光伏技术在日光温室中的应用研究

2023-01-05陈辛格冯朝卿程瑞锋仝宇欣

太阳能 2022年12期

陈辛格，伍纲，冯朝卿，程瑞锋，仝宇欣

(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

0 引言

十多年来，随着光伏新材料、新工艺的迭代，光伏产业进入了快速发展轨道，其作为绿色能源的主要利用形式，有力推动了“双碳”目标的实现。经济发展离不开能源，中国山东省、河北省等中东部地区的电力需求量大、消耗能力强，但土地价值更高，能预留给地面光伏电站的土地相对有限[1]。中国属于设施农业大国，设施农业面积位居全球第一，其中，日光温室是北方地区应用最广泛的一种农业设施。截至2018年底，中国独创的日光温室的占地面积已达57.77 万hm2[2]，尤其在中国北方寒冷地区，日光温室的占地面积极为庞大。因此，近年来将光伏技术和日光温室相结合而形成的光伏温室在中国逐渐增多。本文从日光温室的分布、光伏温室的发电模式、不同类型光伏温室的经济性、光伏组件布置方式对光伏温室的影响等方面进行了研究，并在一定程度上对未来光伏温室的发展进行了展望。

1 日光温室的分布及光伏温室的发电模式

日光温室在中国的温室类型中占据较大比重，且主要分布在中国气候较为寒冷的北方地区。截至2018年底，山东、辽宁两省的日光温室占地面积均已达到了7.44 万hm2以上，而安徽省、吉林省、青海省等地的日光温室占地面积相对偏小，但也都达到了2400 hm2以上。中国各地的日光温室占地面积情况如图1所示。

图1 中国各地的日光温室占地面积情况Fig.1 Floor area of solar greenhouses in China

中国大部分地区具有丰富的太阳能资源，适合于日光温室产业和光伏产业的发展。地面光伏电站需大面积占用土地资源，导致土地资源本就紧缺的中国东部经济发达地区不适宜建设光伏电站。但光伏技术可以与日光温室相结合，光伏组件可以安装在日光温室北墙上，或组合排布在南坡面，在不影响农作物产量和品质的情况下，可使光伏组件捕获更多的太阳能，这种与日光温室相结合形成的光伏温室不仅不会改变土地的使用性质，还可以提升土地的利用率，节约获取绿色电力的成本。

根据光伏电力使用方式不同，光伏温室可分为3 种发电模式，分别为并网发电、独立发电和混合发电模式。其中，混合发电模式是由并网发电模式和独立发电模式结合形成的。光伏温室的3 种发电模式如图2所示。

图2 光伏温室的3 种发电模式Fig.2 Three kinds of power generation modes of PV greenhouse

由于日光温室通常位于郊区或远离城镇的偏远地区，输电和供电成本较高，一些偏远地区甚至没有供电；而且现代化的日光温室中各种环境调控设备众多，若要满足日光温室的经济高效运行，温室内的光照、温湿度调节、通风、灭菌、CO2调节、滴灌系统等装置就需要有稳定的供电[3]。因此，为满足日光温室的电力供应，光伏温室可采用独立发电模式，调控装置通过利用光伏组件产生的电能对温室内的小气候环境进行调节，达到缩短作物生产周期的效果。这对于增加农作物的产出具有极大促进作用，能实现反季节种植和高品质作物的量化产出。

而对于采用混合发电模式，若光伏温室在供给温室自身电力后仍有余电，可同采用并网发电模式时一样，将电力通过电网出售给电力部门，得到额外的绿色能源收入。这对光伏温室的实施示范能起到一定的促进作用。同时，这种增汇型的农业技术，可以延长现代农业产业链，创造新的收入增长点，有利于设施农业高质量发展。

2 光伏温室可采用的不同类型光伏组件的特性

2.1 不同类型光伏组件的技术特性对比

在中国西北部的大部分地区，例如新疆维吾尔自治区、青海省等白天光照强、夜间温度低的地区，极适合发展光伏温室，但目前将光伏技术与日光温室进行结合仍处于探索应用阶段[4]。由于覆盖在日光温室南坡面上的光伏组件通常较为厚重，导致温室需要由更多的立柱和框架支撑。同时，由于传统的光伏组件的结构不易弯曲，而日光温室为了增加透光量，南坡面常为弧形曲面，这给光伏组件的类型选择、放置方式及其输出功率的提升都带来了挑战。

常见的可应用于光伏温室的光伏组件类型包括薄膜光伏组件、晶体硅光伏组件及双玻光伏组件，这3 种光伏组件的技术特性对比如表1所示[5]。

表1 常见的可应用于光伏温室的光伏组件的技术特性对比[5]Table 1 Comparison of technical characteristics of common PV modules applicable to PV greenhouse[5]

由于薄膜光伏组件的输出功率随着透光率的增加而降低，因此可以根据所需要的输出功率定制太阳电池的尺寸。目前，商业化薄膜太阳电池的透光率为10%～30%[6]，其利用激光刻划和小孔成像技术实现透光。光伏温室南坡面处大多采用薄膜光伏组件，此类光伏组件具有弱光性能好、成本低、发电时间长、透光光谱有利于作物生长等优点，但由于其光电转换效率低、年衰减率大，导致使用寿命较短，一般仅为10～15年。

与薄膜光伏组件相比，晶体硅光伏组件具有免维护、寿命长、成本低的优点，并拥有更高的经济性和实用性。

双玻光伏组件的构成从上至下依次为玻璃、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、太阳电池、EVA、玻璃。双玻光伏组件在自然条件下的抗衰减特性示意图如图3所示。

图3 双玻光伏组件在自然条件下的抗衰减特性Fig.3 Anti-attenuation characteristics of bifacial glass PV module under natural conditions

EVA 是一种热固性胶膜，具有附着力大、耐久性强、光学特性好等优点，被广泛应用于新型光伏组件中。双玻光伏组件外层的玻璃采用钢化玻璃，全光谱透过率均为90%以上，透光性较好；其还具有强度高、抗冲击、抗弯曲的优点，弯曲强度是普通玻璃的3～5 倍，且热稳定性较好。此外，双玻光伏组件还具有变光传输的特性，可以根据温室内不同作物的照明要求定制不同的透光率，防止过多的热量进入温室；同时避免了紫外光对作物造成损害；并且可以防止室内红外热量在夜间向外辐射，起到了很好的保温隔热作用。

2.2 不同类型光伏组件的光谱响应特性

不同类型光伏组件的透射率及光谱响应曲线如图4所示[7]。图中：PAR 为光合有效辐射；NIR 为现代近红外光谱；AM1.5(ASTMG173)为AM1.5 下生成的海平面太阳能分布曲线。

图4 不同类型光伏组件的透射率及光谱响应曲线[7]Fig.4 Transmittance and spectral response curves of different types of PV modules[7]

入射到日光温室外表面的太阳光包括紫外光、红外光和可见光这3 种类型。其中，红外光又包括近红外光和远红外光，由于远红外光的光谱能量极弱，所以红外光可近似看为近红外光。最适合农作物生长的是可见光，其中400～520 nm的蓝光和610～720 nm 的红橙光是光合有效辐射区，是农作物进行光合作用最重要的光谱波段；而在520～610 nm 波段，晶体硅光伏组件的光谱响应较好，这表明光伏发电和农作物生长在理论上可以同时进行。同时，相比于温室中的植物，温室结构会吸收更多的近红外光，这会导致温室效应，使室内空气温度持续升高，进而导致农作物减产。因此，根据半透明的薄膜光伏组件在近红外光波段的光谱响应曲线，其与日光温室的结合是一个较好的选择。

在日光温室中，光合作用速率每降低1%，温室内农作物的产量就会减少1%[8]。Wang 等[9]对农作物的光谱进行了研究，综合考虑了27 种草本农作物(包括西红柿、莴苣和黄瓜等温室农作物)的平均相对作用光谱，用以评估半透明薄膜光伏组件对农作物生长的影响。

AM1.5 下波长λ对应的光子通量密度bS(λ)、波长对应的农作物相对作用光谱a(λ)，以及经农作物相对作用光谱修正后的光子通量密度a(λ)bS(λ)的曲线如图5所示。

图5 农作物相对作用光谱、AM1.5 下光子通量密度和相对作用光谱修正后的光子通量密度曲线Fig.5 Curves of relative interaction spectrum of crops，photon flux density under AM1.5 and photon flux density corrected by relative interaction spectrum

以晴朗天气条件下，有光伏组件覆盖与无光伏组件覆盖时的光合作用速率之比G(x)表示薄膜光伏组件对农作物生长的影响，其可表示为：

式中：x为光伏组件的厚度；T(x,λ)为对应波长内光伏组件的总透射率。

3 不同类型光伏温室的经济性分析

图6 2 种光伏温室的光伏组件布置方式对比Fig.6 Comparison of PV modules layout of two types of PV greenhouses

假设光伏温室的有效寿命为25年，以年投资回报率Ra,i作为评估光伏温室经济性的指标，其可表示为[11]：

式中：R为光伏温室的年收入；C为光伏温室的年成本；TI为光伏温室的总投资，包括建设期投资和运行期投资，其中，运行期投资包括光伏发电系统运行投资、农作物种植投资和土地租金。

上述2 种光伏温室的投资、收入及年投资回报率情况如表2所示。

表2 2 种光伏温室的投资、收入及年投资回报率情况Table 2 Investment，income and annual return on investment of two types of PV greenhouses

从表2可以看出：采用“阴阳棚”型光伏温室时，年投资回报率为15.16%；采用轻简化光伏温室时，年投资回报率为13.03%。

与安装于日光温室北墙顶部的光伏组件不同，安装于日光温室南坡面的光伏组件充分利用了温室棚面结构，在增加光伏发电量的同时，还降低了制造成本。但这种模式由于阻挡了室内的部分光照，所以在日光温室中种植喜阳农作物时，太阳光必将成为光伏发电和农作物生长的竞争资源。

为了降低光伏组件对于温室内光照的影响，赵雪等[6]采用2 种方法来调整光伏温室的透光率。第1 种方法是调整光伏组件之间的间隔，这种方法的不足在于光伏组件会遮挡部分全波段的阳光，对小部分农作物的影响较大。第2 种方法是通过激光刻划或设置透明背电极的方式调整晶体硅太阳电池的透明度；晶体硅太阳电池可以对不利于农作物生长的紫外光产生一定的削减作用，但多晶硅太阳电池对波长为440 nm 的光具有强吸收能力，因此，对农作物的光合作用而言，单晶硅光伏组件会是光伏温室更好的选择。

综合考虑目前影响中国光伏温室的各种因素后，发现通过调整光伏组件之间的间隔来改变温室的透光率是目前光伏温室的最优选择，可在确保一定经济性和可行性的同时，最大限度的提升此模式下的综合收入。

当下的室内建筑装饰设计中，新新材料业已取得不错的成绩，它们不仅提高建筑的使用寿命、安全性，更有效地清洁和改善人们的居住环境。同时，建筑美学上也得到提升，即不仅创造了新的建筑艺术风格，还不断地提升建筑整体艺术性。

有研究表明[12]：光伏温室的投资回报期不到9年，且年回报率为9%～20%；同时，相对于以传统方式种植农作物，在光伏温室种植的耐荫农作物还会提高30%的经济收入。随着光伏技术的逐渐成熟，在不久的将来，光伏技术和温室产业的结合会是一个有价值的选择。

4 光伏组件布置方式对光伏温室的影响

与国外相比，中国学者对晶体硅光伏组件与日光温室相结合的研究相对较少。昝锦羽等[13]分别基于昆明市的气候特征建立了屋顶覆盖率分别为7.61%、15.22%、22.83%和30.44%的采用单晶硅光伏组件的光伏温室模型，并与无光伏组件覆盖的日光温室进行对比，结果显示：光伏温室的照明系数分别降低了16%、38%、49%和58%。

与晶体硅光伏组件相比，薄膜光伏组件的覆盖面积对日光温室内部光环境的影响更为显著。赵雪等[6]在延安市(36°N，108°E)进行了实验，监测了夏季时南坡面分别以不同比例布置薄膜光伏组件和聚碳酸酯板(PC 板)，以及仅铺设塑料薄膜时日光温室内的光环境。结果显示：在薄膜光伏组件与PC 板面积比为1:1 的布局下，夏季晴天正午前后2 h，日光温室内总辐射透射率和光合有效光量子流密度透射率分别比仅铺设塑料薄膜时日光温室的低30.3%和17%；温室的得热量减少了3949.8 kJ/m2。

赵雪等[14]对陕西省杨凌示范区(34°16′N，108°04′E)冬季时光伏温室南坡面以一定比例铺设薄膜光伏组件和PC 板时温室内的光环境进行了研究。结果显示：薄膜光伏组件和PC 板从西到东以1:3 的间隔铺设时的太阳总辐射量比以1:2 的间隔铺设时的太阳总辐射量增加了50.3 W/m2，总辐射透射率增加了9.1%，但平均光合有效光量子流密度的透射率差异不大；由薄膜光伏组件和PC 板形成的斜面的总辐射透射率在34.7%～41.7%内变化。

以上研究表明：薄膜光伏组件在夏季能有效阻挡太阳辐射，降低温室内温度，总辐射透射率与仅采用PC 板时相差不大。薄膜光伏组件的覆盖率必须根据农作物种类来确定，一般情况下不应高于50%；但晶体硅光伏组件与薄膜光伏组件不同，当其覆盖率超过30%时，其对光合有效辐射会有明显的抑制作用。

由于发电量可以根据光伏组件的覆盖面积进行调节，从而使光伏技术与农业生产实现均衡，这种设计方式既可用于并网发电模式，也可以用于不以发电量上网为目的的光伏温室中，若仅将光伏电力供温室自身使用，在保证农业生产质量的同时，也降低了并网设备的投资和发电过程中的能量损失。

在相同覆盖面积的前提下，光伏温室上方光伏组件的布置方式对室温影响很大。昝锦羽等[13]分别建立了单晶硅光伏组件以1 排紧密型、2 排紧密型、2 排棋盘式和4 排棋盘式排布时的光伏温室模型(下文分别简称为“1 排紧密型光伏温室”“2 排紧密型光伏温室”“2 排棋盘式光伏温室”“4 排棋盘式光伏温室”)，并在南坡面光伏组件总覆盖率为7.61%的前提下，分别对1 排紧密型光伏温室和2 排棋盘式光伏温室进行了研究。研究结果表明：在冬季白天，1 排紧密型光伏温室的室温高于2 排棋盘式光伏温室的，最大温差为2.5 ℃；光伏组件总覆盖率为15%时，2 排紧密型和4 排棋盘式光伏温室的室温相差不大，但2 排紧密型和4 排棋盘式光伏温室的底部采光效果分别优于1 排紧密型和2 排棋盘式光伏温室。由此可知：紧密型光伏温室的保温效果优于棋盘式光伏温室的，且在冬季的保温效果更好；但光伏组件以棋盘式排列更有利于光线的均匀照射，其照明效果要优于以紧密型排列时，对农作物的影响更小[13]。光伏温室南坡面上光伏组件的不同布置方式如图7所示。

图7 光伏温室南坡面上光伏组件的不同布置方式Fig.7 Different layout modes of PV modules on the south slope of PV greenhouse

针对薄膜光伏组件在日光温室南坡面排布的研究，赵雪等[6]发现：光伏温室采用薄膜光伏组件时，其在1月的平均总辐射透射率为33%，比采用塑料薄膜时低11.6%；光伏温室采用薄膜光伏组件时，温室内温度低于8 ℃的天数(2 天)明显少于采用塑料薄膜时的天数(10 天)。这说明在冬季，光伏温室采用薄膜光伏组件时的室温高于采用塑料薄膜时，更有利于冬季农作物的栽培。总辐射透射率的研究表明[6]：无论是晶体硅光伏组件还是薄膜光伏组件，棋盘式排列均会使日光温室中的光照更为均匀，总辐射透射率更好，也更有利于农作物的生长。

综上可知，在日光温室南坡面全部覆盖不透光的传统光伏组件并不适合绿色农作物的栽培，而以集中且部分覆盖和东西向条状排布的光伏组件对于部分农作物的影响很大，但当光伏组件呈南北向排列时，在无关温室方位的情况下，无论光伏组件是呈条状还是棋盘式分布[15-17]，晴朗天气时温室内的所有农作物都会经常受到阳光照射。日光温室农作物上方不透明光伏组件的排布示例如图8所示。图中：无遮荫、中度遮荫或重度遮荫农作物分别表现为亮绿色、深绿色和黄色农作物。

图8 日光温室农作物上方不透明光伏组件的排布示例Fig.8 Arrangement example of opaque PV modules above crops in solar greenhouse

5 展望

“双碳”目标为中国能源问题带来了新的挑战，而发展新能源是推动碳减排的重要路径。在这个大环境下，技术水平日趋成熟的光伏温室将会是未来农业发展的方向之一，光伏和温室产业的结合必将促进光伏产业和农业经济的发展，在紧贴国家能源政策的前提下，为人民谋取福利。

但也应看到，光伏温室的发展同样也受到多种因素的制约。光伏产业和农业的结合还存在许多问题，要做到光伏产业和农业水平两手抓。在光伏技术方面，从材料入手，提高光伏组件的稳定性与植物光谱透过率，找到最契合于日光温室的光伏组件；在农业生产方面，因喜荫农作物受遮光影响较小，其在光伏温室中的种植可作为一种调节手段。在光伏技术与日光温室结合方面，更加精确的光伏组件排布，以及可变向式光伏组件，都应是未来此类研究的探究之路。应在顺应大环境需求和技术革新的同时，也满足对于经济性和社会效益等的底层需求，使光伏技术与日光温室的结合更具有理论与现实意义。