本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種有利于農(nóng)作物生長的碟式反射聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

碟式聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)采用碟形鏡面反射聚光器，同時通過雙軸追日跟蹤伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對垂直入射太陽光的會聚，在提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的同時，還能夠大幅減少光伏材料使用面，而且用來聚光的材料如玻璃、有機(jī)高分子材料或者鐵皮、鋁片的生產(chǎn)成本都顯著低于傳統(tǒng)晶硅太陽能電池材料。

一般太陽能電池都是由單一材料作為活性層制備而成，只能吸收特定波段范圍的太陽光，故無法吸收的部分浪費(fèi)掉了。另外，在發(fā)電的過程中，大量的光伏發(fā)電設(shè)備會遮擋相當(dāng)一部分的土地資源，導(dǎo)致大量的土地不能用于植被生長。

美國能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的相關(guān)專家搜集了美國72%已經(jīng)安裝或在建的太陽能發(fā)電設(shè)備的數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)：通常情況下，一個大型固定傾斜光伏設(shè)備每年每產(chǎn)出1000兆瓦時，平均需要11331平方米的土地用于放置太陽能電池板。這意味著，一個提供1000個家庭所有電力需求的太陽能發(fā)電廠，將需要使用近13萬平方米的土地。另外，一個小型單軸光伏系統(tǒng)每年每產(chǎn)出1000兆瓦時，平均需要11735平方米土地，不僅如此，連聚焦式太陽能發(fā)電設(shè)備每年每產(chǎn)出1000兆瓦時平均需要10926平方米土地。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種有利于農(nóng)作物生長的碟式反射聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，既能采用高效率的碟式反射聚光光伏發(fā)電模式，又能合理分配植物與光伏轉(zhuǎn)換電池二者所需要的光譜，在有效提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的同時，又能保證該發(fā)電系統(tǒng)裝置下的植物能正常生長。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種有利于農(nóng)作物生長的碟式反射聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：包括大面積碟式拋物面聚光器、太陽能發(fā)電裝置；

所述大面積碟式拋物面聚光器為透明材質(zhì)，其反射面上設(shè)置有光學(xué)分光薄膜，利用光學(xué)分光薄膜將投射到大面積碟式拋物面聚光器的太陽光按波長范圍分成兩束，一部分透射過去通過大面積碟式拋物面聚光器照向植物，一部分反射匯聚形成光斑，由太陽能發(fā)電裝置接收。

作為優(yōu)選，所述太陽能發(fā)電裝置由勻光處理單元、聚光光伏電池陣列、高效集成水制冷散熱單元組成；

所述勻光處理單元上罩設(shè)有由側(cè)壁和蓋板組成的封裝結(jié)構(gòu)體，封裝結(jié)構(gòu)體四周均設(shè)有冷卻水槽，四個冷卻水槽用管道連通，并通過進(jìn)水口和出水口與冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道相連通；

所述勻光處理單元固定設(shè)置在所述聚光光伏電池陣列上，聚光光伏電池陣列背部與所述高效集成水制冷散熱單元相接；所述高效集成水制冷散熱單元固定設(shè)置在太陽能發(fā)電裝置安裝底座底部，并通過進(jìn)水口和出水口與冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道相連通；

冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道一端固定設(shè)置在太陽能發(fā)電裝置安裝底座上，另一端固定設(shè)置在所述大面積碟式拋物面聚光器外沿上，用于支撐所述太陽能發(fā)電裝置，以及導(dǎo)入與導(dǎo)出冷卻水。

作為優(yōu)選，所述裝置還包括雙軸自動追蹤系統(tǒng)，所述大面積碟式拋物面聚光器通過立柱設(shè)置在底座上，在雙軸自動追蹤系統(tǒng)的控制下自動跟蹤太陽，雙軸自動追蹤系統(tǒng)的拉桿分別與底座上的立柱和大面積碟式拋物面聚光器相連接，用于控制大面積碟式拋物面聚光器的反射拋物面始終跟蹤入射太陽光。

作為優(yōu)選，所述裝置還配置有給水泵供電的太陽能電池板，所述給水泵供電的太陽能電池板固定安裝在太陽能發(fā)電裝置安裝底座的頂部。

作為優(yōu)選，所述大面積碟式拋物面聚光器由N個扇形拋物片拼裝而成，其中N取正整數(shù)。

作為優(yōu)選，所述高效集成水制冷散熱單元由鏤空的M片銅片構(gòu)成；每片銅片上均設(shè)置有供冷卻水通過的鏤空路徑，并通過與進(jìn)出水口與所述冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道相連通，其中M為正整數(shù)。

作為優(yōu)選，所述光學(xué)分光薄膜由多層介質(zhì)膜組成，通過調(diào)控每層薄膜的折射率和厚度，不同波長的光會在不同折射率的界面處干涉疊加，最終只能使特定波長的光能透過薄膜，其余部分光反射，繼而可將太陽光進(jìn)行空間光譜分離，即能滿足植物對太陽光的需求，也能保證光伏發(fā)電效率。

本發(fā)明為了使有限的土地資源得到充分利用，在碟式聚光太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)上進(jìn)一步改進(jìn)，將高效率的碟形拋物反射面采用玻璃材料制作，并且在該碟式拋物面上貼一層光學(xué)薄膜，將太陽光譜進(jìn)行分離，使得有利于植物生長太陽光波段透射到地面，而另一部分太陽光反射聚焦供太陽能電池發(fā)電，這樣既提高了太陽能的利用率，又提高了土地的利用率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中太陽能發(fā)電裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)際運(yùn)用示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例在一般情況下葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中白菜的吸收光譜圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中玉米的吸收光譜圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中晶體Si電池的外量子效率譜圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中CuInxGa(1-x)Se2（CIGS）薄膜太陽能電池的外量子效率譜圖。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例中GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池的外量子效率譜圖。

圖10是本發(fā)明實(shí)施例中太陽光經(jīng)過光學(xué)濾光薄膜分光后，分別被白菜和GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池接收的光線譜圖。

圖11是本發(fā)明實(shí)施例中透射光譜范圍為420-460nm和630-670nm的多層介質(zhì)膜仿真圖。

圖12是本發(fā)明實(shí)施例中多層介質(zhì)膜與植物中的葉綠素a和葉綠素b的匹配效果圖。

圖13是本發(fā)明實(shí)施例中一般情況下植物與Si太陽能電池的吸收太陽光波段情況。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請見圖1、圖2和圖3，本發(fā)明提供的一種有利于農(nóng)作物生長的碟式反射聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括大面積碟式拋物面聚光器1、太陽能發(fā)電裝置2、雙軸自動追蹤系統(tǒng)5；太陽能發(fā)電裝置2由勻光處理單元201、聚光光伏電池陣列203、高效集成水制冷散熱單元204組成；勻光處理單元201上罩設(shè)有由側(cè)壁和蓋板組成的封裝結(jié)構(gòu)體，封裝結(jié)構(gòu)體四周均設(shè)有冷卻水槽202，四個冷卻水槽202用管道連通，并通過進(jìn)水口和出水口與冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道4相連通；勻光處理單元201固定設(shè)置在聚光光伏電池陣列203上，聚光光伏電池陣列203背部與高效集成水制冷散熱單元204相接；高效集成水制冷散熱單元204固定設(shè)置在太陽能發(fā)電裝置安裝底座3底部，并通過進(jìn)水口和出水口與冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道4相連通；冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道4一端固定設(shè)置在太陽能發(fā)電裝置安裝底座3上，另一端固定設(shè)置在大面積碟式拋物面聚光器1外沿上，用于支撐太陽能發(fā)電裝置2，以及導(dǎo)入與導(dǎo)出冷卻水。

本實(shí)施的大面積碟式拋物面聚光器1通過立柱設(shè)置在底座6上，在雙軸自動追蹤系統(tǒng)5的控制下自動跟蹤太陽，雙軸自動追蹤系統(tǒng)5的拉桿分別與底座6上的立柱和大面積碟式拋物面聚光器1相連接，用于控制大面積碟式拋物面聚光器1的反射拋物面始終跟蹤入射太陽光。

本實(shí)施的大面積碟式拋物面聚光器1為透明材質(zhì)，其反射面上設(shè)置有光學(xué)分光薄膜，利用光學(xué)分光薄膜將投射到大面積碟式拋物面聚光器1的太陽光按波長范圍分成兩束，一部分透射過去通過大面積碟式拋物面聚光器1照向植物，一部分反射匯聚形成光斑，由太陽能發(fā)電裝置2接收。

本實(shí)施例還配置有給水泵供電的太陽能電池板，給水泵供電的太陽能電池板固定安裝在太陽能發(fā)電裝置安裝底座3的頂部。

實(shí)施的大面積碟式拋物面聚光器1的碟式拋物面由可透過太陽光的玻璃制成，并通過8片厚度為4mm的玻璃扇形拋物面結(jié)構(gòu)拼裝成為一個完整的碟式拋物面結(jié)構(gòu)，每片又由3部分拼接而成。碟式拋物面焦距為2200mm，聚光倍數(shù)達(dá)到700倍。玻璃碟式拋物面上貼有光學(xué)分光薄膜，將太陽光譜進(jìn)行空間分離，將投射到大面積碟式拋物面聚光器1的太陽光按波長范圍分成兩束，一部分透射過去通過碟型玻璃照向植物，由植物接收；一部分反射會聚形成光斑。

本實(shí)施例采用的光學(xué)分光薄膜由多層介質(zhì)膜組成，基于介質(zhì)膜設(shè)計(jì)理論和特殊的生產(chǎn)工藝，通過調(diào)控每層薄膜的折射率和厚度，不同波長的光會在不同折射率的界面處干涉疊加，最終只能使特定波長的光能透過薄膜，其余部分光反射，繼而可將太陽光進(jìn)行空間光譜分離，即能滿足植物對太陽光的需求，也能保證光伏發(fā)電效率。

本實(shí)施例的勻光處理單元201直接附于聚光光伏電池陣列203表面，兩者通過高透明度的硅凝膠進(jìn)行密封封裝。聚光光伏電池陣列203采用半導(dǎo)體封裝方案、選用散熱較好的基板進(jìn)行封裝。例如若選用Si電池或者Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池，則可將太陽能電池與導(dǎo)熱性能良好的陶瓷覆銅DBC基板與層壓紫銅板進(jìn)行集成封裝。

對于大多數(shù)綠色植物而言，主要是葉綠素a與葉綠素b吸收太陽光進(jìn)行光合作用。參閱圖4，一般情況下，葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜范圍分別是420-460nm和630-670nm。

本實(shí)施例選取幾種具體的植物進(jìn)行分析。需根據(jù)具體植物對太陽光的吸收情況選擇合適的太陽能電池與之匹配；例如圖5中白菜吸收太陽光的波段為：350-800nm，圖6中玉米吸收太陽光的波段為：350-750nm和1350-1650nm。

若取白菜作為參考植物來尋找最為合適的光伏電池來與之匹配，那么應(yīng)采用低通濾波光學(xué)薄膜來實(shí)現(xiàn)光譜分離。

運(yùn)用光學(xué)薄膜將波長高于700nm（或高于800nm）的太陽光反射給光伏電池。本專利研究了以下幾種材料：參閱圖7，晶體Si電池的外量子效率譜圖中，有光響應(yīng)的波段是300-1200nm；參閱圖8，CuInxGa(1-x)Se2（CIGS）薄膜太陽能電池的外量子效率譜圖中，有光響應(yīng)的波段也是300-1200nm；參閱圖9，GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池的外量子效率譜圖中，有響應(yīng)的波段是：700-1800nm，這幾種材料理論上用在此系統(tǒng)中可做如下選擇。

若采用CIGS薄膜太陽能電池，則最后吸收到的波段為700-1200nm，然而該電池為低倍聚光，不滿足該系統(tǒng)的700倍聚光條件。若采用聚光Si太陽能電池，則依照葉綠素的吸收范圍來縮短白菜的吸收光譜范圍，則經(jīng)過光學(xué)濾光薄膜之后其能吸收到的波段將會大于700-1800nm。若采用GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池，則經(jīng)過光學(xué)濾光薄膜之后其能吸收到的波段為：700-1800nm。參閱圖10，為太陽光經(jīng)過光學(xué)濾光薄膜分光后，分別被白菜和GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池接收的光線譜圖。那么，對于高聚光倍數(shù)的碟式聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，選擇聚光Si太陽能電池和GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池均可。

若選取玉米作為參考植物來尋找合適的光伏電池來與之匹配，那么應(yīng)采用帶通濾波光學(xué)薄膜來實(shí)現(xiàn)光譜分離。

運(yùn)用光學(xué)薄膜將波長介于750-1350nm之間的太陽光反射給光伏電池。那么將首先排除GaInAsP/GaInAs雙結(jié)太陽能電池，因?yàn)?350-1800nm之間的波段如果電池不能吸收，則雙結(jié)電池中GaInAs部分完全沒有光照而無法正常工作。所以考慮Si電池和CIGS薄膜太陽能電池。若采用Si太陽能電池，則最后電池吸收到的波段為750-1200nm。若采用CIGS薄膜電池，則可降低系統(tǒng)聚光倍數(shù)使之與光伏電池匹配。

上述分析了本系統(tǒng)可采用的幾種可行性方案。對于一般植物而言，本實(shí)施例以采用聚光硅電池為例，計(jì)算整個系統(tǒng)的效率。

本實(shí)施例用日本進(jìn)口材料OS50和SiO2搭配使用制作層數(shù)為160的介質(zhì)膜，使420-460nm和630-670nm波段的太陽光有較高的透過率，仿真圖參閱圖11。

420-460nm和630-670nm光譜范圍的太陽光供給植物吸收，植物中的葉綠素a和葉綠素b正常工作，植物可正常進(jìn)行光合作用，參閱圖12。

在300nm-1200nm范圍內(nèi)除卻420-460nm和630-670nm兩部分波段的太陽光進(jìn)行聚光反射，由太陽能電池接收。參閱圖13，聚光Si電池實(shí)際接收太陽光的波段為300-420nm，460-630nm，以及670-1200nm。

最終可計(jì)算得出，聚光Si電池的效率可達(dá)到24.54%；而對于植物來說，其所需的光譜范圍滿足其生長條件，植物所接收到的光照度為4.8702klx。以下列舉集中普通植物開花結(jié)果所需的最低光強(qiáng)：大麥和小麥為1.8~2.0klx，大豆為500lx，棉花為1000~1500lx，玉米為8klx,番茄為4klx，水稻為600-700lx，可見對于光照度而言足以滿足大部分植物生長需求。

盡管本說明書較多地使用了大面積碟式拋物面聚光器1、太陽能發(fā)電裝置2、二次勻光處理單元201、冷卻水槽202、聚光光伏電池陣列203、高效集成水制冷散熱單元204、太陽能發(fā)電裝置安裝底座3、冷卻水導(dǎo)入與導(dǎo)出管道4、雙軸自動追蹤系統(tǒng)5、底座6等術(shù)語，但并不排除使用其他術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。