宁夏不同光伏温室和大棚冬季内环境比较研究

祁娟霞， 曹丽华，李建设， 叶 林， 刘 馨， 张雪艳，*

(1.宁夏大学 农学院，宁夏设施园艺工程技术研究中心，宁夏设施园艺(宁夏大学)技术创新中心，宁夏 银川 750021； 2.宁夏农村科技发展中心，宁夏 银川 750021)

宁夏不同光伏温室和大棚冬季内环境比较研究

祁娟霞1， 曹丽华2，李建设1， 叶 林1， 刘 馨1， 张雪艳1，*

(1.宁夏大学 农学院，宁夏设施园艺工程技术研究中心，宁夏设施园艺(宁夏大学)技术创新中心，宁夏 银川 750021； 2.宁夏农村科技发展中心，宁夏 银川 750021)

试验以二代日光温室为对照，以光伏日光温室(D1)、光伏双膜双网大棚(D2)以及光伏阴阳棚(D3，阳棚D3a、阴棚D3b)为处理，系统比较宁夏不同光伏温室冬季各月以及典型天气内部环境差异、建造的光伏成本与收益，明确各光伏温室内环境的越冬特性。结果表明，D1冬季各月最高温度、光强均显著高于对照(CK)与其他光伏温室，CK最低温度最高、平均湿度最低，D3a平均温度略低于CK，湿度和光强显著高于CK，D2与D3b温度光照显著低于其他温室，湿度显著高于其他温室；D2在典型晴天、阴天、雪天的温度和光照均最低、湿度最高，D1雪天温度低于CK，其他典型天气温度最高，湿度最低，D3a与CK差异不显著；各月各光伏温室发电量为D1>D3>D2，预计光伏发电10.15年后可收回光伏成本。综合分析得出，D1温室内环境总体优于CK，D3a与CK接近，D1、D3a、CK均适宜果菜越冬生产，D2冬季温度低于0 ℃，不适宜食用菌栽培，D3b温室环境仍适宜食用菌栽培。

光伏温室；环境比较；典型天气；光伏投入；发电收入

随着石油和煤炭的大量开发，不可再生资源保有储量越来越少，且石油和煤炭资源的利用会造成严重的环境污染。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，极具增长潜力，太阳能产业蕴含着巨大的发展机会和市场空间[1]。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能[2]。光伏温室是指在传统温室上通过安装太阳能光伏板组件发电，有效利用太阳能资源、产出清洁绿色能源的同时，开启了现代生态农业的一种新型发展模式[3]，其可节约煤炭、土地和空间资源，减排二氧化碳等污染物，还可就地解决设施农业电力需求问题，另外能缓解光伏产业的困局，提高土地利用率，增加土壤的产出率，提升农业品质和发展现代农业，实现农业和光伏产业的“双赢”[4-5]。光伏温室的研究多集中在光伏并网发电方面，如对太阳能光伏发电并网系统的建立及相关技术的研究[6-7]，对分布式光伏发电并网功率直接控制方法与成本效益的研究[8-9]，而针对光伏农业中的不同光伏温室类型下冬季温室内环境特性以及光伏板成本和发电效益的比较则鲜有报道。

本研究以宁夏二代日光温室为对照，系统研究光伏日光温室、双膜双网大棚、阴阳型日光温室冬季温室内环境变化，分析不同光伏温室下光伏板投入成本和发电收益，明确各光伏温室冬季的越冬特性以及各类型光伏温室大棚成本回收年限，为光伏农业冬季高效利用和各光伏温室光伏发电收益回报提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在宁夏永宁200 MW光伏农业科技示范园内进行。以宁夏二代日光温室为对照(CK)、设计光伏日光温室(D1)、光伏双膜双网大棚(D2)、光伏阴阳日光温室(D3，阳棚D3a、阴棚D3b)3个处理，各类型光伏温室采用统一规格的单玻光伏板，长165 cm，宽99.2 cm，厚0.4 cm，发电功率Pmax为(250±3)% W，单价4 元·W-1。光伏板安装于各温室顶之上2.5 m处的向阳面，38°倾斜。D1、D3a和CK均种植番茄，统一水肥灌溉和栽培管理，保温被揭盖时间一致，D2和D3b均栽培香菇，统一给菌棒注水管理。

1.2 测试方法

采用紫藤多功能无线采集器，对不同光伏温室内温度、湿度和光照进行全天监测，测试高度距离地面1.5 m，每隔0.5 h记录一次数据，选择2015年12月、2016年1月和2月，比较冬季不同光伏温室内的环境变化，并测定番茄株高、茎粗、单果质量和单菌棒香菇质量，记录产量。

1.3 数据分析处理

通过公式发电量=Pmax×F×y×17.5%/3600(F—光辐射量，MJ·m-2；y—光伏板面积；17.5%—光电转换效率)，计算各光伏温室发电量。

数据采用Excel软件和SPSS17.0软件进行处理分析，采用LSD方法在P﹤0.05水平进行单因素显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同光伏温室大棚冬季温室内环境比较

2.1.1 不同光伏温室大棚内冬季温度比较

对冬季不同光伏温室内环境温度进行比较分析，综合各月数据可以看出，最高温度由高到低依次为D1>D3a>CK>D3b>D2，平均温度为CK>D1>D3a>D3b>D2，最低温度为CK>D3b>D3a>D1>D2，CK冬季平均温度和最低温度均最高，D1的最高温度最高，光伏双膜双网大棚D2的冬季最高温度、平均温度和最低温度均为几类光伏温室中最低(表1)。

2.1.2 不同光伏温室大棚内湿度比较

各光伏温室大棚冬季12月最高湿度较为接近，1月D1最高湿度显著低于其他温室，2月D2湿度显著低于其他处理；冬季三个月平均湿度总体表现为，CK的平均湿度均为最低，D1总体略高于CK，D3b最高，分别为12月97.00%、1月94.76%、2月93.46%，D2仅次于D3b(表2)。

2.1.3 不同光伏温室大棚内光照比较

表3统计了不同光伏温室内11:00—16:00的光照强度，从表3可以看出，所有温室最高、平均、最低光强均随时间呈增加趋势，其中D1与D3a冬季的最高、平均、最低光照均高于其他温室，12月、1月的最高光强均在47～50 klx，2月达到60 klx以上，平均光强12月和1月在23.0～28.5 klx，2月达35.0～38.6 klx，其三个月的平均光照强度分别比CK高21 klx、19 klx，这说明光伏板并没有影响光线的透过率，反而增加了温室内光照强度，可能原因是经温室采光面反射出去的光经光伏板反射又透过温室采光面所致；D2与D3b的最高、平均、最低光强均显著低于其他温室，12月最高光强在2～4 klx，1月4～6 klx，2月7.0～9.5 klx，三个月平均光强在1.0～3.5 klx。

表1 不同光伏温室大棚内温度统计表

同一列不同行数据后没有相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

The values in the same column without the same lowercase letters showed significant difference atP<0.05. The same as below.

表2 不同光伏温室大棚冬季温室内湿度统计表

表3 不同光伏温室大棚冬季温室内11:00—16:00光照强度统计表

2.2 不同光伏温室大棚冬季温室内夜间温湿度环境比较

夜间0:00—6:00温度大体上呈降低的趋势，但降低的幅度非常小，2:00的温湿度可代表夜间整体的温湿度状况，因此选择夜间2:00的温湿度表示夜间环境。D2夜间温度最低，1月和2月达到-2 ℃以下，12月D1与D3a的夜间温度最高，其次是CK和D3b，1月D1与CK的夜间温度最高，其次是D3a和D3b，2月份D1夜间温度最高，D3a、D3b、CK较为接近；12月几种光伏温室内空气湿度与CK间差异不大，均在95%左右，1月与2月几种光伏温室内空气湿度差距逐渐增大，其中1月CK的湿度最低，D3b的湿度最高、D2与D3a比较接近(图1)。

2.3 不同天气各光伏温室大棚内环境比较

2.3.1 典型晴天时不同光伏温室大棚内环境比较

由图2可以看出，晴天时D2的温度、湿度、光照日变化幅度最小，且其温度跟光照显著低于其他几种光伏温室，其湿度显著高于D1、D3a、CK；除D2外，其他几种光伏温室夜间温度与CK均接近，湿度低于CK，其中D1、D3a的温度、光照最高，显著高于CK；D3b与D2显著低于CK，D3b与D2间光照强度接近，湿度的变化则与之相反。

2.3.2 典型雪天时不同光伏温室大棚内环境比较

图1 不同光伏温室大棚冬季温室内夜间温度和湿度比较Fig.1 Comparison of temperature and humidity in different photovoltaic greenhouses in winter

由图3可以看出，雪天时温湿度日变化不明显，温度大致日变化幅度在2 ℃左右，D2温度最低，比其他各光伏温室低4 ℃左右，其他各光伏温室间温度、湿度均相差不大，其温度相差1 ℃左右，除CK在12:00以后湿度明显下降外，其他各光伏温室湿度在96%～99%范围内变化。

图2 典型晴天时不同光伏温室大棚冬季温度、湿度、光照日变化Fig.2 Diurnal variation of temperature， humidity and light intensity in typical sunny days in different photovoltaic greenhouses

图3 典型雪天时不同光伏温室大棚温度、湿度日变化Fig.3 Diurnal variation of temperature and humidity in typical snowy days in different photovoltaic greenhouses

2.3.3 典型阴天时不同光伏温室大棚内环境比较

阴天时各温室内温度10:00才开始上升，D1的温度日变化高于其他光伏温室，D3a与CK间差异较小，D3b与D2低于CK，D2温度日变化始终低于其他温室，D1和D2日最高温度出现在16:00，其他温室日最高温度出现在14:00；温室内湿度以D3b最高，其次是D2，所有温室湿度均在10:00后下降，D3b与D2湿度降低幅度较小，D2最低湿度出现在18:00左右，其他温室湿度降低幅度较大，最低湿度约为55%，出现在16:00左右(图4)。

2.4 不同光伏温室大棚各月发电量，光伏板成本与发电收入比较

根据各月太阳辐射总量(宁夏年均太阳总辐射4 950～6 100 MJ·m-2，按中间值5 500 MJ·m-2计算)、光伏板面积(1.636 8 m2)、光伏板单价4元·W-1、光伏电价格(0.9元·度-1)及各温室光伏板数量计算各光伏温室光伏投入、各月发电情况和发电收入，如图5所示，则各光伏温室大概10.15年可收回光伏板成本投入。

图4 典型阴天时不同光伏温室大棚温度、湿度日变化Fig.4 Diurnal variation of temperature and humidity in typical cloudy days in different photovoltaic greenhouses

图5 不同光伏温室大棚各月发电量，光伏板成本与年收入比较Fig.5 Comparison of the solar power generation， photovoltaic panels cost and annual revenue in different photovoltaic greenhouses

2.5 不同光伏温室大棚内番茄、香菇长势和产量比较

表4统计了各光伏温室种植作物番茄和香菇简单长势和产量情况，结果显示，各光伏温室株高无显著差异，D1的番茄茎粗和单果质量显著大于其他温室，CK次之；单棒菇质量以D3b显著高于D2，产量变化趋势与单果质量和单棒菇质量一致。

表4 不同光伏温室大棚番茄、香菇长势和产量统计表

Table 4 Statistical table of growth and yield of tomato， edodes in different photovoltaic greenhouses

处理Treatment株高Plantheight/cm茎粗Stemdiameter/mm单果质量Singlefruitweight/g单棒菇质量Singlemushroomweight/g产量Yield/(kg·667m-2)CK145.5a12.4b134.8b7204dD1150.3a13.8a146.2a7420cD2736.7a9577bD3a141.63a12.9b120.5c7142dD3b750.3b9753a

3 结论与讨论

光伏农业是农业未来发展的一种趋势，它的发展不仅能有效利用太阳能生产出清洁绿色能源，有利于农业生产过程中的环境保护；还能实现高效种植、养殖和综合保护种养环境，为种植、养殖及后续农产品加工供给能源，可促进农业增效及改善农民生活质量，为绿色农业生产提供一条新的路径[4，10]。

本研究结果显示，就各光伏温室月环境总体而言，D1跟CK温度最高，D2的最低，而湿度以D2和D3b最大，D1最低，D1和D3a的光照最强，CK光照居中，这说明光伏板并未影响光线的透过，反而增加了温室内的光照强度，这可能是因为经温室采光面反射出去的光经光伏板反射又透过温室采光面所致，而光伏板数量越多，其覆盖面积越大，反射面积也越大，故温室内光线越强，这与董微等[11]研究光伏温室内外环境对比的结果一致。而D2跟D3b之所以光强最弱，是因为D2的双膜双网阻碍了光线透过，D3b的棉被白天没有卷起来，因此光线弱。对于夜间温度，总体上说以D1夜间温度最高，其次是CK和D3b，D2夜间温度最低，1月和2月达到-2 ℃以下，这与D1等的墙体结构可蓄热保温有较大关系；12月各光伏温室内夜间空气湿度相差不大，都在95%左右，1月和2月各光伏温室内夜间湿度差距逐渐增大，总体上D1和CK的最低，D3b的最高。各种典型天气下均以D2的温度最低，夜间各光伏温室内温度除D2外都相差不大，白天随着温度的升高差距拉开，晴天时各光伏温室内光照以D1最强，D3a其次，D3b与D2的较弱；雪天各光伏温室内温湿度日变化幅度为2 ℃左右，而且除D2外其他各温室内温度相差也不大，各典型天气下温湿度变化曲线与欧亚丽等[12]、赵丽莉等[13]研究环境变化的结果一致。阴天时各光伏温室内温度12:00才开始上升，15:00达到最大值，晴天和阴天9:00温度就已经开始上升，14:00达到最大值，而雪天温湿度曲线基本上趋于直线，这说明温度越高，温湿度日变化曲线幅度越大，最大值出现的时间越早，这与车忠仕等[14]研究典型天气下日光温室的微气候特点的结果和李瑞英[15]研究的冬季日光温室内气温预测结果相符。各光伏温室中D1的番茄茎粗和单果质量显著大于其他温室，CK次之，单棒菇质量以D3b显著高于D2。

因各光伏温室所用光伏板数量为D1>D3>D2，所以成本投入与发电量也是以D1最多，D3其次，D2最少；根据宁夏年光辐射总量、光伏板功率及各温室所用光伏板数量，通过公式预算年发电量，结果显示，光伏发电系统安装并正式启动后，各光伏温室均需约10.15年可收回投入成本。通过对各光伏温室内环境比较，冬季D1跟D3a内温度最高，光照最强，温室内作物长势良好，可进行大多数耐寒性蔬菜作物的越冬栽培生产，如菠菜、葱、白菜等耐寒性叶菜的越冬生产，但果菜越冬仍有困难，而D3b光照弱，冬季除1月最低温度低于0 ℃外，其他各月温度均在0 ℃以上，且D2产量较高，因此可进行菌菇类及喜低温和需光量低的作物的越冬生产。综合光伏板投入成本和发电收入，建议大力推广光伏日光温室(D1)和光伏阴阳棚阳棚(D3a)两种光伏温室，以加快光伏农业的发展，提高国民经济收入。

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(责任编辑 张 韵)

Comparative study on the environment of different photovoltaic greenhouses and greenhouse in winter in Ningxia

QI Juanxia1， CAO Lihua2， LI Jianshe1， YE Lin1， LIU Xin1， ZHANG Xueyan1，*

(1.SchoolofAgriculture，NingxiaUniversity，FacilityHorticultureEngineeringTechniqueCenterofNingxia，ResearchCenterforTechnologicalInnovationofFacilityHorticultureNingxia(NingxiaUniversity)，Yinchuan750021，China; 2.RuralScienceandTechnologyDevelopmentCenterofNingxia，Yinchuan750021，China)

Photovoltaic greenhouses are developed rapidly in Ningxia， in this paper second-generation solar greenhouse was chosen as the control (CK)， photovoltaic solar greenhouse (D1)， photovoltaic film double dual greenhouse (D2) and combining light with shade solar greenhouse (D3， solar greenhouse D3a， shade of greenhouse D3b) were chosen as treatments， the weather in every month in winter and the typical internal environment difference were analyzed in these photovoltaic greenhouse in Ningxia， and the costs and benefits of photovoltaic building were also analyzed to clarify the overwinter characteristics of each photovoltaic greenhouse environment. The results showed that the maximum temperature and light intensity of D1 were significantly higher than that of CK and other photovoltaic greenhouse in winter， the minimum temperature of CK was the highest and average humidity of CK was the lowest， the average temperature of D3a was lower than CK， but the humidity and light intensity were significantly higher than CK， temperature and light intensity of D2 and D3b were significantly lower than other greenhouses， but humidity were significantly higher than other greenhouses. In typical sunny， cloudy， snowy days， the temperature and light intensity of D2 were the lowest， and the humidity was the highest. The temperature in snowy day of D1 was lower than CK， but other typical weather temperature was the highest and humidity was the lowest. There was no significant difference in D3a and CK. The power generation of each photovoltaic greenhouse in each month was D1>D3>D2， and the construction cost of photovoltaic greenhouses could be recovered after 10.15 years. According to the comprehensive analysis， the inner greenhouse environment of D1 was better than CK， D3a was close to CK. D1， D3a and CK were suitable for fruit and vegetable production in winter. The winter temperature of D2 was below 0 ℃， which was not suitable for mushroom cultivation. D3b greenhouse environment was still suitable for mushroom cultivation.

photovoltaic greenhouse; environmental comparison; typical weather; photovoltaic input; electricity generation income

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.03.10

2016-07-29

国家星火项目(2015GA880006)；国家成果转化项目“沙漠光伏电站温室高效利用及产业化示范”；宁夏农业科技园区专项项目(2015BN06)；自治区国内引才312计划项目

祁娟霞(1991—)，女，宁夏固原人，硕士研究生，主要从事设施蔬菜高产栽培生理生态研究。 E-mail: 1508472996@qq.com

*通信作者，张雪艳，E-mail: zhangxueyan123@sina.com

S625.5

A

1004-1524(2017)03-0414-07

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 414-420

http://www.zjnyxb.cn

祁娟霞， 曹丽华，李建设，等. 宁夏不同光伏温室和大棚冬季内环境比较研究[J].浙江农业学报，2017，29(3)： 414-420.