光谱分离技术助推光伏农业创新

　　近年来，光伏农业发展迅速，但与此同时，因相关行业标准不健全、建设标准不统一等问题，其在发展过程中也出现了“与农争光”、“与农争地”等现象，引来不少质疑。针对“与农争光”问题，中国科学技术大学先进技术研究院刘文教授提出一项光伏农业创新解决方案——太阳光谱分离技术。该技术被业界评价为，“真正做到了种植、太阳能光伏发电两不误”。近日，《中国能源报》记者专访了刘文教授，了解了该技术的应用前景。

　　中国能源报：光谱分离技术的提出是基于怎样的考虑？

　　刘文：该技术旨在解决作物的光照需求与光伏发电之间的矛盾。光伏农业主要由光伏企业来推动，前几年发展迅猛。然而，近两年很多地方发现光伏农业下种植的农作物长势不够理想，农作物生产效益不及预期。导致这一现象的原因就是农作物得不到充足的阳光，光伏发电与农作物生长难免顾此失彼。因此，光伏农业的投资有所减少，这一趋势也会对光伏扶贫产生不利影响。

　　就目前情况来看，如果建设光伏农业项目，就需要最大程度利用太阳光，进而保证农民收益。

　　现代植物学研究表明，植物对太阳能的吸收不到1%，因此光伏农业并不是一个“伪命题”。实际上对大部分植物来说，叶绿素吸收进行光合作用需要的光波长都是相近的，而由于太阳光谱很宽，并不是所有太阳光谱成分都对植物生长有益，我们可以将植物所需特定波长的光分离出来，把太阳光10%左右的光谱选择出来用于农作物生长，其他多余的光能再用作光伏发电。该技术利用光学干涉的原理进行“按需分配”，基本没有太阳光能损失，就目前实验结果来看，植物产量和品质良好，同时光伏发电效率达到9%。

　　中国能源报：光谱分离技术有哪些创新点？

　　刘文：这项技术创新性很强，创新点就在于把现代光学的光谱分离技术用于光伏农业。

　　其实这一创新有一定偶然性，我之前主要从事光纤通信的研究，熟知将多达几十个特定波长的光集中或者分散到光纤中，并进行传输的方法，也就是“波分复用”技术。而植物光合作用所需的光波长也有规律，我认为在物理上分离太阳光光谱用在植物上是可行的，就开始了实验。这是“波分复用”技术首次运用在光伏农业中。

　　自2014年起我们也申请了多项专利。2015年项目组获得了日内瓦发明展金奖。2016年G20杭州峰会期间，美国探索发现频道Discovery把该项目作为中国创新的一个典型向全球做介绍，也被收录到《智慧中国》纪录片中。

　　中国能源报：相较于目前使用的光伏发电系统，新技术有哪些优势？

　　刘文：这套光伏农业系统的核心技术是聚合物多层干涉滤光膜，采用低成本的塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等高分子材料，利用多层共挤技术，在系统中晶硅电池片用量只有过去传统平板太阳能系统的1/10，而玻璃板及塑料膜的单位面积成本都比晶硅板低1-2个数量级。

　　过去光伏农业方案可以总结为几何分光和强度分光。采用几何分光的光伏农业大棚或者野外农田，就是晶硅电池板在农田面积上有一定占空比，但问题是这样安排的电池板下部光照不均匀，部分农作物实际光照时间往往缩短很多，导致农作物产量受到影响。第二种方案采用薄膜太阳能电池片，如常见的非晶硅电池片看起来是半透光的，也就是光电转换只吸收了一部分阳光。但大多数薄膜太阳能电池片都不具有按照植物光合作用设计的能带结构，也就是说透过的剩余阳光从光谱结构上讲，并不能恰当地满足植物生长的需要。

　　与传统光伏发电系统对比来看，光谱分离技术的优势主要有四点。一是能够解决光伏发电影响植物生长的问题，而就目前实验结果来看，精准提供特定波长的方法还能够让植物长势更好。在试验田中，我们种植了黄瓜、竹叶菜、牧草等，效果都不错。第二，目前发电效率约9%左右，我们还在进一步提高发电效率，理论上采用普通晶硅光伏材料，这个系统就可以达到14%，关键是要进一步突破塑料干涉滤光膜的结构与工艺改进。第三，PET这种塑料膜性质稳定，耐高温耐腐蚀，用在农作物上还能够减少水分蒸发，对缺水地区的光伏农业有很大的优势。塑料干涉滤光膜还具有抗紫外线功能，可以保证长期野外稳定性。第四，这个系统用于大田农作物生产，还能够大幅减少水分蒸发，我们的实验结果节水已经超过40%，这对于缺水地区的农业会有很大的帮助。不仅如此，用干涉膜进行光谱分离对某些高附加值的经济植物生长更加有利，人工光环境可以帮助一些农作物提升关键品质，如大幅增加西红柿的番茄红素含量。因此，该项目具有很强的技术先进性和经济可行性，虽然技术方案越来越成熟，但这个交叉学科研究方向仍然有大量工作值得深入开展。

　　中国能源报：该技术要大规模推广还需要克服哪些阻碍？

　　刘文：我认为在光伏农业领域光谱分离是一项颠覆性的技术，但如果要大规模推广我们首先需要解决分光膜的问题。就目前来说，我们还没有真正实现精准分离太阳光光谱，因为实验所用的塑料干涉分光膜是国外公司非定制产品，国内还没有供应商。下一步，希望建立一个立足国内的塑料多层膜中试车间，加快这种分光膜研发，一旦膜的问题解决了，我相信两年内就可以实现大规模推广。

　　但在此之前，我们也有一个渐进式方案，就是一种保证农作物有足够光照且保证光伏发电需求的技术。渐进式方案虽然没有精准按照光谱来分光，但仍能够减少光伏对农作物的影响。这项技术我们也已经申请了专利，正在参与安徽阜阳的一个光伏扶贫项目，建立示范工程。

　　中国能源报：请问您对光伏农业的未来有怎样的期许？

　　刘文：我一直很赞同恩格斯的一句话，“社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”现在光伏农业科研正是由需求推动。作为科研工作者，从科学原理出发，充分利用信息产业等其他领域的最新科技成果，光伏农业一定会重新发扬光大，并成为实现“金山银山”与“绿水青山”两不误的一个重要支撑技术，可为党和国家高度重视的农村扶贫工作、农业现代化、能源结构调整以及“一带一路”倡议都做出重要贡献。