关于新型半透明后置聚光光伏系统在农业光伏应用中潜力的研究

《Results in Engineering》：STUDY ON THE POTENTIAL OF A NOVEL SEMI-TRANSPARENT REAR CONCENTRATOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR AGRIVOLTAICS

RearCPVbif概念首次通过双晶硅太阳能电池与后侧交叉复合抛物面聚光器结合，优化了农光互补系统的光热性能。实验表明，该设计使后侧发电量超过前侧两倍，透光率达60%，同时保持工作温度低于70℃，热阻优于双层玻璃。研究验证了数值模拟与实测数据的吻合性，并揭示了重量增加和制造挑战等局限。

　　本文探讨了一种新型的半透明光伏（STPV）模块设计，即后侧集中式双面光伏模块（RearCPVbif）。该设计旨在通过引入后侧的交叉复合抛物面集中器（CCPC）技术，提升能量产出的同时，保持良好的光学透明度，从而为农业光伏（APV）系统和建筑一体化光伏（BIPV）应用提供创新解决方案。研究的核心在于探索如何通过后侧光学集中器技术，优化光伏模块的性能，同时满足农业生产的光照需求。

全球气候变化问题日益严峻，温室气体排放可能导致本世纪末全球气温上升1.5至3.2°C。面对这一挑战，欧盟等地区正在积极推动可再生能源的发展，计划到2030年实现约30%的可再生能源比例，并在2050年实现碳中和目标。在这一背景下，光伏技术因其成本优势、灵活性和对环境的积极影响，成为推动生态转型的重要手段。然而，大规模部署光伏系统面临一个关键挑战：需要大量土地资源。据预测，未来光伏容量可能占据欧盟、印度、日本和韩国等地区土地面积的0.5%至5%。这种土地使用竞争促使人们探索农业光伏技术，即在农业土地上集成光伏系统，实现土地的双重利用。

农业光伏技术能够通过在农作物生长区域上方安装光伏设备，同时为农业生产提供必要的光照条件。然而，其实际应用效果取决于如何平衡作物生长所需的光照和光伏系统的发电效率。为此，研究者开发了半透明光伏模块，以在保持一定透明度的同时实现电力产出。然而，这类模块在商业化过程中面临的一个主要问题，是电力转换效率（PCE）与平均可见透射率（AVT）之间的权衡。为了解决这一问题，本文提出了一种新的设计思路：通过后侧集中器技术，将光照从后侧有效收集并转换为电能，同时保持对农作物的光传输。

该研究提出的RearCPVbif模块结合了双面光伏技术与后侧交叉复合抛物面集中器（CCPC）设计。这种模块不仅能够提升光伏系统的发电效率，还能通过优化光传输条件，改善作物的生长环境。研究者通过实验和数值模拟方法对模块进行了全面评估，结果显示，该模块的后侧发电能力显著高于前侧，且其可见透射率达到了60%左右，这一数值被认为对于大多数农作物的生长是可接受的。同时，该模块在高温条件下仍能保持良好的热性能，其预测的电池温度低于70°C，这有助于降低温室环境中的热应激，并提升作物的生长质量。

在制造和测试过程中，研究团队面临了一些技术挑战。例如，由于制造条件的限制，未能获得足够小的双面光伏电池，因此采用了两个独立的单面光伏电池。这种设计虽然能够实现双面发电效果，但同时也增加了模块的重量和制造难度。研究团队还采用了PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）作为透明材料，并通过Norland 68-TH光学胶水将后侧集中器与电池连接。这些材料的选择不仅考虑了光学性能，还兼顾了热性能和结构稳定性。

为了评估模块的性能，研究团队使用了多种方法，包括实验测量和数值模拟。实验部分主要使用了多闪光太阳能模拟器（HELIOS 3198）对模块的电流-电压（I-V）特性进行了测量。结果表明，在不同辐照度条件下，模块的后侧发电能力明显优于前侧。数值模拟则采用有限元分析（FEA）和响应面方法（RSM）对模块的热性能进行了预测和分析。研究结果显示，该模块的热性能表现良好，即使在不利条件下，其电池温度仍保持在可控范围内。此外，该模块的热传导性能与双层玻璃系统相当，这表明其在建筑一体化应用中具有良好的隔热能力。

在光学性能方面，研究团队通过实验和模拟相结合的方法对模块的透射率进行了评估。实验中使用了CCD相机对模块的光分布进行了测量，而模拟则考虑了多种因素，包括太阳光的入射角度、光谱分布以及光学材料的折射率和吸收系数。研究结果表明，该模块在可见光范围内具有良好的透射性能，能够有效传输光到作物生长区域，同时通过后侧集中器提升发电效率。此外，模块的光均匀性也得到了一定优化，尽管在非均匀性方面仍存在一些偏差，这提示未来需要进一步改进模型并进行户外测试以提高准确性。

在研究过程中，研究团队还考虑了不同光伏技术的比较，包括单面、双面和带有集中器的半透明光伏系统。结果显示，双面光伏系统在某些条件下能够提供更高的发电效率，而带有后侧集中器的模块则在保持透明度的同时，进一步提升了能量产出。然而，这些技术在实际应用中仍面临一些挑战，如模块的重量、制造工艺的复杂性以及在实际环境中的长期稳定性。这些因素都可能影响其大规模应用的可行性。

从农业和建筑应用的角度来看，该研究的创新点在于将后侧集中器技术与双面光伏系统相结合，以在不影响作物生长的前提下，提高能源产出。这不仅有助于缓解土地资源紧张的问题，还能提升农业生产的可持续性。此外，该模块在建筑一体化应用中也展现出良好的潜力，其隔热性能和透光性能使其成为一种有前景的绿色建筑材料。

尽管研究取得了一定的成果，但仍存在一些需要进一步研究和改进的地方。例如，模块的重量增加可能影响其在实际应用中的可行性，尤其是在需要大规模部署的情况下。此外，目前的研究主要基于室内测试，未来还需要进行户外测试，以评估模块在真实环境中的性能表现。同时，研究团队还提到，光均匀性方面的非一致性问题需要进一步优化，以确保作物在不同区域都能获得均衡的光照。

总的来说，本文的研究成果为半透明光伏技术的发展提供了新的思路。通过后侧集中器技术的引入，该模块能够在保持高透明度的同时，显著提升发电效率，从而为农业光伏和建筑一体化光伏的应用提供了有力支持。未来的研究应进一步解决制造工艺、模块重量以及户外性能等问题，以推动该技术的商业化和广泛应用。