“农地种电”型光伏电站可种植区域光温环境参数研究

刘建+庞真真

【摘要】海南的太阳能资源丰富，光伏发电与农业结合成为新的发展模式。试验以“农地种电”“一地两用”型光伏电站为研究对象，分析光伏组件下部及间隔处的光温环境。结果表明：光伏组件下部的光照度受天气影响较小，在垂直高度上光照度呈下高上低的规律；反之，光伏组件间隔处的光照度受外界影响明显，在垂直高度上呈现下低上高的规律；在水平方向上，光伏组件上檐口与间隔处的光照度高，光伏组件中部至下檐口的光照度低；在不同天气条件下的6 h（10：00～16：00）光照度平均值可以分为3组区域，光照度最小值分别为4000、7500、21000 lx；光伏组件的遮阳作用具有一定的降温效果。

南擁有丰富的太阳能资源，全岛年日照时数达到1750～2550 h，光照率为50%～60%，太阳总辐照量5100～6300 MJ/m2，热带海洋气候带来的阵雨可经常清洗光伏电池板并为电池板降温，保证稳定的光伏发电效率，降低维护成本[1]。在海南发展太阳能光伏发电具有得天独厚的自然优势，但是光伏发电需要大量的土地资源，成为海南发展光伏发电的制约因素。鉴于此，海南的部分光伏电站引入了“农地种电”“一地两用”的建设方式，寻找将农业种植和光伏发电有机结合的方式。光伏和农业结合是近几年光伏发电领域的一个重要方向，目前，各地均出现了以光伏发电和农业大棚结合的探索和实践[2-8]。赵雪[9]等研究了光伏日光温室夏季光环境及其对番茄生长的影响，结果显示光伏日光温室内非晶硅电池组件有助于夏季降温，同时其室内光环境可满足番茄的生长。“农地种电”型光伏电站主要是提升光伏组件的安装高度，以此在光伏组件的下部获得农业种植可操作的空间和区域，也能在一定程度上改善光伏组件下部的光环境参数，为农业种植提供可操作的可能。上部发电，下部种植，发电与种植均需要光照资源，寻找光照资源的合理分配方式，是实现发电和农业种植两不误的高效、立体土地利用模式的关键。目前该类型光伏电站在海南缺乏相关的实测研究，因此亟需研究相关的环境因子，检测光伏组件下部种植区域是否能够满足种植的基本要求。

本文通过对“农地种电”型光伏电站进行相关环境参数测试，分析其空间分布规律，为该类型光伏电站的农业种植规划提供理论基础，同时也为其他进行该类型光伏电站建设或改进的机构提供参考。

材料与方法

试验于2013年7月20日～

25日对位于海南省东方市（北纬19° 08′ ，东经108° 52′）某供试的“农地种电”型光伏电站进行了相关的实地测试，对“农地种电”型光伏电站光伏组件下部的光照度变化情况进行了连续的观测。该光伏电站规划装机容量为50 MWp，总占地面积约2000亩（133.3hm2）。光伏组件单排水平投影宽度为3.8 m，间距为1.35 m，光伏组件的倾角为15°，下坡檐的净空高度为2 m，上坡檐的净空高度为2.9 m，支撑光伏组件支架的高度与传统的光伏电站相比有所提高。试验选取整个电站东部已建成的区域进行测试，光伏电站尺寸参数及测试点布置如图1所示。在光伏组件正下方布置a、b、c三个点，光伏组件间隔区域布置d、e、f三个点。每个测试点在垂直方向上分别在20、50、80、110、150 cm的5个高度上布置测试点。光伏组件为南北布置，东西走向，a测试点位于测试区域的南侧（S），f测试点位于测试区域的北侧（N）。采用德国德图（Testo-545）照度计每小时观测1次各测试点的光照度。光照度测试点间距为900 mm，根据预试验测试温度在这样的间距中无差值（仪器分辨率0.1℃）或差值仅为0.1℃。考虑到仪器精度和较小差值对要研究内容无影响，本试验仅对光伏组件下面中部的b点与间距处中部的e点不同高度处的温湿度进行了测试。采用日本TANDD（TR-51S）自动温湿度记录仪采集和记录测试点b、e（50?110 cm高处）温湿度。选取位于测试的光伏组件旁10 m处无遮挡的空地测试光伏组件以外的光照度和温湿度。测试时间段均为8：00～18：00。

结果与讨论

光照度

★ 不同天气情况下各测试点光照度分布情况

对试验期间空地处测得光伏组件以外10 h平均光照度范围对天气情况进行分类，选取晴间多云（平均光照度47995 lx）、阴间晴（平均光照度39369 lx）、晴转阴（平均光照度31915 lx）、阴间小雨（平均光照度27212 lx）等4种天气情况对各测试点6 h累计的平均光照度进行分析（图2）。a、b、c、f测试点的平均光照度受外界条件影响较小，a、b点的平均光照度在5000 lx左右，c、f点的平均光照度在8000 lx左右，a、b、c、f 测试点的平均光照度均随高度的增加减少；室外光照强度以及高度对d、e点的平均光照度影响明显，除阴间小雨天气以及阴间晴天气条件下20 cm及50 cm高度外，d、e点的平均光照度均能达到20000 lx以上。

把不同天气条件下每个测试点不同测试高度测试值的平均值进行比较分析（表1）。测试点d、e光照度的平均值大于20000 lx，达到21677.37 lx与31730.88 lx，与室外平均光照度比较，透过率达到43.77%与64.08%。

d、e点的光照度能够满足大于4000 lx光补偿点的6 h累计平均光照度不小于20000 lx的采光设计标准[10]，保证日光温室强光型蔬菜正常生长发育。而a、b点各高度的光照度均不能达到上述标准，仅适宜于部分光饱和点较低的阴性（观叶类）花卉或药材等作物生产，c、f适宜于阴性蔬菜（叶菜类） [11]等作物生产。

★ 外界环境对光伏组件下部光照度的影响

上述分析可以看出：在光伏组件正下方，a点的平均光照度最低，d点的平均光照度最高，且a、b、c、d点平均光照度呈递增关系。所以对典型位置a点和d点的20 cm处和110 cm处数据进行对比分析（图3、图4）能够反映光伏组件正下方光照度在高度和水平方向上的变化趋势。a点不同高度处的光照度受天气情况的影响较小，在不同天气情况下光照度的数值相差不大，变化趋势相同。a点20 cm高处在不同天气的情况下，光照度大于5000 lx的时长为4 h，a点110 cm高处的光照度均小于5000 lx，这种现象与该区域的光照度均来自于散射光有关。d点正上方无遮挡，以太阳直射光为主，光照度的变化与天气情况密切相关，且在20 cm与110 cm处光照度的变化不大。在测试的天气情况中，d点各高度光照度大于20000 lx的时长在5 h以上，最高可以达到65000 lx。