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iScience | 全球首个大规模太阳光谱分离农业光伏系统效率创新高

发布日期:2023-11-03 浏览次数: 3009

2023111日,中国科学技术大学联合雄安创新研究院光电子农业团队在《Cell》杂志旗下子刊iScience在线发表题为Large-scale and cost-efficient agrivoltaics system by spectral separation的研究论文,首次介绍大规模应用分光农业光伏(SCAPV的案例,分析了SCAPV下作物生长,微环境变化以及聚光光伏(CPV)的发电效率。

农业光伏技术(APV)为解决粮食和能源危机提供了一种前景广阔的解决方案。然而,由于透光率不足,作物在光伏条件下的生长面临巨大挑战。植物光合作用只需要的太阳光谱的很小一部分, 包括440nm左右的蓝光、650nm左右的红光和735nm左右的远红光,其他大部分太阳光谱并不能被植物吸收,另一方面植物光合作用需要的光强在1000 μmol/s/m2比较合适,超过1500 μmol/s/m2以后,光合作用低效,过剩的阳光激发了光抑制和光保护机制。

为了更好地兼顾植物光合作用,中国科学技术大学联合雄安创新研究院光电子农业团队提出利用光学干涉滤光法在植物上方撑起一把光电伞。通过精选阳光辐照成分和数量,来减轻植物的光抑制,增加光合产量,这种物理手段不需要用到基因编辑或育种等手段,已经被验证可以在多种植物上取得光合生物量提升,多余的阳光再用于光伏发电。针对无法被植物利用的光,基于光合与光伏利用的光频段存在互补的基本事实,我们通过聚光光伏技术(CPV)来实现光合和光伏的耦合利用,从而实现宽谱阳光辐照的高效利用。该技术一经推广便获得国内外高度关注,并且获得有科技奥斯卡之称的“RD100”大奖。

 

本研究首次报道了大规模、低成本的 SCAPV系统,系统的最大发电效率(PCE从之前报道的9.8% 提高到了11.6%。聚光器模块的模块化设计、电池组件和聚光曲线的优化以及DATS 的优化都是实现这一高效率的关键,这也是光谱分离技术方面文献报道的最高PCE。通过MPFCPV和多结太阳能电池相结合,有可能实现更高的综合效率。本研究在安徽建造了一座 400 m2 的发电站,装机容量超过 10 kWp,年平均发电量超过 107 MWh/ha。田间种植实验表明,与露天种植相比,SCAPV 下的五种作物(生姜、花生、甘薯、大白菜和莴苣)平均增产 18.4%LER 1.61,表明采用这种种植方案可有效提高土地的总生产率。研究结果还讨论了适合在 SCAPV 下种植的作物类型,结果显示根系作物和耐阴作物产量更高。SCAPV 系统底部的小气候,尤其是白天的土壤保湿能力优于露天。这证明了 SCAPV 技术的农业友好性,避免了以牺牲粮食生产或生物多样性为代价来实现全球能源转型的目标。此外,这项研究的建设是首个大规模室外 SAPV 实验设施,作物和小气候研究的积极成果对未来人类解决全球能源与粮食危机提供了全新的可行思路。

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中国科学技术大学博士生张放心、副研究员李明为论文共同第一作者,我院光电子农业实验室工程师张伟和刘文俊参与了该工作,张昕昱博士、刘文教授为共同通讯作者。本研究工作得到了中央高校基本科研业务费专项资金、河北省科技重大专项等项目支持。

论文链接  https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.108129