG4和CK4组的紫背天葵采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

鹿舌菜、明月草、紫背天葵，其特征喜强光照，若光照不足则生长细弱。通过上述对比可以看出，通过本发明技术方案进行有效合理的激光补光后，光伏板下补光的鹿舌菜，明月草，紫背天葵形态发生显著的改变。尤其在株高、叶片数、产量方面，使得秧苗显著变壮，产生了增产效果。并这三种作物都是强喜光作物，虽然没有达到正常场景下的生长产量，但是激光补光后的作物可以达到正常产量，鹿舌菜正常亩产3000公斤左右。明月草正常亩产1500公斤左右，紫背天葵亩产2000公斤左右，从上面数据可以看出能够良好的弥补所占用的耕地指标影响日常生活所需的蔬菜。

实施例3

本实施例提供了一种激光光伏种植方法，其中薄荷标记为BG5，紫苏标记为BG6，马苋菜标记为BG7。

（1）圆拱型光伏温室，主体结构采用铝合金和镀锌钢材为主，透明材料以薄膜、太阳板或玻璃为主，建造外形是整个跨度以上的拱是圆拱形，光伏板依据南北朝向部署置于拱形棚左右两侧上方。圆拱形温室的优点是内部可以设置两层薄膜，保温性能好。同时圆拱形连栋温室抗风载、抗雪载能力比较强。

将激光光源置于拱形大棚棚架中间主梁钢管上，（如图5）；每一排光伏板长18m×宽3.6m（即拱形棚长、宽），所有光源灯组距地面2.5米，每一排光伏板放置3台灯，倾斜30°照射，每台灯横向覆盖6.2米，纵向5.1米。分布光场（如图6）。

（2）薄荷、紫苏、马苋菜根据垄分布依次排列，薄荷行距20*25cm、紫苏行距25*25cm、马苋菜行距15*15cm。种植后，选用波长450nm的蓝光、550nm绿光、波长660nm和730nm的红光激光光源，启动激光光源，补充光照每天14小时，光周期为6:00~20:00；激光初始光强0.1μmol·m^-2·s^-1，调节远红：红：绿：蓝比为1：5：1：1；作物恢复生产生长状态；

（3）生长旺盛期直至采摘时，选用波长450nm的蓝光、波长660nm的红光激光光源，激光光强设置于2μmol·m^-2·s^-1，每天连续补光24小时；光周期为0:00~24:00；调节红蓝比为10：1。

对比例3：

参照实施例3，本实施例中步骤1）至步骤3）以自然光替代，不进行补光处理，种植作物薄荷标记为CK5，紫苏标记为CK6，马苋菜标记为CK7。

对BG5和CK5组的薄荷采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

对BG6和CK6组的紫苏采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

对BG7和CK7组的马苋菜采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

实施例4

本实施例提供了一种激光光伏种植方法，其中激光补光标记为LD-BG。

（1）圆拱型光伏大棚，主体结构采用铝合金和镀锌钢材为主，透明材料以薄膜、太阳板或玻璃为主，建造外形是整个跨度以上的拱是圆拱形，光伏板依据南北朝向部署置于拱形棚左右两侧上方。圆拱形温室的优点是内部可以设置两层薄膜，保温性能好。同时圆拱形连栋温室抗风载、抗雪载能力比较强。

将激光光源置于拱形大棚棚架中间主梁钢管上，所有光源灯组距地面2.5米，LED吊装到距离地面0.8-1米距离（实际试验证明，LED安装高于1米，效果微弱）。

板叶茼蒿根据垄分布依次排列，行距20*25cm，均匀排列。

种植后，选用波长450nm的蓝光、550nm绿光、波长660nm红光激光光源，启动激光光源，补充光照每天14小时，光周期为6:00~20:00；激光初始光强0.1μmol·m^-2·s^-1，调节红：绿：蓝比为2：0.5：1；作物恢复生产生长状态，最大激光照射功率密度1W/平方米；

生长旺盛期直至采摘时，选用波长450nm的蓝光、波长660nm的红光激光光源，激光光强设置于2μmol·m^-2·s^-1，每天连续补光12小时；光周期为6:00~18:00；调节红蓝比为9：3。

选择LED补光灯300W，按照平均LED照射功率30W/平方米照射，因LED灯具无可调功率功能，全周期不调节；

以上步骤3,4过程中，水肥管理，除草，除虫等正常进行管理。

对比例4：

参照实施例4，

本实施例中步骤1）至步骤4）以自然光替代，不进行补光处理，标记为CK8；

本实施例中步骤1）至步骤4）以LED光源代替，选择LED补光灯300W，按照平均LED照射功率30W/平方米照射，LED灯具无可调功率功能，标记为LED-BG。

对三种处理方式采摘形态进行检测和对比，具体如下表所示

。

从实施例4可见，激光灯功率为LED的1/30，但相对LED，其生物量湿重增量多了4.8倍，干重增量多了4.5倍，分别比对照组增加湿重44%、9.4%，增加干重50%、11%。明显看到激光对叶菜效果显著，同时能够提前7天上市，LED提前4天上市。因此能耗差异达到30倍，足以看到激光调控作用。

对比实施例1-4可见，圆拱形大棚双层薄膜及光伏板的遮盖下，作物生长受限严重，发育较差，对比组的产量较补光组产量差距较大，激光补光使得光伏温室大棚的作物生长向正常产量转化。

本发明所述激光光伏种植方法不限制光伏部署方式。所述激光光伏种植方法不限制光伏场只能种植耐阴作物。补充说明，激光之所以能够实现上述效果，和激光的相干性、单色性、高亮度、光量子密度高有直接关系。激光红绿蓝激光的光谱精准，穿透性强，在作物的类囊体内形成共振，与光合作用色素作用好，提高光合效率，用激光补光能达到满足正常生长需求。利用激光光源的高效、低能耗特点，运用灵活辐照方式，因而选择激光是本发明最为关键的部分之一，可有效形成发电和种植平衡。根据作物生长高度及环境要求，选择光伏板高度不同的光伏电站或在光伏农业大棚布置适合植物生长的激光光源；例如：按照激光光源功率10~20W，每亩地10盏灯计算，合计≤200W，每天平均照射10小时，一亩地一天≤2kWh，按照光伏装机能效换算，若每亩最低装机25kW，只占用千分之8的发电量。

在本发明技术方案中，通过激光光源进行弥补光伏板下缺乏的有效光合辐射，通过调节光合作用最需的光强，配合构建作物光照光场，满足作物正常生长需求。

一、合理采用有效激光光源配合光伏板下自然光，形成正常作物生长的光照条件，解决因光照致使作物品种选取及生长受限的问题。

二、利用激光光电转换效率高、促植物光合作用效率高的特点，解决现有光源能耗高、大量挤占光伏发电的资源的问题。

三、在满足作物正常生长的条件下，配合现有光伏板部署方式，合理控制激光光场的构成，解决光伏部署方式受限问题。

根据自然条件、光伏发电需求，以及当地农业规划，优选相关的作物，针对不同类型作物和作物的不同生长阶段，需要采用合理光质和光强进行调控，可以实现在不同生长阶段的正常生长需求以及促生长效果。如苗期，作物在极其缺乏有效光照的条件下，会出现烂根，无法正常生长，导致减产，可采用蓝光相对较高，红光较少的配比，促进作物根部发育，提高秧苗活性，可以秧苗茁壮，水肥吸收能力强；在生长旺盛期增加红光、绿光的比例，提升葡萄糖、氨基酸等物质积累；在生殖生长阶段，全面提升补光强度，促进开花和坐果；结果期，调整红蓝光的比例，改善口感，提升品质和产量。

此外，需要根据作物对阳光的需求类型来确定补光周期。对于喜阳作物，日补光时间较长，可以达到16~22小时，对于喜阴作物，日补光时间控制在14小时以下，中性作物，控制在12~18小时。因植物种类繁多，需要查阅植物生长需求进行配置。特殊作物，例如火龙果可以24小时连续补光，以提高产量和品质。

为了满足节能要求，补光参数调控可以接近植物生长所需光照的中等需求。同时，对于特定经济作物，光伏板安装时要预留空间，以做到综合光透过率能够提供植物最低生长要求，这样可以通过激光补光实现最经济的效果。相较于普质光源和设备而言，激光作用距离远，安装高度高，节能效果显著。通过综合运用激光补光技术，可以实现较高光伏板覆盖率，激光补光植物生长效果佳，经济效益好的平衡。解决传统农光互补发电效率和农产品产出矛盾问题，经济效益和社会效益无法平衡的难题。随着半导体激光成本持续降低，激光补光将成为农光互补的必选补光光源。

相较于当前大部分农光互补项目，为了达到光伏发电效能以及作物产量最大化的的目标，调节光伏板的倾角，拉宽板间间隙，提高透光比例，但是这样的方式相比常规的光伏发电站，发电面积通常下降20%，影响发电效果。而补充激光光照可以解决光照不足，不需要动态调整光伏部署方式，利用激光光源的高效、低能耗特点，运用灵活辐照方式，实现补光和发电平衡。

本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种激光光伏种植方法，其特征在于：以激光作为补充光源，在光伏板下构建激光光场，改变光伏下植物生长光环境，形成植物正常生长光照条件，并通过调控激光光质、光强及光周期，进而影响光伏下作物的生长趋势；其中激光光源用于照射作物，设置在光伏板与作物之间。

2.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述的光伏板为太阳能发电电池板或者太阳能发电薄膜。

3.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述的激光光源为半导体激光光源。

4.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述作物不限制只为耐阴作物。

5.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述激光光源光场覆盖阳光被光伏板遮挡的区域。

6.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述激光光场可根据光照需求设定，亦可根据作物生长过程调控，可调控的激光光质为中心波长425～465 nm的蓝光激光，和/或中心波长525~575nm的绿光激光，和/或中心波长620～735 nm的红光激光。

7.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述激光光场的光量子密度为0.05～5.0 μmol·m^-2·s^-1。

8.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述激光，其中光质红绿比为1:1-6:1，红蓝比为1:2-10:1。

9.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述调控激光照射时间周期为0.5-24小时。

10.根据权利要求1所述的激光光伏种植方法，其特征在于：所述激光距地面不小于1米，采用水平照射、倾斜或垂直方式。