一种光伏发电与植物栽培相协同的太阳能优化利用方法

摘要

本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是一种光伏发电与植物栽培相协同的太阳能优化利用方法。首先，确定太阳能电池的禁带宽度，并采用所述太阳能电池作为植物栽培温室的屋顶，以使太阳能光谱中光子能量大于太阳能电池禁带宽度的部分用于光伏发电，同时太阳能光谱中光子能量小于太阳能电池禁带宽度的部分直接透过太阳能电池，用于植物的光合作用。该方法不仅有利于提高太阳能利用率，而且实用性强，使用效果好，适合于大面积耕种时的推广和使用。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是一种光伏发电与植物栽培相协同的太阳能优化利用方法。

背景技术

在现有太阳能电池的设计和优化过程中，由于单PN结太阳能电池的效率受到Shockley-Queisser定律的限制而无法进一步提高，因而各种现代技术，包括串联多结技术、中间带隙技术、多激子生成技术、变频技术以及热载流子收集技术都被用来作为提高太阳能电池效率的手段。这些所谓的第三代太阳能电池虽然对于提高太阳能电池的效率有所裨益，但由于价格太高或技术不够成熟而无法被大规模地推广和使用。

在所有上述的设计和优化过程中，由于只对太阳能电池的本身进行优化，而没有考虑到与其周围的环境进行协同优化，使得太阳能电池的结构越来越复杂，成本越来越高，从而限制了这些技术的大规模推广和使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏发电与植物栽培相协同的太阳能优化利用方法，该方法不仅有利于提高太阳能利用率，而且实用性强，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光伏发电与植物栽培相协同的太阳能优化利用方法。首先，确定太阳能电池的禁带宽度，然后采用所述太阳能电池作为植物栽培温室的屋顶，以使太阳能光谱中光子能量大于太阳能电池禁带宽度的部分用于光伏发电，同时太阳能光谱中光子能量小于太阳能电池禁带宽度的部分直接透过太阳能电池，用于植物的光合作用。

进一步的，所述太阳能电池为单PN结太阳能电池。

进一步的，根据太阳能光谱分布以及植物中叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱分布，计算出具有不同禁带宽度的太阳能电池对应的光伏转换效率及叶绿素吸收效率，并根据计算结果及不同的使用目的确定所述太阳能电池的禁带宽度。

进一步的，确定所述太阳能电池的禁带宽度的一种方法是：

（1）建立在太阳能电池的禁带宽度不同的情况下，光伏转换效率与叶绿素吸收效率之间的对应关系；

（2）设定光伏转换效率的最低允许取值x、叶绿素吸收效率的最低允许取值y，保证光伏转换效率不低于设定值x，且叶绿素吸收效率不低于设定值y，确定太阳能电池的禁带宽度的取值范围；

（3）建立光伏转换效率和叶绿素吸收效率之和与太阳能电池的禁带宽度之间的对应关系；

（4）在步骤（2）得到的太阳能电池的禁带宽度的取值范围内，找到光伏转换效率和叶绿素吸收效率之和最高值或较高范围对应的太阳能电池的禁带宽度的取值或取值范围。

进一步的，所述太阳能电池禁带宽度的推荐值为1.9~2.1eV。

本发明的有益效果是通过新颖巧妙的优化设计和计算，使太阳光照在太阳能电池上时，太阳能光谱中光子能量大于太阳能电池禁带宽度的部分将被太阳能电池转换为光能，用于光伏发电；同时，太阳能光谱中光子能量小于太阳能电池禁带宽度的部分将直接透过太阳能电池，被温室中的植物吸收，用于植物的光合作用，从而达到最优化太阳能利用率的目的。本发明不需采用各种复杂的第三代太阳能电池技术，只需使用单PN结的太阳能电池就能同时将太阳能用于光伏发电与植物栽培，实现太阳能高效转换利用，适合于大面积耕种时的推广和使用，具有很高的实用和推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例中AM1.5时的太阳能光谱分布图。

图2是本发明实施例中根据图1的光谱算出的单PN结太阳能电池的光伏转换效率与太阳能电池的禁带宽度之间的关系图。

图3是本发明实施例中叶绿素a和b的吸收系数随波长的变化关系图。

图4是本发明实施例中叶绿素吸收效率与太阳能电池的禁带宽度之间的关系图。

图5是本发明实施例中太阳能电池的禁带宽度不同时，太阳能电池的光伏转换效率与叶绿素吸收效率之间的关系图（图中的数据为太阳能电池的禁带宽度，单位为eV）。

图6是本发明实施例中太阳能电池的光伏转换效率与叶绿素吸收效率之和与太阳能电池的禁带宽度之间的关系图。

图7是本发明实施例的实现原理图。

具体实施方式

本发明提供一种光伏发电与植物栽培相协同的太阳能优化利用方法，首先，确定太阳能电池的禁带宽度，并采用所述太阳能电池作为植物栽培温室的屋顶，以使太阳能光谱中光子能量大于太阳能电池禁带宽度的部分用于光伏发电，同时太阳能光谱中光子能量小于太阳能电池禁带宽度的部分直接透过太阳能电池，用于植物的光合作用。

在本实施例中，所述太阳能电池为单PN结太阳能电池，而不需采用各种复杂的第三代太阳能电池技术。

确定所述太阳能电池的禁带宽度前，先根据太阳能光谱分布以及植物中叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱分布，计算出具有不同禁带宽度的太阳能电池对应的光伏转换效率及叶绿素吸收效率，然后根据计算结果及不同的使用目的确定所述太阳能电池的禁带宽度。

本实施例提供了确定所述太阳能电池的禁带宽度的一种方法：

（1）建立在太阳能电池的禁带宽度不同的情况下，光伏转换效率与叶绿素吸收效率之间的对应关系；

（2）设定光伏转换效率的最低允许取值x、叶绿素吸收效率的最低允许取值y，保证光伏转换效率不低于设定值x，且叶绿素吸收效率不低于设定值y，确定太阳能电池的禁带宽度的取值范围；

（3）建立光伏转换效率和叶绿素吸收效率之和与太阳能电池的禁带宽度之间的对应关系；

（4）在步骤（2）得到的太阳能电池的禁带宽度的取值范围内，找到光伏转换效率和叶绿素吸收效率之和最高值或较高范围对应的太阳能电池的禁带宽度的取值或取值范围。

在本发明的较佳实施例中，所述太阳能电池禁带宽度的取值为1.9~2.1eV。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为AM1.5时的太阳能光谱分布图，图2为根据图1的光谱算出的单PN结太阳能电池的光伏转换效率与太阳能电池的禁带宽度之间的关系。由图2可看出，太阳能电池的禁带宽度不同时，太阳能电池的光伏转换效率也随之而变。图3给出了叶绿素a和b的吸收系数随波长的变化关系。从该图中可以看出，叶绿素a和b在红光和蓝光处各有一个吸收峰，因此，我们可以通过改变太阳能电池的禁带宽度，使得透过太阳能电池的光能可以被叶绿素的红光部分吸收，用于植物的光合作用。图4给出了被叶绿素吸收的光能的百分比与太阳能电池的禁带宽度之间的关系。由图4可看出，太阳能电池的禁带宽度越大，透过太阳能电池的光能就越多，被叶绿素吸收的光能的百分比也就越大。但从图2又可看出，太阳能电池的禁带宽度大于1.2 eV 时，由于透过太阳能电池的光能太多，太阳能电池的光伏转换效率将随着太阳能电池的禁带宽度增大而减小。因此，一个好的设计必须在太阳能电池禁带宽度的选择上进行折衷。

为此，图5给出了太阳能电池的禁带宽度不同时，太阳能电池的光伏转换效率与叶绿素吸收效率之间的关系。图中曲线上的数据为太阳能电池的禁带宽度，单位为eV。从图5可看出，太阳能电池的禁带宽度小于1.8 eV 时，叶绿素所吸收的光能的百分比几乎为零。因此，为了达到二者协同，从而优化太阳能利用率的目的，太阳能电池的禁带宽度必须大于1.8 eV。当太阳能电池的禁带宽度大于1.8 eV时，随着太阳能电池的禁带宽度的增大，太阳能电池的光伏转换效率逐渐减少，但叶绿素的吸收效率，即光合作用的效率则逐渐增加。

图6给出了太阳能电池的光伏转换效率与叶绿素吸收的光能的百分比之和（即太阳能的综合利用率）随太阳能电池的禁带宽度的变化。从图6可以看出，当太阳能电池的禁带宽度大于1.2 eV时，太阳能电池的光伏效率就逐渐减小。但当太阳能电池的禁带宽度大于1.8 eV时，由于植物光合作用的加入，随着太阳能电池的禁带宽度的增大，太阳能电池的光伏转换和植物光合作用的效率之和逐步增加，由此可以看出本发明能显著地提高太阳能的利用率。综合图5和图6 可知，太阳能电池的禁带宽度在1.9至2.1 eV时，其综合效益最好。

图7给出了本发明实施例的实现原理。图中将太阳能电池作为温室的屋顶，当太阳光射到太阳能电池上时，波长短的部分被太阳能电池吸收转化为电能，波长长的部分则被植物的叶绿素所吸收，提供给植物光合作用所需的能量。图中光电池的热辐射是指太阳能电池在室温（工作温度）下所产生的辐射，这是一种能量的损失，我们在计算太阳能电池的光伏效率时已经计入了这点。

在上述实施例中，只有红光部分才能透过太阳能电池。因此，为使植物健康地成长，我们还需要在温室内加上蓝色的LED进行补光，太阳能电池所产生的电能的一部分可用作补光的能源。由于补光部分在其它发明及文献中已多次提及，因此，它不是本发明的重点，在此不再详述。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。