光伏溫室大棚溫度的模擬研究*

昝錦羽， 劉祖明， 廖華， 張劍鋼， 李石周， 劉曉萍

(1.云南師范大學 太陽能研究所,云南 昆明 650092;2.大姚縣 林業(yè)局， 云南 大姚 675000)

傳統(tǒng)的溫室大棚種植雖然不受季節(jié)、氣候、時節(jié)的限制，但是存在資源利用率低、運營成本高、保溫投入高、產(chǎn)量效率較低、投資造價高等缺點[1-2].傳統(tǒng)溫室大棚的能源供應方式：一是供暖爐，二是電網(wǎng)電能，這完全不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)環(huán)保節(jié)能的理念[3].太陽能光伏發(fā)電的飛速發(fā)展，給農(nóng)業(yè)溫室大棚的發(fā)展提供了一個新的平臺[4].

溫度影響作物的營養(yǎng)生長與生殖生長.光伏溫室大棚棚內(nèi)溫度不僅與環(huán)境溫度有關，而且與電池片的數(shù)量和排列方式有關.為了研究光伏大棚的溫度，提高其經(jīng)濟效益，國內(nèi)外已經(jīng)進行了許多研究并且取得一定成果.Yano等[5]在位于35.5°N、133.0°E東西向單棟溫室大棚的弧形屋頂安裝面積比例為12.9%的兩個幾何排列(一個是直線型電池片排列，另一個是西洋跳棋盤圖案排列)PV陣列并且進行研究.研究結(jié)果表明西洋跳棋盤圖案排列的組件大棚稍微減少了太陽能強度，但更適合作物生長，但沒有對溫度進行研究.西班牙的J.Perez-Alonso等在東西向連棟大棚結(jié)合光伏電池片(單片組件較密分布和雙片組件較稀分布)進行實驗研究.我國第一個光伏蔬菜大棚是李岐周提出，并且已在山東省壽光市建成.據(jù)粗略估計，如果壽光所有普通蔬菜大棚都改為光伏蔬菜大棚，一年的發(fā)電量估計是298.5億千瓦時，相當于三峽發(fā)電站年發(fā)電量的三分之一.

本文采用模擬方法，根據(jù)昆明氣候特點使用Ecotect軟件建立光伏溫室大棚的模型，分別在屋頂排布一排、兩排緊密光伏電池和一排、兩排棋盤式光伏電池，分別模擬出冬至日各個大棚內(nèi)溫度以及棚內(nèi)外溫度差，作為生長哪類作物的依據(jù)，為今后光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設計、安裝和生產(chǎn)提供參考.

1 光伏溫室大棚模型的提出

1.1 常規(guī)溫室大棚結(jié)構(gòu)的設計

根據(jù)實際用途設計大棚結(jié)構(gòu)尺寸，溫室大棚框架結(jié)構(gòu)主要由基礎土建、溫室主體鋼結(jié)構(gòu)天窗、覆蓋材料、鋁合金密封件等構(gòu)成.棚頂有弧形、三角形、鋸齒形、平型等.單棟溫室大棚如圖1所示.

圖1 單棟溫室大棚

1.2 光伏溫室大棚的設計

光伏溫室大棚的設計，核心在于電池板的排列方式.國外許多研究人員已經(jīng)在棚頂部以不同的排列方式安裝電池片進行研究.Yano等在溫室大棚的表面鋪設直線型與棋盤型的光伏片，在結(jié)合12.9%電池片的溫室大棚內(nèi)種植洋蔥，研究遮陰率與洋蔥干重的關系[6-7].西班牙J.Perez-Alonso等在東西向連棟大棚鋪設2種排列方式的電池片(單片組件較密分布和雙片組件較稀分布).

1.2.1 大棚主體結(jié)構(gòu)的設計

根據(jù)昆明的氣候條件，設計光伏溫室大棚的前坡角是20°，后坡角是60°，設計圖如圖2所示,透光覆蓋材料為浮法玻璃，它的透光性能、力學性能、保溫性能、耐久性能及其他一些物理性能符合溫室大棚的質(zhì)量標準[8].

圖2(a) 正視面 圖2(b) 側(cè)視圖

圖2(c) 俯視圖

1.2.2 電池片鋪設方式

在大棚屋頂前坡面鋪設長是1.18 m、寬是0.535 m的單晶硅電池組件，排列方式是一排、兩排緊密與一排、兩排棋盤式.棋盤式與緊密式一排放置28個電池組件.一排緊密式與一排棋盤式電池所占屋頂面積的比例是7.61%，兩排緊密式與兩排棋盤式電池所占屋頂面積的比例是15.22%，其中兩排緊密式光伏溫室大棚如圖3所示.

圖3(a) 一排緊密式光伏溫室大棚 圖3(b) 一排棋盤式光伏溫室

圖3(c) 兩排緊密式光伏溫室大棚 圖3(d) 兩排棋盤式光伏溫室大棚

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 棚內(nèi)溫度模擬結(jié)果與討論

使用Ecotect軟件模擬昆明冬至日大棚內(nèi)溫度，結(jié)果如圖4所示.

圖4(a) 無電池板溫室大棚棚內(nèi)溫度

圖4(b) 一排緊密電池板溫室大棚棚內(nèi)溫度

圖4(c) 兩排緊密電池板溫室大棚棚內(nèi)溫度

圖4(d) 一排棋盤電池板溫室大棚棚內(nèi)溫度

圖4(e) 兩排棋盤電池板溫室大棚棚內(nèi)溫度

圖中橫軸代表的是時間，豎軸代表溫度，最長粗線代表棚內(nèi)溫度，最長虛線代表外界溫度.不難發(fā)現(xiàn)不論有無電池片，冬至日一天棚內(nèi)溫度變化趨勢一樣，先從凌晨降到9點左右，再升高到17點左右，最后再降低，棚內(nèi)溫度圖較平緩，且棚內(nèi)溫度的最低點滯后室外將近1小時，最高點滯后室外將近1.5 min.白天棚內(nèi)溫度除了無電池板、一排緊密與室外溫度相似以外，其余的都低于棚外溫度，夜間棚內(nèi)溫度高于棚外溫度，這樣避免夜間溫度過低凍壞作物.

2.2 棚內(nèi)溫度對比研究

為了進一步研究光伏溫室大棚棚內(nèi)溫度的高低，以便種養(yǎng)相應的動植物.將下列溫度進行對比，如圖5所示：

圖5(a) 一排緊密與一排棋盤棚內(nèi)溫度 圖5(b) 兩排緊密與兩排棋盤棚內(nèi)溫度

由圖可得：在0-9點棋盤式大棚比無電池板大棚溫度微低，緊密分布式大棚比無電池板溫度略高.白天溫度升高，一排緊密大棚內(nèi)溫度最高，接近無電池板大棚的溫度.一排緊密與一排棋盤雖然有相同的電池組件但是緊密型溫度較高，最高溫差是2.5 ℃.兩排緊密與兩排棋盤雖然有相同的電池組件但是緊密型溫度較高，最高溫差為2 ℃.相同數(shù)量電池組件的排布，緊密式的溫度高的原因可能是由于緊密式分布的電池與所鋪的屋頂構(gòu)成的空間比較封閉，散熱量比較小.雖然看起來溫差相差很小，但在實際生產(chǎn)中，可減小不少成本.

2.3 棚內(nèi)外溫度差對比研究

為了更進一步研究電池組件的多少和排列方式對光伏溫室大棚溫度的影響，本文對棚內(nèi)外溫度差進行研究，如圖6所示.晚上：溫度差越大，越能御寒.白天：溫度差越大，棚內(nèi)溫度越恒定.

圖6(a) 一排緊密與一排棋盤棚內(nèi)外溫度差 圖6(b) 兩排緊密與兩排棋盤棚內(nèi)外溫度差

室內(nèi)外溫度差的趨勢是0-9點增大，9-15點減小，15-24點增大，與棚內(nèi)溫度趨勢正好相反.在溫度差增大部分：一排緊密和一排棋盤、兩排緊密和兩排棋盤雖然有相同的電池片，但是緊密式溫度差較大，使棚內(nèi)動植物更好御寒.溫度差降低部分：緊密式溫度差較大，室內(nèi)溫度比較恒定.相同數(shù)量電池組件的排布，緊密式棚內(nèi)外溫差大的原因可能是由于緊密式分布的電池與所鋪的屋頂構(gòu)成的空間比較封閉，散熱量比較小.

3 結(jié) 論

1)該模擬試驗有：花費少，簡單，易于操作，容易使不能用感觀了解的現(xiàn)象直觀化的優(yōu)點.

2)從溫度角度出發(fā)，相同數(shù)量電池組件的排布，緊密型溫室大棚比棋盤型溫室大棚棚內(nèi)溫度高，一排式最高溫差是2.5 ℃，兩排式最高溫差是2 ℃.如果根據(jù)棚內(nèi)溫度種養(yǎng)相應的動植物那么緊密式更適應種養(yǎng)要求高溫度的動植物.緊密式排布的光伏溫室大棚棚內(nèi)外溫差較大，動植物晚上可以更好的御寒，白天棚內(nèi)溫度較恒定.

3)如果棚內(nèi)需要加熱到一定溫度，那么一排緊密比一排棋盤一天少400 KW的能量，兩排緊密比兩排棋盤少約300 KW的能量.

參 考 文 獻:

[1] 蔡龍俊.上海地區(qū)“生態(tài)循環(huán)溫室”能源綜合利用的可行性分析[J].能源與環(huán)境，2004 (4):25-27.

[2] 楊琳.“生態(tài)循環(huán)溫室”能源綜合利用的可行性分析[D].上海：同濟大學，2004.

[3] 馮秀萍，李明輝.太陽能光伏技術在溫室大棚控制系統(tǒng)中的應用[J].科技向?qū)В?013 (5):42-43.

[4] 陳潤超，除貴陽，何建玲.一種智能型光伏溫室大棚[J].科技創(chuàng)新論壇，2013 (1):257-258.

[5] YANO A,FURUE A,KADOWAKI M,et al.Electrical energy generated by photovoltaic modules mounted inside the roof of a north-south oriented greenhouse[J].Biosystem Engineering,2009，103(2):228-38.

[6] YANO A,KADOWAKI M,FURUE A,et al.Shading and electrical features of a photovoltaic array mounted inside the roof of an east-west oriented greenhouse[J].Biosystem Engineering,2010,106(4):367-377.

[7] MASAYUKI KADOWAKI,AKIRA YANO,FUMITO ISHIZU,et al.Effects of greenhouse photovoltail array shading on Welsh onion growth[J].Biosystem Engineering,2012，111(3):290-297.

[8] 周新群.溫室透光覆蓋材料技術標準研究[J].中國農(nóng)村建筑與環(huán)境技術創(chuàng)新，2007 (1):28-34.