光伏技術在日光溫室中的應用研究

陳辛格，伍 綱，馮朝卿，程瑞鋒，仝宇欣

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

0 引言

十多年來，隨著光伏新材料、新工藝的迭代，光伏產(chǎn)業(yè)進入了快速發(fā)展軌道，其作為綠色能源的主要利用形式，有力推動了“雙碳”目標的實現(xiàn)。經(jīng)濟發(fā)展離不開能源，中國山東省、河北省等中東部地區(qū)的電力需求量大、消耗能力強，但土地價值更高，能預留給地面光伏電站的土地相對有限[1]。中國屬于設施農(nóng)業(yè)大國，設施農(nóng)業(yè)面積位居全球第一，其中，日光溫室是北方地區(qū)應用最廣泛的一種農(nóng)業(yè)設施。截至2018年底，中國獨創(chuàng)的日光溫室的占地面積已達57.77 萬hm2[2]，尤其在中國北方寒冷地區(qū)，日光溫室的占地面積極為龐大。因此，近年來將光伏技術和日光溫室相結(jié)合而形成的光伏溫室在中國逐漸增多。本文從日光溫室的分布、光伏溫室的發(fā)電模式、不同類型光伏溫室的經(jīng)濟性、光伏組件布置方式對光伏溫室的影響等方面進行了研究，并在一定程度上對未來光伏溫室的發(fā)展進行了展望。

1 日光溫室的分布及光伏溫室的發(fā)電模式

日光溫室在中國的溫室類型中占據(jù)較大比重，且主要分布在中國氣候較為寒冷的北方地區(qū)。截至2018年底，山東、遼寧兩省的日光溫室占地面積均已達到了7.44 萬hm2以上，而安徽省、吉林省、青海省等地的日光溫室占地面積相對偏小，但也都達到了2400 hm2以上。中國各地的日光溫室占地面積情況如圖1所示。

圖1 中國各地的日光溫室占地面積情況Fig.1 Floor area of solar greenhouses in China

中國大部分地區(qū)具有豐富的太陽能資源，適合于日光溫室產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。地面光伏電站需大面積占用土地資源，導致土地資源本就緊缺的中國東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)不適宜建設光伏電站。但光伏技術可以與日光溫室相結(jié)合，光伏組件可以安裝在日光溫室北墻上，或組合排布在南坡面，在不影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的情況下，可使光伏組件捕獲更多的太陽能，這種與日光溫室相結(jié)合形成的光伏溫室不僅不會改變土地的使用性質(zhì)，還可以提升土地的利用率，節(jié)約獲取綠色電力的成本。

根據(jù)光伏電力使用方式不同，光伏溫室可分為3 種發(fā)電模式，分別為并網(wǎng)發(fā)電、獨立發(fā)電和混合發(fā)電模式。其中，混合發(fā)電模式是由并網(wǎng)發(fā)電模式和獨立發(fā)電模式結(jié)合形成的。光伏溫室的3 種發(fā)電模式如圖2所示。

圖2 光伏溫室的3 種發(fā)電模式Fig.2 Three kinds of power generation modes of PV greenhouse

由于日光溫室通常位于郊區(qū)或遠離城鎮(zhèn)的偏遠地區(qū)，輸電和供電成本較高，一些偏遠地區(qū)甚至沒有供電；而且現(xiàn)代化的日光溫室中各種環(huán)境調(diào)控設備眾多，若要滿足日光溫室的經(jīng)濟高效運行，溫室內(nèi)的光照、溫濕度調(diào)節(jié)、通風、滅菌、CO2調(diào)節(jié)、滴灌系統(tǒng)等裝置就需要有穩(wěn)定的供電[3]。因此，為滿足日光溫室的電力供應，光伏溫室可采用獨立發(fā)電模式，調(diào)控裝置通過利用光伏組件產(chǎn)生的電能對溫室內(nèi)的小氣候環(huán)境進行調(diào)節(jié)，達到縮短作物生產(chǎn)周期的效果。這對于增加農(nóng)作物的產(chǎn)出具有極大促進作用，能實現(xiàn)反季節(jié)種植和高品質(zhì)作物的量化產(chǎn)出。

而對于采用混合發(fā)電模式，若光伏溫室在供給溫室自身電力后仍有余電，可同采用并網(wǎng)發(fā)電模式時一樣，將電力通過電網(wǎng)出售給電力部門，得到額外的綠色能源收入。這對光伏溫室的實施示范能起到一定的促進作用。同時，這種增匯型的農(nóng)業(yè)技術，可以延長現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造新的收入增長點，有利于設施農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2 光伏溫室可采用的不同類型光伏組件的特性

2.1 不同類型光伏組件的技術特性對比

在中國西北部的大部分地區(qū)，例如新疆維吾爾自治區(qū)、青海省等白天光照強、夜間溫度低的地區(qū)，極適合發(fā)展光伏溫室，但目前將光伏技術與日光溫室進行結(jié)合仍處于探索應用階段[4]。由于覆蓋在日光溫室南坡面上的光伏組件通常較為厚重，導致溫室需要由更多的立柱和框架支撐。同時，由于傳統(tǒng)的光伏組件的結(jié)構(gòu)不易彎曲，而日光溫室為了增加透光量，南坡面常為弧形曲面，這給光伏組件的類型選擇、放置方式及其輸出功率的提升都帶來了挑戰(zhàn)。

常見的可應用于光伏溫室的光伏組件類型包括薄膜光伏組件、晶體硅光伏組件及雙玻光伏組件，這3 種光伏組件的技術特性對比如表1所示[5]。

表1 常見的可應用于光伏溫室的光伏組件的技術特性對比[5]Table 1 Comparison of technical characteristics of common PV modules applicable to PV greenhouse[5]

由于薄膜光伏組件的輸出功率隨著透光率的增加而降低，因此可以根據(jù)所需要的輸出功率定制太陽電池的尺寸。目前，商業(yè)化薄膜太陽電池的透光率為10%～30%[6]，其利用激光刻劃和小孔成像技術實現(xiàn)透光。光伏溫室南坡面處大多采用薄膜光伏組件，此類光伏組件具有弱光性能好、成本低、發(fā)電時間長、透光光譜有利于作物生長等優(yōu)點，但由于其光電轉(zhuǎn)換效率低、年衰減率大，導致使用壽命較短，一般僅為10～15年。

與薄膜光伏組件相比，晶體硅光伏組件具有免維護、壽命長、成本低的優(yōu)點，并擁有更高的經(jīng)濟性和實用性。

雙玻光伏組件的構(gòu)成從上至下依次為玻璃、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、太陽電池、EVA、玻璃。雙玻光伏組件在自然條件下的抗衰減特性示意圖如圖3所示。

圖3 雙玻光伏組件在自然條件下的抗衰減特性Fig.3 Anti-attenuation characteristics of bifacial glass PV module under natural conditions

EVA 是一種熱固性膠膜，具有附著力大、耐久性強、光學特性好等優(yōu)點，被廣泛應用于新型光伏組件中。雙玻光伏組件外層的玻璃采用鋼化玻璃，全光譜透過率均為90%以上，透光性較好；其還具有強度高、抗沖擊、抗彎曲的優(yōu)點，彎曲強度是普通玻璃的3～5 倍，且熱穩(wěn)定性較好。此外，雙玻光伏組件還具有變光傳輸?shù)奶匦?，可以根?jù)溫室內(nèi)不同作物的照明要求定制不同的透光率，防止過多的熱量進入溫室；同時避免了紫外光對作物造成損害；并且可以防止室內(nèi)紅外熱量在夜間向外輻射，起到了很好的保溫隔熱作用。

2.2 不同類型光伏組件的光譜響應特性

不同類型光伏組件的透射率及光譜響應曲線如圖4所示[7]。圖中：PAR 為光合有效輻射；NIR 為現(xiàn)代近紅外光譜；AM1.5(ASTMG173)為AM1.5 下生成的海平面太陽能分布曲線。

圖4 不同類型光伏組件的透射率及光譜響應曲線[7]Fig.4 Transmittance and spectral response curves of different types of PV modules[7]

入射到日光溫室外表面的太陽光包括紫外光、紅外光和可見光這3 種類型。其中，紅外光又包括近紅外光和遠紅外光，由于遠紅外光的光譜能量極弱，所以紅外光可近似看為近紅外光。最適合農(nóng)作物生長的是可見光，其中400～520 nm的藍光和610～720 nm 的紅橙光是光合有效輻射區(qū)，是農(nóng)作物進行光合作用最重要的光譜波段；而在520～610 nm 波段，晶體硅光伏組件的光譜響應較好，這表明光伏發(fā)電和農(nóng)作物生長在理論上可以同時進行。同時，相比于溫室中的植物，溫室結(jié)構(gòu)會吸收更多的近紅外光，這會導致溫室效應，使室內(nèi)空氣溫度持續(xù)升高，進而導致農(nóng)作物減產(chǎn)。因此，根據(jù)半透明的薄膜光伏組件在近紅外光波段的光譜響應曲線，其與日光溫室的結(jié)合是一個較好的選擇。

在日光溫室中，光合作用速率每降低1%，溫室內(nèi)農(nóng)作物的產(chǎn)量就會減少1%[8]。Wang 等[9]對農(nóng)作物的光譜進行了研究，綜合考慮了27 種草本農(nóng)作物(包括西紅柿、萵苣和黃瓜等溫室農(nóng)作物)的平均相對作用光譜，用以評估半透明薄膜光伏組件對農(nóng)作物生長的影響。

AM1.5 下波長λ對應的光子通量密度bS(λ)、波長對應的農(nóng)作物相對作用光譜a(λ)，以及經(jīng)農(nóng)作物相對作用光譜修正后的光子通量密度a(λ)bS(λ)的曲線如圖5所示。

圖5 農(nóng)作物相對作用光譜、AM1.5 下光子通量密度和相對作用光譜修正后的光子通量密度曲線Fig.5 Curves of relative interaction spectrum of crops，photon flux density under AM1.5 and photon flux density corrected by relative interaction spectrum

以晴朗天氣條件下，有光伏組件覆蓋與無光伏組件覆蓋時的光合作用速率之比G(x)表示薄膜光伏組件對農(nóng)作物生長的影響，其可表示為：

式中：x為光伏組件的厚度；T(x,λ)為對應波長內(nèi)光伏組件的總透射率。

3 不同類型光伏溫室的經(jīng)濟性分析

圖6 2 種光伏溫室的光伏組件布置方式對比Fig.6 Comparison of PV modules layout of two types of PV greenhouses

假設光伏溫室的有效壽命為25年，以年投資回報率Ra,i作為評估光伏溫室經(jīng)濟性的指標，其可表示為[11]：

式中：R為光伏溫室的年收入；C為光伏溫室的年成本；TI為光伏溫室的總投資，包括建設期投資和運行期投資，其中，運行期投資包括光伏發(fā)電系統(tǒng)運行投資、農(nóng)作物種植投資和土地租金。

上述2 種光伏溫室的投資、收入及年投資回報率情況如表2所示。

表2 2 種光伏溫室的投資、收入及年投資回報率情況Table 2 Investment，income and annual return on investment of two types of PV greenhouses

從表2可以看出：采用“陰陽棚”型光伏溫室時，年投資回報率為15.16%；采用輕簡化光伏溫室時，年投資回報率為13.03%。

與安裝于日光溫室北墻頂部的光伏組件不同，安裝于日光溫室南坡面的光伏組件充分利用了溫室棚面結(jié)構(gòu)，在增加光伏發(fā)電量的同時，還降低了制造成本。但這種模式由于阻擋了室內(nèi)的部分光照，所以在日光溫室中種植喜陽農(nóng)作物時，太陽光必將成為光伏發(fā)電和農(nóng)作物生長的競爭資源。

為了降低光伏組件對于溫室內(nèi)光照的影響，趙雪等[6]采用2 種方法來調(diào)整光伏溫室的透光率。第1 種方法是調(diào)整光伏組件之間的間隔，這種方法的不足在于光伏組件會遮擋部分全波段的陽光，對小部分農(nóng)作物的影響較大。第2 種方法是通過激光刻劃或設置透明背電極的方式調(diào)整晶體硅太陽電池的透明度；晶體硅太陽電池可以對不利于農(nóng)作物生長的紫外光產(chǎn)生一定的削減作用，但多晶硅太陽電池對波長為440 nm 的光具有強吸收能力，因此，對農(nóng)作物的光合作用而言，單晶硅光伏組件會是光伏溫室更好的選擇。

綜合考慮目前影響中國光伏溫室的各種因素后，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整光伏組件之間的間隔來改變溫室的透光率是目前光伏溫室的最優(yōu)選擇，可在確保一定經(jīng)濟性和可行性的同時，最大限度的提升此模式下的綜合收入。

當下的室內(nèi)建筑裝飾設計中，新新材料業(yè)已取得不錯的成績，它們不僅提高建筑的使用壽命、安全性，更有效地清潔和改善人們的居住環(huán)境。同時，建筑美學上也得到提升，即不僅創(chuàng)造了新的建筑藝術風格，還不斷地提升建筑整體藝術性。

有研究表明[12]：光伏溫室的投資回報期不到9年，且年回報率為9%～20%；同時，相對于以傳統(tǒng)方式種植農(nóng)作物，在光伏溫室種植的耐蔭農(nóng)作物還會提高30%的經(jīng)濟收入。隨著光伏技術的逐漸成熟，在不久的將來，光伏技術和溫室產(chǎn)業(yè)的結(jié)合會是一個有價值的選擇。

4 光伏組件布置方式對光伏溫室的影響

與國外相比，中國學者對晶體硅光伏組件與日光溫室相結(jié)合的研究相對較少。昝錦羽等[13]分別基于昆明市的氣候特征建立了屋頂覆蓋率分別為7.61%、15.22%、22.83%和30.44%的采用單晶硅光伏組件的光伏溫室模型，并與無光伏組件覆蓋的日光溫室進行對比，結(jié)果顯示：光伏溫室的照明系數(shù)分別降低了16%、38%、49%和58%。

與晶體硅光伏組件相比，薄膜光伏組件的覆蓋面積對日光溫室內(nèi)部光環(huán)境的影響更為顯著。趙雪等[6]在延安市(36°N，108°E)進行了實驗，監(jiān)測了夏季時南坡面分別以不同比例布置薄膜光伏組件和聚碳酸酯板(PC 板)，以及僅鋪設塑料薄膜時日光溫室內(nèi)的光環(huán)境。結(jié)果顯示：在薄膜光伏組件與PC 板面積比為1:1 的布局下，夏季晴天正午前后2 h，日光溫室內(nèi)總輻射透射率和光合有效光量子流密度透射率分別比僅鋪設塑料薄膜時日光溫室的低30.3%和17%；溫室的得熱量減少了3949.8 kJ/m2。

趙雪等[14]對陜西省楊凌示范區(qū)(34°16′N，108°04′E)冬季時光伏溫室南坡面以一定比例鋪設薄膜光伏組件和PC 板時溫室內(nèi)的光環(huán)境進行了研究。結(jié)果顯示：薄膜光伏組件和PC 板從西到東以1:3 的間隔鋪設時的太陽總輻射量比以1:2 的間隔鋪設時的太陽總輻射量增加了50.3 W/m2，總輻射透射率增加了9.1%，但平均光合有效光量子流密度的透射率差異不大；由薄膜光伏組件和PC 板形成的斜面的總輻射透射率在34.7%～41.7%內(nèi)變化。

以上研究表明：薄膜光伏組件在夏季能有效阻擋太陽輻射，降低溫室內(nèi)溫度，總輻射透射率與僅采用PC 板時相差不大。薄膜光伏組件的覆蓋率必須根據(jù)農(nóng)作物種類來確定，一般情況下不應高于50%；但晶體硅光伏組件與薄膜光伏組件不同，當其覆蓋率超過30%時，其對光合有效輻射會有明顯的抑制作用。

由于發(fā)電量可以根據(jù)光伏組件的覆蓋面積進行調(diào)節(jié)，從而使光伏技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)均衡，這種設計方式既可用于并網(wǎng)發(fā)電模式，也可以用于不以發(fā)電量上網(wǎng)為目的的光伏溫室中，若僅將光伏電力供溫室自身使用，在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的同時，也降低了并網(wǎng)設備的投資和發(fā)電過程中的能量損失。

在相同覆蓋面積的前提下，光伏溫室上方光伏組件的布置方式對室溫影響很大。昝錦羽等[13]分別建立了單晶硅光伏組件以1 排緊密型、2 排緊密型、2 排棋盤式和4 排棋盤式排布時的光伏溫室模型(下文分別簡稱為“1 排緊密型光伏溫室”“2 排緊密型光伏溫室”“2 排棋盤式光伏溫室”“4 排棋盤式光伏溫室”)，并在南坡面光伏組件總覆蓋率為7.61%的前提下，分別對1 排緊密型光伏溫室和2 排棋盤式光伏溫室進行了研究。研究結(jié)果表明：在冬季白天，1 排緊密型光伏溫室的室溫高于2 排棋盤式光伏溫室的，最大溫差為2.5 ℃；光伏組件總覆蓋率為15%時，2 排緊密型和4 排棋盤式光伏溫室的室溫相差不大，但2 排緊密型和4 排棋盤式光伏溫室的底部采光效果分別優(yōu)于1 排緊密型和2 排棋盤式光伏溫室。由此可知：緊密型光伏溫室的保溫效果優(yōu)于棋盤式光伏溫室的，且在冬季的保溫效果更好；但光伏組件以棋盤式排列更有利于光線的均勻照射，其照明效果要優(yōu)于以緊密型排列時，對農(nóng)作物的影響更小[13]。光伏溫室南坡面上光伏組件的不同布置方式如圖7所示。

圖7 光伏溫室南坡面上光伏組件的不同布置方式Fig.7 Different layout modes of PV modules on the south slope of PV greenhouse

針對薄膜光伏組件在日光溫室南坡面排布的研究，趙雪等[6]發(fā)現(xiàn)：光伏溫室采用薄膜光伏組件時，其在1月的平均總輻射透射率為33%，比采用塑料薄膜時低11.6%；光伏溫室采用薄膜光伏組件時，溫室內(nèi)溫度低于8 ℃的天數(shù)(2 天)明顯少于采用塑料薄膜時的天數(shù)(10 天)。這說明在冬季，光伏溫室采用薄膜光伏組件時的室溫高于采用塑料薄膜時，更有利于冬季農(nóng)作物的栽培?？傒椛渫干渎实难芯勘砻鱗6]：無論是晶體硅光伏組件還是薄膜光伏組件，棋盤式排列均會使日光溫室中的光照更為均勻，總輻射透射率更好，也更有利于農(nóng)作物的生長。

綜上可知，在日光溫室南坡面全部覆蓋不透光的傳統(tǒng)光伏組件并不適合綠色農(nóng)作物的栽培，而以集中且部分覆蓋和東西向條狀排布的光伏組件對于部分農(nóng)作物的影響很大，但當光伏組件呈南北向排列時，在無關溫室方位的情況下，無論光伏組件是呈條狀還是棋盤式分布[15-17]，晴朗天氣時溫室內(nèi)的所有農(nóng)作物都會經(jīng)常受到陽光照射。日光溫室農(nóng)作物上方不透明光伏組件的排布示例如圖8所示。圖中：無遮蔭、中度遮蔭或重度遮蔭農(nóng)作物分別表現(xiàn)為亮綠色、深綠色和黃色農(nóng)作物。

圖8 日光溫室農(nóng)作物上方不透明光伏組件的排布示例Fig.8 Arrangement example of opaque PV modules above crops in solar greenhouse

5 展望

“雙碳”目標為中國能源問題帶來了新的挑戰(zhàn)，而發(fā)展新能源是推動碳減排的重要路徑。在這個大環(huán)境下，技術水平日趨成熟的光伏溫室將會是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向之一，光伏和溫室產(chǎn)業(yè)的結(jié)合必將促進光伏產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，在緊貼國家能源政策的前提下，為人民謀取福利。

但也應看到，光伏溫室的發(fā)展同樣也受到多種因素的制約。光伏產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)的結(jié)合還存在許多問題，要做到光伏產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)水平兩手抓。在光伏技術方面，從材料入手，提高光伏組件的穩(wěn)定性與植物光譜透過率，找到最契合于日光溫室的光伏組件；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，因喜蔭農(nóng)作物受遮光影響較小，其在光伏溫室中的種植可作為一種調(diào)節(jié)手段。在光伏技術與日光溫室結(jié)合方面，更加精確的光伏組件排布，以及可變向式光伏組件，都應是未來此類研究的探究之路。應在順應大環(huán)境需求和技術革新的同時，也滿足對于經(jīng)濟性和社會效益等的底層需求，使光伏技術與日光溫室的結(jié)合更具有理論與現(xiàn)實意義。

6 結(jié)論

近年來，將光伏技術和日光溫室相結(jié)合應用的光伏溫室在中國逐漸增多。本文從日光溫室的分布、光伏溫室的發(fā)電模式、不同類型光伏溫室的經(jīng)濟性、光伏組件布置方式對光伏溫室的影響等方面進行了研究，并在一定程度上對未來光伏溫室的發(fā)展進行了展望。研究結(jié)果顯示：

1) 根據(jù)光伏電力使用方式不同，光伏溫室可分為3 種發(fā)電模式，分別為并網(wǎng)發(fā)電、獨立發(fā)電和混合發(fā)電模式。在并網(wǎng)發(fā)電和混合發(fā)電模式下，通過將光伏電力出售可以獲得額外的綠色能源收入，可對光伏溫室的實施示范起到一定促進作用，并可以延長現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造新的收入增長點，有利于設施農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2) 采用“陰陽棚”型光伏溫室時，年投資回報率為15.16%；采用輕簡化光伏溫室時，年投資回報率為13.03%。

3) 在光伏技術與日光溫室結(jié)合方面，更加精確的光伏組件排布，以及可變向式光伏組件，都應是未來此類研究的探究之路。