CN215186553U - 一种匀光型光伏农业系统 - Google Patents

一种匀光型光伏农业系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型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。

Description

一种匀光型光伏农业系统
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏发电与农业的交叉技术领域，具体涉及一种匀光型光伏农业系统。
背景技术
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。
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。
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。
实用新型内容
本实用新型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。
本实用新型采用的技术方案为：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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
进一步地，所述压槽阵列的数学模型为：
Figure BDA0002935248560000021
其中，
Figure BDA0002935248560000022
为此特定自由曲面上入射光线的单位矢量，
Figure BDA0002935248560000023
为此特定自由曲面上出射光线的单位矢量，
Figure BDA0002935248560000024
为此特定自由曲面上光线入射点处的法线矢量，ki为矢量
Figure BDA0002935248560000025
的斜率大小；Mi为太阳光与特定自由曲面的交点，Mi的坐标为Mi(Mxi,Myi)，且Mxi＝i(i＝0、1、2…)，My0＝0；Ni为光线与农地的交点，Ni的坐标为Ni(Nxi,Nyi)，且
Figure BDA0002935248560000026
Mi′为光线与所述压槽阵列的交点，Mi′的坐标为M′i(Mxi,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。
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。
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。
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，从而此匀光型光伏农业系统保证了农作物全年的产量。
太阳能光伏板组件具有一定的倾角，在下雨时，雨水可以顺着太阳能光伏板组件的上表面滑下。由于第二太阳能光伏板与压槽分光玻璃板以及第一太阳能光伏板之间存在一定宽度的间隙，雨水可从两道间隙中落下，从而实现对于太阳能光伏板组件下农作物的浇灌。
第二太阳能光伏板与压槽分光玻璃板以及第一太阳能光伏板之间存在一定大小的间隙，有利于减少此匀光型光伏农业系统中的风压，从而降低此系统中支架的成本支出。
相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：通过压槽分光玻璃板实现对太阳光分光，可以将从前部透射过去的太阳光均匀的分配在太阳能光伏板组件下，便于农作物的光合作用，保证了农作物全年的产量；太阳能光伏板全年均能受到光照且不会被前面的太阳能光伏板产生的阴影区域遮挡，提升了单个太阳能光伏板的全年发电量；同时此匀光型光伏农业系统相较于原光伏农业系统能够提升单位面积上太阳能光伏板的数量，从而提高每亩地上的发电量；第二太阳能光伏板与压槽分光玻璃板以及第一太阳能光伏板之间的两道间隙，实现了在雨天对于太阳能光伏板组件下农作物的浇灌；此间隙也有利于减少此匀光型光伏农业系统中的风压，从而降低此系统中支架的成本。
附图说明
图1为匀光型光伏农业系统的整体结构示意图；
图2为压槽分光玻璃板的横截面图；
图3为压槽分光玻璃板分光原理示意图；
图4为太阳光垂直入射太阳能光伏板组件情况示意图；
图5为匀光型光伏农业系统在冬至时的受照情况示意图；
图6为匀光型光伏农业系统在雨天时的降水示意图；
图7为匀光型光伏农业系统的另一种结构示意图。
图中：1-支架；2-太阳能光伏板组件；21-第一太阳能光伏板；22-第二太阳能光伏板；23-压槽分光玻璃板；3-间隙；4-高透过率玻璃；40-压槽分光玻璃板上表面；41-压槽；410-平面；411-分段式自由曲面；5-太阳光；6-农地；7-雨水。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例一
如图1所示的一种匀光型光伏农业系统，它包括支架1和支架1上的太阳能光伏板组件2，太阳能光伏板组件2包括第一太阳能光伏板21、第二太阳能光伏板22和压槽分光玻璃板23，压槽分光玻璃板23实现对太阳光的分光作用，压槽分光玻璃板23在第二太阳能光伏板22的下侧边，第一太阳能光伏板21、第二太阳能光伏板22以及压槽分光玻璃板23的宽度均为1.07m，第二太阳能光伏板22与第一太阳能光伏板21以及压槽分光玻璃板23之间存在5mm宽的间隙。
如图2所示，所述压槽分光玻璃板23由高透过率的玻璃4制成，压槽分光玻璃板上表面40为平面，下表面为压槽阵列。压槽41由一个平面410和一个分段式自由曲面411组成。
所述压槽阵列的数学模型为：
Figure BDA0002935248560000051
其中，
Figure BDA0002935248560000052
为此特定自由曲面上入射光线的单位矢量，
Figure BDA0002935248560000053
为此特定自由曲面上出射光线的单位矢量，
Figure BDA0002935248560000054
为此特定自由曲面上光线入射点处的法线矢量，ki为矢量
Figure BDA0002935248560000055
的斜率大小；Mi为太阳光与特定自由曲面的交点，Mi的坐标为Mi(Mxi,Myi)，且Mxi＝i(i＝0、1、2…)，My0＝0；Ni为光线与农地的交点，Ni的坐标为Ni(Nxi,Nyi)，且
Figure BDA0002935248560000056
Mi′为光线与所述压槽阵列的交点，Mi′的坐标为M′i(Mxi,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。
如图3所示，压槽分光玻璃板23可以将直射太阳光5均匀照射在农地6上的原理如下所述：太阳光5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40，所以当光线通过压槽分光玻璃板上表面40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压槽41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，从而照射太阳能光伏板组件2下方的投影区域。当确定入射光线与压槽分光玻璃板23的压槽41的夹角后，可以准确的计算出出射光线与压槽分光玻璃板23的压槽41的夹角。当已知太阳能光伏板组件2的相对于农地6的倾角，太阳能光伏板组件2在农地6上的投影区域大小以及太阳能光伏板组件2相对于农地6的高度时，便可准确得到出射光线与农地6的交点位置。因此，通过设计压槽分光玻璃板23的压槽41每一处的面型参数，即可改变光线与农地6的交点位置，从而使得太阳光5均匀分布在农地6上。
如图4所示，当太阳光5垂直入射在太阳能光伏板组件2上时，一部分太阳光5被第一太阳能光伏板21和第二太阳能光伏板22吸收转化为电能，另一部分太阳光5入射压槽分光玻璃板23上，被均匀的分配在农地6上，且根据zemax仿真照度图显示，此时农地6上不存在阴影区域，农作物的光合作用得到了保障。
如图5所示，在冬至节气时，对于北半球地区而言，太阳的高度角为全年最低。此时前面的匀光型光伏农业系统受照产生的阴影仅完全覆盖在后面太阳能光伏板组件2上的压槽分光玻璃板23上，不会覆盖在第一太阳能光伏板21和第二太阳能光伏板22上，实现了第一太阳能光伏板21和第二太阳能光伏板22全年都能够正常接受光照进行发电；以河北省雄安地区为例，在冬天时，大部分的农作物处于休眠或者非耕作期，此时农地6上没有太阳光5时也不会对农作物的全年产量产生较大影响。
如图6所示，在下雨天时，雨水7会顺着太阳能光伏板组件2滑落。由于太阳能光伏板组件2中第二太阳能光伏板22与压槽分光玻璃板23和第一太阳能光伏板21之间均存在5mm宽度的间隙3，使得雨水会从间隙3中落下，从而太阳能光伏板组件2下的作物能够得到浇灌；此间隙的存在同时能够减少此匀光型光伏农业系统中的风压，从而减少此系统中支架1的成本支出。
实施例二
如图7所示，实施例二与实施例一的不同之处在于：太阳能光伏板21的上侧边也安装了压槽分光玻璃板23，且其下表面面型同样由压槽阵列来构成。此安装方式的优势为：在太阳能光伏板组件2安装高度较低的情况下，能够实现农地6上太阳光5的均匀照射。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：包括支架(1)，太阳能光伏板组件(2)，所述太阳能光伏板组件(2)由第一太阳能光伏板(21)、第二太阳能光伏板(22)和压槽分光玻璃板(23)组成，所述第一太阳能光伏板(21)、第二太阳能光伏板(22)和压槽分光玻璃板(23)自上而下依次并列安装在支架上。
2.根据权利要求1所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：所述第一太阳能光伏板(21)、第二太阳能光伏板(22)和压槽分光玻璃板(23)的面积比为1：1：X，X＝0.5～1.5。
3.根据权利要求1所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：所述第二太阳能光伏板(22)与所述第一太阳能光伏板(21)以及所述压槽分光玻璃板(23)之间分别形成一个具有一定宽度的间隙(3)，且两个间隙(3)的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：所述压槽分光玻璃板(23)由高透过率的玻璃(4)材质制成，压槽分光玻璃板上表面(40)为一平面，下表面开有压槽阵列。
5.根据权利要求4所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：所述压槽(41)的截面由一个平面(410)和一个分段式自由曲面(411)组成。
6.根据权利要求5所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：所述压槽(41)的平面(410)宽度为a，所述平面(410)垂直于所述压槽分光玻璃板上表面(40)，且相邻两个所述压槽(41)的间隔为0。
7.根据权利要求4所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：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。
8.根据权利要求7所述的一种匀光型光伏农业系统，其特征在于：所述压槽阵列的数学模型为：
Figure 840832DEST_PATH_FDA0003307950110000021
其中，
Figure 882606DEST_PATH_FDA0003307950110000022
为此特定自由曲面上入射光线的单位矢量，
Figure 973928DEST_PATH_FDA0003307950110000023
为此特定自由曲面上出射光线的单位矢量，
Figure 493771DEST_PATH_FDA0003307950110000024
为此特定自由曲面上光线入射点处的法线矢量，ki为矢量
Figure 557411DEST_PATH_FDA0003307950110000025
的斜率大小；Mi为太阳光(5)与特定自由曲面的交点，Mi的坐标为Mi(Mxi,Myi)，且Mxi＝i(i＝0、1、2…)，My0＝0；Ni为太阳光(5)与农地(6)的交点，Ni的坐标为Ni(Nxi,Nyi)，且
Figure 527944DEST_PATH_FDA0003307950110000026
Figure 919612DEST_PATH_FDA0003307950110000027
Mi′为太阳光(5)与所述压槽阵列的交点，Mi′的坐标为M′i(Mxi,My′i)；θ为压槽分光玻璃板(23)相对农地(6)的倾角，h为压槽分光玻璃板(23)相对农地(6)的高度，n0为空气的折射率，n1为玻璃(4)介质的折射率；“[]”为取整数符号。
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