一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法。首先，確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，并采用所述太陽(yáng)能電池作為植物栽培溫室的屋頂，以使太陽(yáng)能光譜中光子能量大于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分用于光伏發(fā)電，同時(shí)太陽(yáng)能光譜中光子能量小于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分直接透過(guò)太陽(yáng)能電池，用于植物的光合作用。該方法不僅有利于提高太陽(yáng)能利用率，而且實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，適合于大面積耕種時(shí)的推廣和使用。
【專利說(shuō)明】—種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，由于單PN結(jié)太陽(yáng)能電池的效率受到Shockley-Queisser定律的限制而無(wú)法進(jìn)一步提高，因而各種現(xiàn)代技術(shù)，包括串聯(lián)多結(jié)技術(shù)、中間帶隙技術(shù)、多激子生成技術(shù)、變頻技術(shù)以及熱載流子收集技術(shù)都被用來(lái)作為提高太陽(yáng)能電池效率的手段。這些所謂的第三代太陽(yáng)能電池雖然對(duì)于提高太陽(yáng)能電池的效率有所裨益，但由于價(jià)格太高或技術(shù)不夠成熟而無(wú)法被大規(guī)模地推廣和使用。
[0003]在所有上述的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，由于只對(duì)太陽(yáng)能電池的本身進(jìn)行優(yōu)化，而沒(méi)有考慮到與其周圍的環(huán)境進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，使得太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，成本越來(lái)越高，從而限制了這些技術(shù)的大規(guī)模推廣和使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法，該方法不僅有利于提高太陽(yáng)能利用率，而且實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法。首先，確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，然后采用所述太陽(yáng)能電池作為植物栽培溫室的屋頂，以使太陽(yáng)能光譜中光子能量大于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分用于光伏發(fā)電，同時(shí)太陽(yáng)能光譜中光子能量小于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分直接透過(guò)太陽(yáng)能電池，用于植物的光合作用。
[0006]進(jìn)一步的，所述太陽(yáng)能電池為單PN結(jié)太陽(yáng)能電池。
[0007]進(jìn)一步的，根據(jù)太陽(yáng)能光譜分布以及植物中葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜分布，計(jì)算出具有不同禁帶寬度的太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的光伏轉(zhuǎn)換效率及葉綠素吸收效率，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果及不同的使用目的確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度。
[0008]進(jìn)一步的，確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的一種方法是:
(1)建立在太陽(yáng)能電池的禁帶寬度不同的情況下，光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收效率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
(2)設(shè)定光伏轉(zhuǎn)換效率的最低允許取值X、葉綠素吸收效率的最低允許取值y，保證光伏轉(zhuǎn)換效率不低于設(shè)定值X，且葉綠素吸收效率不低于設(shè)定值y，確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值范圍；
(3)建立光伏轉(zhuǎn)換效率和葉綠素吸收效率之和與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)
系；
(4)在步驟(2)得到的太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值范圍內(nèi)，找到光伏轉(zhuǎn)換效率和葉綠素吸收效率之和最高值或較高范圍對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值或取值范圍。[0009]進(jìn)一步的，所述太陽(yáng)能電池禁帶寬度的推薦值為1.9^2.1eV0
[0010]本發(fā)明的有益效果是通過(guò)新穎巧妙的優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，使太陽(yáng)光照在太陽(yáng)能電池上時(shí)，太陽(yáng)能光譜中光子能量大于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分將被太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換為光能，用于光伏發(fā)電；同時(shí)，太陽(yáng)能光譜中光子能量小于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分將直接透過(guò)太陽(yáng)能電池，被溫室中的植物吸收，用于植物的光合作用，從而達(dá)到最優(yōu)化太陽(yáng)能利用率的目的。本發(fā)明不需采用各種復(fù)雜的第三代太陽(yáng)能電池技術(shù)，只需使用單PN結(jié)的太陽(yáng)能電池就能同時(shí)將太陽(yáng)能用于光伏發(fā)電與植物栽培，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效轉(zhuǎn)換利用，適合于大面積耕種時(shí)的推廣和使用，具有很高的實(shí)用和推廣價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中AMl.5時(shí)的太陽(yáng)能光譜分布圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中根據(jù)圖1的光譜算出的單PN結(jié)太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的關(guān)系圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中葉綠素a和b的吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖。
[0014]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中葉綠素吸收效率與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的關(guān)系圖。
[0015]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中太陽(yáng)能電池的禁帶寬度不同時(shí)，太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收效率之間的關(guān)系圖(圖中的數(shù)據(jù)為太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，單位為eV)。
[0016]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收效率之和與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的關(guān)系圖。
[0017]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn) 原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明提供一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法，首先，確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，并采用所述太陽(yáng)能電池作為植物栽培溫室的屋頂，以使太陽(yáng)能光譜中光子能量大于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分用于光伏發(fā)電，同時(shí)太陽(yáng)能光譜中光子能量小于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分直接透過(guò)太陽(yáng)能電池，用于植物的光合作用。
[0019]在本實(shí)施例中，所述太陽(yáng)能電池為單PN結(jié)太陽(yáng)能電池，而不需采用各種復(fù)雜的第三代太陽(yáng)能電池技術(shù)。
[0020]確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度前，先根據(jù)太陽(yáng)能光譜分布以及植物中葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜分布，計(jì)算出具有不同禁帶寬度的太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的光伏轉(zhuǎn)換效率及葉綠素吸收效率，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果及不同的使用目的確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度。
[0021]本實(shí)施例提供了確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的一種方法:
(1)建立在太陽(yáng)能電池的禁帶寬度不同的情況下，光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收效率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
(2)設(shè)定光伏轉(zhuǎn)換效率的最低允許取值X、葉綠素吸收效率的最低允許取值y，保證光伏轉(zhuǎn)換效率不低于設(shè)定值X，且葉綠素吸收效率不低于設(shè)定值y，確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值范圍；
(3)建立光伏轉(zhuǎn)換效率和葉綠素吸收效率之和與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;
(4)在步驟(2)得到的太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值范圍內(nèi)，找到光伏轉(zhuǎn)換效率和葉綠素吸收效率之和最高值或較高范圍對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值或取值范圍。
[0022]在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，所述太陽(yáng)能電池禁帶寬度的取值為1.9^2.1eV0
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。[0024]圖1為AMl.5時(shí)的太陽(yáng)能光譜分布圖，圖2為根據(jù)圖1的光譜算出的單PN結(jié)太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的關(guān)系。由圖2可看出，太陽(yáng)能電池的禁帶寬度不同時(shí)，太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率也隨之而變。圖3給出了葉綠素a和b的吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。從該圖中可以看出，葉綠素a和b在紅光和藍(lán)光處各有一個(gè)吸收峰，因此，我們可以通過(guò)改變太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，使得透過(guò)太陽(yáng)能電池的光能可以被葉綠素的紅光部分吸收，用于植物的光合作用。圖4給出了被葉綠素吸收的光能的百分比與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的關(guān)系。由圖4可看出，太陽(yáng)能電池的禁帶寬度越大，透過(guò)太陽(yáng)能電池的光能就越多，被葉綠素吸收的光能的百分比也就越大。但從圖2又可看出，太陽(yáng)能電池的禁帶寬度大于1.2 eV時(shí)，由于透過(guò)太陽(yáng)能電池的光能太多，太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率將隨著太陽(yáng)能電池的禁帶寬度增大而減小。因此，一個(gè)好的設(shè)計(jì)必須在太陽(yáng)能電池禁帶寬度的選擇上進(jìn)行折衷。
[0025]為此，圖5給出了太陽(yáng)能電池的禁帶寬度不同時(shí)，太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收效率之間的關(guān)系。圖中曲線上的數(shù)據(jù)為太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，單位為eV。從圖5可看出，太陽(yáng)能電池的禁帶寬度小于1.8 eV時(shí)，葉綠素所吸收的光能的百分比幾乎為零。因此，為了達(dá)到二者協(xié)同，從而優(yōu)化太陽(yáng)能利用率的目的，太陽(yáng)能電池的禁帶寬度必須大于1.8 eV。當(dāng)太陽(yáng)能電池的禁帶寬度大于1.8 eV時(shí)，隨著太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的增大，太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率逐漸減少，但葉綠素的吸收效率，即光合作用的效率則逐漸增加。
[0026]圖6給出了太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收的光能的百分比之和(即太陽(yáng)能的綜合利用率)隨太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的變化。從圖6可以看出，當(dāng)太陽(yáng)能電池的禁帶寬度大于1.2 eV時(shí),太陽(yáng)能電池的光伏效率就逐漸減小。但當(dāng)太陽(yáng)能電池的禁帶寬度大于1.8 eV時(shí)，由于植物光合作用的加入，隨著太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的增大，太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換和植物光合作用的效率之和逐步增加，由此可以看出本發(fā)明能顯著地提高太陽(yáng)能的利用率。綜合圖5和圖6可知，太陽(yáng)能電池的禁帶寬度在1.9至2.1 eV時(shí)，其綜合效益最好。
[0027]圖7給出了本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)原理。圖中將太陽(yáng)能電池作為溫室的屋頂，當(dāng)太陽(yáng)光射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，波長(zhǎng)短的部分被太陽(yáng)能電池吸收轉(zhuǎn)化為電能，波長(zhǎng)長(zhǎng)的部分則被植物的葉綠素所吸收，提供給植物光合作用所需的能量。圖中光電池的熱輻射是指太陽(yáng)能電池在室溫(工作溫度)下所產(chǎn)生的輻射，這是一種能量的損失，我們?cè)谟?jì)算太陽(yáng)能電池的光伏效率時(shí)已經(jīng)計(jì)入了這點(diǎn)。
[0028]在上述實(shí)施例中，只有紅光部分才能透過(guò)太陽(yáng)能電池。因此，為使植物健康地成長(zhǎng)，我們還需要在溫室內(nèi)加上藍(lán)色的LED進(jìn)行補(bǔ)光，太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電能的一部分可用作補(bǔ)光的能源。由于補(bǔ)光部分在其它發(fā)明及文獻(xiàn)中已多次提及，因此，它不是本發(fā)明的重點(diǎn)，在此不再詳述。[0029]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法，其特征在于:確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度，并采用所述太陽(yáng)能電池作為植物栽培溫室的屋頂，以使太陽(yáng)能光譜中光子能量大于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分用于光伏發(fā)電，同時(shí)太陽(yáng)能光譜中光子能量小于太陽(yáng)能電池禁帶寬度的部分直接透過(guò)太陽(yáng)能電池，用于植物的光合作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法，其特征在于:所述太陽(yáng)能電池為單PN結(jié)太陽(yáng)能電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法，其特征在于:根據(jù)太陽(yáng)能光譜分布以及植物中葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜分布，計(jì)算出具有不同禁帶寬度的太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的光伏轉(zhuǎn)換效率及葉綠素吸收效率，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果及不同的使用目的確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法，其特征在于:確定所述太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的一種方法是: (1)建立在太陽(yáng)能電池的禁帶寬度不同的情況下，光伏轉(zhuǎn)換效率與葉綠素吸收效率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系； (2)設(shè)定光伏轉(zhuǎn)換效率的最低允許取值X、葉綠素吸收效率的最低允許取值y，保證光伏轉(zhuǎn)換效率不低于設(shè)定值X，且葉綠素吸收效率不低于設(shè)定值y，確定太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值范圍； (3)建立光伏轉(zhuǎn)換效率和葉綠素吸收效率之和與太陽(yáng)能電池的禁帶寬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系； (4)在步驟(2)得到的太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值范圍內(nèi)，找到光伏轉(zhuǎn)換效率和葉綠素吸收效率之和最高值或較高范圍對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池的禁帶寬度的取值或取值范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光伏發(fā)電與植物栽培相協(xié)同的太陽(yáng)能優(yōu)化利用方法,其特征在于:所述太陽(yáng)能電池禁帶寬度的推薦值為1.9^2.1eV0
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103489960SQ201310431510
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】徐永, 陳美香 申請(qǐng)人:福建農(nóng)林大學(xué)