光伏發(fā)電技術(shù)在溫室中的應(yīng)用形式研究

孟祥真 石惠嫻 徐得天

摘要因土地資源限制、常規(guī)化石能源污染環(huán)境和設(shè)施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展等原因，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與溫室的結(jié)合得到廣泛應(yīng)用。為了探究太陽能光伏組件的鋪設(shè)對溫室內(nèi)部環(huán)境的影響，總結(jié)歸納了國內(nèi)外學者對不同種類的光伏溫室在光伏覆蓋面積和排布形式方面的研究成果，得到晶體硅光伏溫室覆蓋率20%和非晶硅光伏溫室覆蓋率30%左右時對溫室內(nèi)作物生長影響較小，適當?shù)墓夥采w面積還可以提升作物的品質(zhì)，并且在炎熱的夏季能夠起到很好的遮陽效果。在文獻研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地將薄膜光伏電池用于溫室外遮陽系統(tǒng)，并且通過可旋轉(zhuǎn)的光伏遮陽板，根據(jù)溫室對光的實時需求自由調(diào)節(jié)遮光率。

關(guān)鍵詞 光伏發(fā)電；溫室；覆蓋面積；排布方式；遮陽作用

中圖分類號 S214.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）27-0219-04

Abstract Due to land resources constraints， pollution of conventional fossil energy and the rapid development of agricultural facilities and other factors， the combination of photovoltaic generation technology and greenhouse has been used widely.In order to explore the influence of photovoltaic modules on the internal environment of greenhouse， coverage area and configuration mode of different kinds of photovoltaic greenhouse investigated by researchers at home and abroad was summed up. The result showed that crystal silicon photovoltaic greenhouse coverage of about 20% and amorphous silicon photovoltaic greenhouse coverage of about 30% have little effect on the growth of crops in the greenhouse，and appropriate photovoltaic coverage can enhance the quality of crops and play a good shade effect in the hot summer. Based on these， the innovative use of thinfilm photovoltaic modules for the external shading system of greenhouse， can adjust the shading rate according to the greenhouse realtime demand for light by the rotating photovoltaic sunvisor.

Key words Photovoltaic generation technology；Greenhouse；Coverage area；Configuration mode；Sunshade

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與溫室的結(jié)合，即將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在溫室上，在進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中獲得額外的電能，可緩解能源壓力和增加土地利用率[1]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的增加和國家對光伏溫室的政策支持，光伏溫室先后在國內(nèi)的山東壽光、河北承德、江蘇常州、江西上饒、四川攀枝花、山西長治等地應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。對于設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達的西班牙、意大利、日本等國家，光伏溫室也都有廣泛應(yīng)用[2-3]。

目前太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，并且出現(xiàn)了光伏發(fā)電技術(shù)與建筑、溫室等結(jié)合的多種形式，但太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在溫室中的應(yīng)用大多是企業(yè)推動，缺少政府引領(lǐng)、行業(yè)自律和技術(shù)規(guī)范，光伏溫室的運行效果缺少對比和總結(jié)，使得在實際應(yīng)用過程中會產(chǎn)生一些問題，甚至有公司為了拿到光伏項目補貼而簡單地將光伏發(fā)電設(shè)備放置在日光溫室的周圍，從而導(dǎo)致土地資源的浪費[3]。因此，通過將光伏溫室按照光伏組件的特點進行分類，針對不同種類的光伏溫室，探究太陽能光伏組件的覆蓋面積和排布形式對溫室內(nèi)部環(huán)境的影響。分析得到夏季光伏組件對溫室具有很好的遮陽作用，所以將可旋轉(zhuǎn)的薄膜光伏遮陽板電池與溫室的外遮陽系統(tǒng)相結(jié)合，為以后光伏發(fā)電技術(shù)在溫室的實際應(yīng)用提供參考。

1 光伏溫室的種類及特點

劉立功等[4]將光伏溫室按照結(jié)構(gòu)和遮光程度2個標準進行了分類，按照結(jié)構(gòu)將光伏溫室分為光伏太陽能日光溫室和光伏太陽能連棟溫室2種類型，按照遮光程度分為全遮光型和部分遮光型溫室2種類型。徐永[2] 根據(jù)光伏組件的透光性，將光伏溫室分為密排型、間歇型或棋盤型和部分透光型光伏溫室3種主要類型。一般情況下，應(yīng)用在溫室上的光伏電池分為傳統(tǒng)不透光的晶體硅太陽能電池和新型透光的非晶體硅薄膜太陽能電池，2類不同光伏板在溫室上的鋪設(shè)均會對溫室內(nèi)部環(huán)境造成影響。該研究主要探究在相同溫室結(jié)構(gòu)下光伏組件鋪設(shè)形式對溫室內(nèi)部作物生長的影響。因此結(jié)合2種分類方式和光伏組件的透光性，將按照晶體硅光伏溫室和非晶體硅薄膜光伏溫室兩大類進行探究。

1.1 晶體硅光伏溫室

晶體硅光伏溫室是指結(jié)合了單晶硅或者多晶硅太陽能光伏板的溫室。晶體硅太陽能電池特點是光轉(zhuǎn)化率高，但其不透光性限制了與溫室結(jié)合的類型和溫室內(nèi)作物種類的選擇。全遮光的晶體硅光伏溫室在溫室頂部向陽面全部鋪設(shè)晶體硅光伏板，溫室內(nèi)幾乎沒有直射光，適合食用菌類的種植；部分遮光的光伏溫室是通過改變光伏板的覆蓋面積和排布方式調(diào)整溫室的遮光率，其光伏太陽能電池板的排列差異較大。遮光面積在20%～80%。在單棟的光伏太陽能日光溫室上，電池板在采光面后部排列較多，而前部相對較少或沒有，遮光帶更多地分布在后墻上，這樣更有利于植物生長[4-6]。

1.2 非晶體硅光伏溫室

非晶體硅光伏溫室采用透光的非晶體硅薄膜光伏板，雖然發(fā)電效率低于傳統(tǒng)的單晶硅電池，但其具有一定的透光性和較高的折射率，能夠使溫室內(nèi)的光照更加均勻，避免陽光的直接照射，降低溫室內(nèi)部植物被灼傷的機會，有利于作物的生長[7-8]。在整個太陽光譜波段中，對光合作用貢獻最大的波段為波長400～700 nm波段，魏曉明[9]得到太陽能薄膜電池的透光率，發(fā)現(xiàn)薄膜電池對波長500 nm以下的透光率基本為0，波長500 nm以上太陽光透光率隨波長的增加逐漸提高，紅光區(qū)域透光率最大時達到20%左右，說明薄膜光伏溫室內(nèi)部缺少藍紫光，會降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。結(jié)果說明，非晶體硅薄膜光伏板透光特性只能夠滿足葉菜類作物生長所需[2，9-10]。

因此，無論是不透光的晶體硅光伏溫室還是可透光的光伏薄膜溫室，光伏組件的種類和覆蓋面積對溫室內(nèi)部環(huán)境的影響都很大。在光伏組件種類和覆蓋面積相同的情況下，不同形式的光伏組件排布也會產(chǎn)生不同的作用[11-13]。通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻研究，總結(jié)分析出光伏覆蓋面積和排布形式對作物種植的影響。

2 光伏溫室的研究現(xiàn)狀

2.1 光伏組件覆蓋面積的研究

2.1.1 晶體硅光伏電池覆蓋面積的研究。

晶體硅光伏溫室在歐洲比較普遍，意大利Cossu等[11]在某面積為960 m2的溫室（8°59′ E，39°19′ N）的南屋面全部鋪設(shè)多晶硅光伏板，得到光伏組件的阻礙作用導(dǎo)致溫室內(nèi)部太陽輻射降低64%。意大利Marucci等[14]在溫室（3.79 m×2.41 m，12° E，42° N）南坡面覆蓋晶硅光伏板，如圖1所示，并且光伏板可以沿縱向軸線旋轉(zhuǎn)從而在地面形成不同的遮光面積，通過監(jiān)測，夏季正午12∶00的太陽輻射得到覆蓋率小于20%時為20 MJ/m2左右，這個值遠遠超過了作物對光的需求，覆蓋率為30%和50%時溫室內(nèi)光合有效輻射分別為18.8、15.0 MJ/m2，在超過70%時太陽輻射小于10.0 MJ/m2，在覆蓋率30%時相對于沒有鋪設(shè)光伏組件的溫室，其光合有效輻射（太陽輻射中能夠使綠色植物進行光合作用的那部分光譜能量，波長為400～700 nm）降低了31%。Trypanagnostopoulos等[15]在希臘的西南部設(shè)計了2座2.00 m×2.13 m的玻璃溫室，其中一座溫室南坡面安裝覆蓋率20%的多晶硅光伏板；另一座普通溫室作為對照，2—4月進行了為期85 d的環(huán)境檢測，得出光伏溫室的光合有效輻射比對照溫室低15%～20%。溫室內(nèi)部種植了萵苣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光伏溫室中的萵苣比對照普通溫室的高且葉子大，鮮重也更大，說明適當降低光照強度對植物的品質(zhì)有促進作用。

國內(nèi)也有學者對晶體硅光伏溫室進行了研究，余情等[16]在廣東一座420 m2溫室的南屋面安裝面積為210 m2的晶體硅光伏電池組件，得到夏季室外光照度為75 000 lux時溫室內(nèi)部為4 000 lux左右，能夠滿足部分葉菜類和果菜類的需求[17]。昝錦羽等[18-19]使用ECOTECT軟件建立了屋頂覆蓋率分別為7.61%、15.22%、22.83%、30.44%的單晶硅光伏溫室的模型，相對無光伏組件覆蓋時的溫室，采光系數(shù)分別降低約16%、38%、49%、58%。另外，王京[20]在廣東地區(qū)某連棟溫室的南向坡面間隔鋪設(shè)單晶硅光伏電池，由于太陽高度角的變化，經(jīng)現(xiàn)場驗證溫室內(nèi)部光照均勻，不會出現(xiàn)光伏陣列產(chǎn)生的陰影塊。

由上面晶體硅太陽能電池不同覆蓋率研究結(jié)果可知，在夏季太陽輻射強烈時光伏組件能夠起到很好的遮陽作用。當溫室屋頂?shù)墓夥采w率低于20%時，雖然溫室內(nèi)光合有效輻射有所降低但未影響植物的生長，反而對植物的品質(zhì)有促進作用；光伏覆蓋率為30%時對植物的生長有了明顯的抑制作用；光伏覆蓋率高于50%時，對光的阻礙作用較大，但在夏季遮陽作用也比較明顯。大于70%以后溫室內(nèi)光照度就不再滿足植物的生長需求。因此，為了盡量保證作物生長不受影響，意大利政府就規(guī)定光伏組件在溫室屋面的安裝比例不得超過50%[3，11]。

2.1.2 非晶硅光伏組件覆蓋面積的研究。

趙雪[21]對結(jié)構(gòu)完全相同的光伏薄膜溫室和塑料薄膜溫室光環(huán)境與番茄生長情況進行監(jiān)測，溫室位于延安市李家灣農(nóng)業(yè)生態(tài)示范園中（108° E，36° N）。研究發(fā)現(xiàn)，在光伏薄膜和PC板面積1∶1的比例布局下，夏季晴天正午前后2 h內(nèi)的總輻射透過率為38.7%，光合有效光量子流密度透過率為38.9%，分別比塑料薄膜日光溫室低30.3%和17.6%，并且此時間段內(nèi)，晴天光伏日光溫室可比塑料薄膜日光溫室多阻擋3 949.8 kJ/m2熱量進入室內(nèi)。趙雪[21]在楊凌大寨鄉(xiāng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新園內(nèi)一座溫室自西向東每三列薄膜光伏組件與PC陽光板分別以1∶2、1∶3比例間隔鋪設(shè)，發(fā)現(xiàn)在冬季以1∶3比例鋪設(shè)的太陽總輻射要比以1∶2比例鋪設(shè)的大50.3 W/m2，太陽總輻射的平均透過率大9.1%，但2種鋪設(shè)方式下的平均光合有效光量子流密度透過率相差不大，并且非晶硅電池組件與 PC 板構(gòu)成的傾斜平面的平均透光率變化范圍為 34.7%～41.7%。束勝等[22]對常州市漢能基地一座單棟雙屋面塑料溫室（28.8 m×8.0 m）分別鋪設(shè)33%、50%屋頂面積的非晶硅光伏組件，在溫室內(nèi)種植小白菜并與未鋪設(shè)光伏組件的溫室做對照，結(jié)果表明：50%光伏板覆蓋處理的白菜株高、葉片數(shù)和葉面積比對照顯著降低了27.34%、12.50%和22.64%，而33%光伏板覆蓋處理與對照差異不顯著。

分析以上研究可以得出，薄膜光伏組件在夏季能夠起到明顯地阻擋太陽輻射、降低溫室內(nèi)溫度的作用，對植物的光合作用影響很小，并且薄膜光伏組件的透光率與PC板相差并不大，束勝的試驗得到33%光伏覆蓋率的溫室可用于小白菜栽培生產(chǎn)，但每種作物對光照的需求是不一樣的，因此光伏組件的覆蓋率要根據(jù)具體的種植對象來確定，且覆蓋率不宜高于50%。

相對于晶體硅光伏溫室在覆蓋率為30%時對光合有效輻射就有明顯的抑制作用，相同覆蓋率的薄膜光伏電池產(chǎn)生的不利影響要小很多。但光伏組件覆蓋面積會對發(fā)電量造成直接影響，在不以發(fā)電作為主要目的的光伏溫室可以設(shè)計與溫室系統(tǒng)相匹配的光伏覆蓋面積。比如Yano等[23]在溫室（4.0 m×8.0 m×2.4 m）山墻附近安裝了占溫室面積0.2%的非晶硅薄膜電池，由于光伏組件面積小且透光所以對溫室內(nèi)的作物產(chǎn)生的影響可以不計，但其在2個月內(nèi)產(chǎn)生了3.0 MJ的電能，驅(qū)動溫室側(cè)通風系統(tǒng)消耗了2.5 MJ，足以滿足側(cè)通風系統(tǒng)的用電量。Yano等[24]還計算得到22 536 m2溫室全年所有設(shè)備的年用電量為150 MWh，此電量需要覆蓋15%的非晶硅光伏組件，如果使用效率為14%的晶體硅模塊，則需要7%的面積覆蓋。這種所產(chǎn)電量僅供自身系統(tǒng)使用的較低覆蓋率的應(yīng)用形式，不僅可以確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的品質(zhì)和產(chǎn)量，還可以節(jié)省并網(wǎng)設(shè)備的投資以及并網(wǎng)過程中的能量損耗。溫室設(shè)備用電量的數(shù)據(jù)可以為不以發(fā)電為主要目的的溫室設(shè)計作參考。

2.2 光伏組件排布方式

2.2.1 晶體硅光伏溫室光伏組件排布方式的研究。

在相同的覆蓋面積前提下，國內(nèi)外學者進行了排布方式對溫室內(nèi)環(huán)境影響的相關(guān)研究。昝錦羽[18]建立了一排緊密、兩排緊密、兩排棋盤、四排棋盤排布的單晶硅光伏溫室模型，在屋頂電池覆蓋率均為7.61%的情況下，分別比較一排緊密和兩排棋盤式溫室。最后得出：冬季白天，一排緊密棚內(nèi)溫度高于兩排棋盤的溫室，最高溫差是2.5 ℃，和屋頂電池覆蓋率均為15.22%的兩排緊密和四排棋盤式光伏溫室結(jié)果接近，并且兩排棋盤和四排棋盤式的棚底采光系數(shù)均分別優(yōu)于一排緊密和兩排緊密式。法國的Fatnassi等[25]通過CFD分別對面積為1 hm2屋頂覆蓋直線式和棋盤式光伏組件排布的的Venlo型溫室進行太陽輻射分布的模擬，發(fā)現(xiàn)直線式排布溫室內(nèi)部的陰影有明暗帶分布，且光透射率為46%，而棋盤式排布的溫室內(nèi)光線分布均衡，平均光透射率約為50%。與直線相比，棋盤光伏板排布改善了溫室內(nèi)陽光空間分布的平衡。通過這種光伏面板布置，植物功能和光合作用率將受到光線攔截的影響較小。

因此，在相同覆蓋率時，比較緊密式和棋盤式的說明，緊密排列的溫室密封保溫效果好于棋盤式排布，在冬季能夠起到更好的保溫作用，但棋盤式排布采光優(yōu)于緊密式排布，更有利于光照的均勻照射。通過棋盤式的布置，作物的光合作用和品質(zhì)受到太陽輻射的影響較小。

2.2.2 非晶硅光伏溫室光伏組件排布方式的研究。

國外許多國家都將非晶硅薄膜光伏組件應(yīng)用到溫室中。日本的Kadowaki，Yano等[26-27]在溫室（133.0°E，35.5°N）的南坡面分別以直線式和棋盤式2種排布方式安裝覆蓋率為12.9%的非晶硅光伏組件，排布方式如圖2所示。研究結(jié)果表明，2種排布方式的發(fā)電量差異不大，但薄膜電池組件棋盤式布置時，室內(nèi)光照的均勻情況要明顯好于直線布置，通過檢測內(nèi)部生長的大蔥發(fā)現(xiàn)，采用棋盤式布置溫室內(nèi)的大蔥在產(chǎn)量和品質(zhì)上均優(yōu)于直線布置。西班牙的Ureasánchez等[28]在面積1 024 m2（2° W，36° N）的溫室以棋盤式鋪設(shè)覆蓋率為9.8%的薄膜太陽能電池板，并與沒有安裝面板的區(qū)域做比對，通過在溫室中種植番茄發(fā)現(xiàn)沒有覆蓋光伏板區(qū)域的果實成熟時間早于覆蓋區(qū)域，顏色深于覆蓋區(qū)域，但各區(qū)的總產(chǎn)量并沒有差異。

趙雪[21]研究發(fā)現(xiàn)，大寨鄉(xiāng)的薄膜光伏溫室在1月份平均透光率為33.0%，比塑料薄膜日光溫室低11.6%。通過對測試期間最低溫度天數(shù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)8 ℃以下的溫度光伏溫室（2 d）明顯少于塑料薄膜溫室（10 d，占33%）。董微等[29-30]在北京通州一座連棟溫室南側(cè)坡面間隔排列薄膜太陽能光伏板，得到溫室的透光率范圍為32.64%～80.96%，平均透光率為66.27%。

由以上得出，覆蓋溫室屋頂面積9.8%的薄膜光伏組件不會影響番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)，并且和晶體硅光伏溫室一樣，薄膜電池棋盤式排布方式的透光率明顯好于直線排布，可提升作物品質(zhì)，因此光伏組件棋盤式排布可使溫室內(nèi)光照更均勻、更適合作物生長。另外通過冬季低溫天數(shù)可以看出，光伏日光溫室的冬季溫度環(huán)境明顯好于塑料薄膜日光溫室，更有利于冬季果菜的栽培。

3 光伏組件用于溫室外遮陽系統(tǒng)

根據(jù)氣象局資料（1981—2010），我國華東地區(qū)夏季氣溫高且持續(xù)時間較長，7月份和8月份的月平均氣溫均在25～30 ℃。由于“溫室效應(yīng)”，日光溫室內(nèi)夏季氣溫高，張良[31]測得上海金山某玻璃溫室夏季在遮陽網(wǎng)收起的情況下最高溫度達到61.1 ℃，高溫會影響作物的生長。這也說明夏季降溫是我國溫室種植亟待解決的關(guān)鍵問題。通過研究國內(nèi)外文獻，可以發(fā)現(xiàn)光伏組件在夏季的遮陽效果明顯。通過遮陽可以減少太陽輻射強度，對調(diào)節(jié)溫室小氣候有所幫助[32]，通過遮陽系統(tǒng)能夠降低溫室制冷所需能量的20%左右[33]。另外固定的覆蓋面積會對溫室內(nèi)部作物的品種產(chǎn)生限制，實現(xiàn)品種自由選擇的前提是光伏覆蓋率能夠自由調(diào)整。

因此，提出將光伏組件與溫室遮陽系統(tǒng)結(jié)合，在夏季光伏組件能夠起到遮陽作用，并且夏季是太陽輻射最強的季節(jié)，太陽輻射越強光伏組件所發(fā)電量越多。薄膜光伏遮陽系統(tǒng)示意圖如圖3所示，選用可透光且質(zhì)量輕的薄膜光伏組件，將其附著在輕質(zhì)耐高溫高透光率的塑料板上，板可以繞著中間的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動軸連接自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能控制。將整個光伏遮陽板安裝在遮陽網(wǎng)的支架上，支架的強度根據(jù)整個系統(tǒng)的實際重量選擇，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

薄膜光伏遮陽系統(tǒng)的優(yōu)點是光伏遮陽板的遮光率可以根據(jù)太陽輻射的強度自由調(diào)整，在獲得電能的同時達到更好的遮陽和調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境的作用，保障順利度過夏季極端天氣，并且在作物不同生長期可以提供適宜的光照強度，也為提高光伏溫室種植作物品質(zhì)和種類多樣化提供了可能。

4 結(jié)語和展望

通過查閱國內(nèi)外文獻，對光伏溫室進行分類，并對不同種類光伏溫室的光伏組件覆蓋面積和排布方式進行研究，結(jié)果得出，30%對于晶體硅光伏溫室是非常高的覆蓋率，將覆蓋率控制在20%左右對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較合適；對于非晶體硅光伏溫室覆蓋率可以控制在30%左右，但兩者均不宜超過50%，具體覆蓋率還要根據(jù)溫室生產(chǎn)的主要作物的種類進行選擇。對于相同覆蓋率時光伏組件排布形式，棋盤式的間歇分散排布有利于溫室內(nèi)光環(huán)境的均衡，明顯要好于緊密式排布。

溫室作為進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的設(shè)施，與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合的前提應(yīng)該確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進行，應(yīng)當摒棄以發(fā)電為目的的光伏溫室的做法。伴隨我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，分布式光伏發(fā)電越來越廣泛，在這一過程中更應(yīng)該確保光伏發(fā)電技術(shù)與溫室結(jié)合的科學性。因此，對光伏覆蓋面積和排布形式的研究具有實際意義，一方面可以通過研發(fā)透光率更高且透過光譜更加適合作物生長的光伏薄膜；另一方面通過設(shè)計更科學合理的結(jié)合形式實現(xiàn)種植與發(fā)電均達到最優(yōu)化。

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