寧夏地區(qū)光伏發(fā)電溫室的設(shè)計(jì)與建造

寧夏新能源研究院(有限公司)王麗娟 汪樹升

一 引言

近年來，寧夏地區(qū)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。截至2011年末，全區(qū)已獲批的光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)50萬kW，同時(shí)項(xiàng)目占用土地面積大、單位土地效益低與土地資源供應(yīng)緊張的矛盾也日益突顯。

寧夏地區(qū)位于北緯35?14'～39?23'，處于設(shè)施農(nóng)業(yè)最佳緯度帶。目前，全區(qū)日光溫室種植面積已達(dá)6.67萬hm2，其布置方向多為南北，一年四季基本無遮擋，如果在日光溫室上安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，將新能源發(fā)電和設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合起來，溫室頂部進(jìn)行太陽能發(fā)電，溫室內(nèi)部進(jìn)行作物生產(chǎn)，不僅節(jié)約土地資源，還可實(shí)現(xiàn)多重收益。

二 光伏發(fā)電溫室的設(shè)計(jì)

光伏溫室的設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮溫室的主要功能是光伏發(fā)電還是農(nóng)業(yè)種植，然后根據(jù)溫室的功能定位進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中遵循發(fā)電效益和農(nóng)業(yè)收入最大化原則。同時(shí)，要合理布置光伏組件，使其有較好的采光，不影響溫室內(nèi)作物的生長，具有一定的承重及抗風(fēng)壓、雪載能力。

根據(jù)寧夏地區(qū)已建三季型(春夏秋)光伏溫室采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)可知，4月上旬至10月下旬溫室內(nèi)的最低溫度高于0℃，基本能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫度要求。常規(guī)塑料拱棚，一般4月中下旬開始種植，10月拉秧。四季型(春夏秋冬)光伏溫室由于增加了后墻和側(cè)墻保溫、暖風(fēng)機(jī)及外保溫卷簾被，其造價(jià)(不含光伏系統(tǒng))比三季型光伏溫室增加約25%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益比三季型光伏溫室增加40%～50%，整個(gè)壽命周期(25年)內(nèi)的投入產(chǎn)出比比三季型光伏溫室低10%。

由以上分析可知，三季型光伏溫室與常規(guī)塑料拱棚生產(chǎn)能力相當(dāng)，但其具有光伏發(fā)電功能，其建造成本較四季型光伏溫室有大幅降低，綜合收益比四季型光伏溫室高。因此，在寧夏地區(qū)建設(shè)三季型光伏發(fā)電溫室具有較高優(yōu)勢(shì)。本文將主要論述以光伏發(fā)電為主的三季型光伏溫室的設(shè)計(jì)(見圖 1)。

圖1 三季型光伏溫室示意圖

1 建造方位

常規(guī)農(nóng)業(yè)日光溫室的建造方位以東西延長、坐北朝南，南偏東或偏西5?～10?為宜，偏東有利于早晨溫室內(nèi)提溫，偏西有利于下午溫室內(nèi)溫度的積累，且避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向。寧夏地區(qū)日光溫室主要以偏西5?～8?為宜，有利于夜間保溫。

光伏組件的方位角為正南方向時(shí)(即組件垂直面與正南方向的夾角為0?)，組件發(fā)電量最大。光伏組件的安裝方位與溫室的建造方位基本一致。寧夏地區(qū)以光伏發(fā)電為主的光伏溫室的建造方位宜采用正南方向。

2 高度

溫室高度指溫室屋脊至地面的距離，其高矮直接影響溫室空間的大小及光照情況，也影響作物的生長。高度增加，棚內(nèi)空間大，溫室采光效果好，但由于棚面增大，熱量散失快，不利于保溫；高度降低，棚內(nèi)空間小，有利于保溫，但高度過低會(huì)影響溫室內(nèi)作業(yè)。另外，高度升高對(duì)溫室整體造價(jià)影響較大。寧夏地區(qū)光伏發(fā)電溫室的高度以4.5～4.8m為宜。

3 跨度

溫室跨度影響著溫室的光能截獲量，跨度越大獲得的太陽直射光越多，但跨度過大，會(huì)使溫室保溫性能下降，且造價(jià)顯著增加。溫室跨度一般以7～9m為宜，跨度增加1m，高度相應(yīng)要增加0.2m，給溫室的建造帶來許多不便。寧夏地區(qū)光伏發(fā)電溫室的高度以7.5～8m為宜。

4 長度

溫室長度一般為50～80m。長度低于50m時(shí)，兩側(cè)山墻遮蔭面積相對(duì)增大，設(shè)施內(nèi)有效受光面積相對(duì)較??；溫室過長，增溫保溫效果明顯降低，也不便于溫室管理。從便于管理且降低溫室建設(shè)成本和提高空間利用率考慮，寧夏地區(qū)光伏發(fā)電溫室的長度以60～70m為宜。

5 前屋面形狀與傾角

溫室前屋面的形狀主要有圓拱形(圖2)和平面型(圖3)，圓拱形屋面的采光性能最佳。對(duì)于光伏組件安裝在溫室頂部的溫室來說，可選擇圓拱形前屋面，組件安裝傾角為0?；對(duì)于光伏組件安裝在前屋面的溫室來說，選擇平面型前屋面，屋面傾角取當(dāng)?shù)毓潭ㄖЪ芄夥M件最佳安裝角。寧夏地區(qū)固定式光伏組件的最佳安裝傾角為33?～35?。

圖3 平面型前屋面

6 骨架

由于光伏組件較普通農(nóng)業(yè)日光溫室覆蓋材料重，光伏溫室骨架需選用強(qiáng)度較大的鋼骨架，在設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，使其滿足承重、抗風(fēng)壓、雪載能力，并避免因鋼材選型過大造成的成本增加。寧夏地區(qū)光伏發(fā)電溫室主鋼架采用H型鋼，沿大棚長度方向每間隔3～4m布置一榀，檁條采用槽鋼。

7 墻體

三季型光伏發(fā)電溫室不考慮在寒冷的冬季進(jìn)行種植，墻體采用加氣混凝土砌塊，中間不填充保溫材料，且每隔一定間距有一個(gè)混凝土立柱。

8 覆蓋材料

光伏溫室的覆蓋材料由光伏組件和其他類型溫室用覆蓋材料共同組成，考慮到光伏組件和覆蓋材料交替布置，且溫室高度較高，后期更換較困難，在選擇覆蓋材料時(shí)，盡量選擇透光率好、保溫能力強(qiáng)、耐候性強(qiáng)的覆蓋材料，保證其有較長的使用壽命。目前，常用的光伏溫室覆蓋材料有陽光板、玻璃鋼等。

9 溫室采光

在光伏溫室中，光伏組件也充當(dāng)溫室覆蓋材料，但其透光性低于目前常用的薄膜、陽光板、玻璃鋼、玻璃等常規(guī)農(nóng)業(yè)溫室覆蓋材料，不可避免地存在光照分布不均的情況。光伏組件的安裝面積和排布方式直接影響溫室作物的采光。

(1)光伏組件和覆蓋材料的面積比

光伏組件和覆蓋材料的面積比會(huì)直接影響溫室的發(fā)電量和溫室采光。面積比大，組件安裝數(shù)量多，發(fā)電量大，發(fā)電收入高，但溫室采光減少，影響作物生長；面積比小，組件安裝數(shù)量少，發(fā)電量少，發(fā)電收入低，但溫室采光增加，對(duì)作物生長有利。因此，光伏溫室前屋面組件和覆蓋材料的面積比取值必須合理，寧夏地區(qū)一般為1～2較合適。對(duì)于葉菜類光伏溫室，由于其對(duì)光照條件要求不高(2萬Lux)，面積比可取1.6～2；果菜類光伏溫室對(duì)光照條件要求高(3萬Lux以上)，面積比可取0.8～1。

(2)光伏組件的安裝位置和排布方式

光伏組件的安裝位置和排布方式也會(huì)影響溫室采光。組件在頂部平鋪安裝(圖4)時(shí)對(duì)溫室采光影響很小，但其發(fā)電量較低；組件以最佳傾角安裝在前屋面時(shí)，發(fā)電量最大，但對(duì)溫室采光有遮擋。對(duì)于以發(fā)電為主的光伏溫室，建議組件安裝在溫室前屋面。

組件的排布方式最好是沿南北走向縱向排布(圖5)，因?yàn)閷?duì)于橫向排布組件(圖6)，當(dāng)太陽從早晨到傍晚移動(dòng)時(shí)在溫室內(nèi)形成固定陰影帶(即采光死角)，影響溫室作物的生長。

圖4 組件平鋪安裝在溫室頂部

圖5 組件縱向排布

圖6 組件橫向排布

此外，為了增加溫室采光，還可改造傳統(tǒng)日光溫室的山墻，使用鋼結(jié)構(gòu)加陽光板或玻璃替代兩側(cè)山墻，彌補(bǔ)光伏組件遮光的不足?？紤]到陽光板和玻璃的保溫性較差，可采用在鋼結(jié)構(gòu)的里外兩側(cè)安裝雙層玻璃或陽光板，增加其保溫性能。

10 通風(fēng)

為了保證光伏溫室內(nèi)有良好的通風(fēng)，降低溫室內(nèi)過高的溫度和濕度，排除有害氣體，換進(jìn)新鮮空氣，在設(shè)計(jì)時(shí)可采取頂部開窗、底部開窗和側(cè)面開窗等方式進(jìn)行通風(fēng)。對(duì)于頂部通風(fēng)窗，應(yīng)注意其開啟方向與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向大體一致。

11 安裝容量及發(fā)電量估算

一個(gè)占地400m2的光伏溫室，可安裝130～180塊光伏組件，容量約24～34kW，按照寧夏地區(qū)光伏電站年平均利用小時(shí)1300h計(jì)算，單棟溫室的年發(fā)電量可達(dá)31200～44200kWh。

三 光伏發(fā)電溫室的建造

1 選址

光伏溫室的建設(shè)地點(diǎn)最好選擇光資源條件好、土壤肥沃、地形開闊、周圍無遮擋的地方建設(shè)，且供水、供電條件好，交通運(yùn)輸便利。對(duì)于并網(wǎng)型光伏發(fā)電溫室，還需考慮電網(wǎng)接入條件。

2 防腐

考慮到溫室內(nèi)濕度較大，鋼結(jié)構(gòu)必須做好防腐措施。在鋼結(jié)構(gòu)表面涂刷防腐涂層，包括2道底漆、2道中涂和2～3道面漆。

3 光伏組件的施工及安裝工藝

光伏組件通過螺栓固定在鋼結(jié)構(gòu)上，光伏組件和覆蓋材料間的密封可使用壓密封條或打密封膠的形式。采用密封條的密封效果好，但成本較貴；采用密封膠密封施工方便，且價(jià)格便宜。

4 其他

對(duì)于在鹽堿地地區(qū)建設(shè)光伏溫棚，因其土壤條件差、水質(zhì)堿性高，對(duì)作物的生產(chǎn)影響較大，需提前考慮換土及灌溉問題。

四 結(jié)束語

太陽能光伏溫室在我國剛剛起步，目前其建設(shè)成本還較高，本文僅對(duì)光伏發(fā)電溫室的設(shè)計(jì)和建造進(jìn)行了分析。今后還需要根據(jù)實(shí)際溫室作物生產(chǎn)情況及溫室運(yùn)行情況提出優(yōu)化和改進(jìn)建議，并進(jìn)一步降低溫室成本，使其具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

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